В. Б. Овандер, О. Ф. Никитин. Компактные клинопрофильные уплотнения для валов и фланцев гидромашин
17 Марта 2016
Конкурентная борьба гидропривода с электроприводом, обострившаяся в связи с появлением линейных электродвигателей (электроцилиндров) для домкратов, электроприводных рулевых машин для летательных аппаратов, электроусилителей рулей автомобилей и быстродействующих электроприводных систем стабилизации, требует от разработчиков гидроприводов реализовать все возможности повышения их энергоемкости. Это достигается миниатюризацией всех гидроэлементов при сохранении высокой мощности гидропривода за счет применения повышенных давлений рабочих жидкостей (РЖ) и более легких и прочных материалов. Повышению конкурентоспособности гидропривода способствует применение пожаробезопасных негорючих РЖ, расширение температурного диапазона работоспособности от -60 до +300оС при давлении до 40...70 МПа. Однако сочетание вышеперечисленных факторов существенно осложняет условия работы уплотнения, так как легкие сплавы металлов имеют пониженный модуль упругости и повышенный коэффициент температурного расширения, что приводит к увеличенным взаимным перемещениям стыкуемых деталей при работе гидропривода.
В этих условиях совершенствование традиционных эластомерных уплотнений гидроприводов идет по пути применения вспомогательных элементов – жестких и прочных антиэкструзионных колец и металлических пружин (рис. 1) [1].
Однако такие уплотнения сложны в производстве и имеют повышенные габариты (для фланцев каналом с диаметром 50 мм размеры поперечного сечения уплотнения равны 7,5х5 мм).
Наиболее просты и компактны цельнометаллические уплотнения, которые решают проблемы работоспособности гидроприводов при вышеуказанных давлениях и уплотнениях. Но они пока не получили широкого применения из-за более жестких требований к качеству поверхностей деталей гермосоединения. Современные технологии металлообработки решают эти проблемы. Примером этого может служить все более широкое применение ниппельных соединений труб с врезающимся металлическим кольцом.
К компактным цельнометаллическим уплотнениям фланцев следует отнести конструкцию с двумя неразрезными кольцевыми пружинами (рис. 2) [2].
Рисунок 2 - Фланцевое уплотнение с кольцевыми пружинами
В отличие от традиционных уплотнений, сжимаемых по сечению в посадочном месте, такие уплотнения работают за счет сжатия или растяжения по периметру, что позволяет использовать жесткие материалы и существенно снизить размеры сечения. Высокая герметичность таких уплотнений достигается при высоте микронеровностей контактных поверхностей не более 0,6...0,8 мкм. Благодаря достаточно упругому ходу и эффекту передачи давления РЖ на контактные поверхности эти уплотнения по сравнению с металлическими прокладками допускают повышенные деформации фланцев и их осевые смещения. Проскальзывание плоского торца уплотнения по фланцу обеспечивает сохранение герметичности и при радиальных взаимных перемещениях фланцев.
К недостаткам двухкольцевого пружинного уплотнения следует отнести наличие двух деталей с герметичным стыком между ними, а также его чувствительность к перекосу осей или непараллельности контактных поверхностей фланцев. Эти особенности снижают надежность такого уплотнения и сферы его применения, повышают габариты сечения и себестоимость.
Другим типом контактных металлических уплотнений является клапанное уплотнение с упругой кромкой (рис. 3) [1].
Рисунок 3 - Клапанное уплотнение с упругой кромкой
Тонкостенная упругая кромка с линейным контактом по конической поверхности ответной детали способна герметично стыковаться с ней при значительных отклонениях формы и взаимного расположения, перекосах осей деталей стыка при невысоких контактных давлениях. Кроме того, линейный контакт способствует минимизации габаритов уплотнения. Так же, как и в двухпружинных уплотнениях фланца угол γ конической поверхности рекомендуется назначать больше угла трения стыкуемых материалов. Как и для кольцевых пружин, его принимают равным 20о, а шероховатость контактных поверхностей не выше Ra 0,2 мкм.
Оптимальным материалом для таких уплотнений считается бериллиевая бронза БрБ2, отличающаяся хорошими антифрикционными свойствами [3]: коэффициент сухого трения по твердой стали 0,12, на мягкой стали 0,18; коэффициент термического расширения как у инструментальных сталей; износ при трении в парах БрБ2 – БрБ2 или БрБ2 – нержавеющая сталь в условиях сухого трения не наблюдается при нагрузке до 0,75σ02. Бронза БрБ2 имеет пониженный по сравнению со сталями модуль упругости Е ≈ 100 ГПа и высокие допустимые напряжения σ02 до 1 ГПа, при этом ее упругие деформации могут достигать 1% от начального размера, а пластические деформации до 2%.
Опыт эксплуатации металлических узкокромочных уплотнений показывает, что высокую герметичность можно получить при минимальной ширине контакта. Габариты таких уплотнений определяются, в основном, необходимостью перекрытия зазора между стыкуемыми деталями и размерами элементов, генерирующих контактные давления в уплотнении и обеспечивающих его антиэкструзионную стойкость. Поэтому при применении в уплотнении кольцевых пружин из прочных и упругих материалов размеры их поперечного сечения могут приближаться к размерам уплотняемых зазоров и в основном определяться удобством изготовления сборки уплотнительного узла.
Предложенная конструкция клинопрофильного уплотнения (КПУ) (рис. 4) представляет собой комбинацию клапанного уплотнения с упругой кромкой с уплотнением в виде кольцевой пружины, что позволяет сохранить все высокие параметры этих уплотнений и обеспечить поперечное сечение менее 1х2 мм при внутреннем диаметре 50 мм.
Рисунок 4 - Фланцевое клинопрофильное уплотнение
Вариант с наружной конической поверхностью предназначен для фланцевых соединений, а с внутренней конической поверхностью – для соединений «вал-крышка».
При соединении фланцев КПУ обжимается конусом в расточке одного из фланцев, а во втором случае растягивается на фаске вала. Углы γ конических поверхностей на фланце и на валу принимаются равными 20о, как рекомендуется для кольцевых пружин. Угол конической поверхности β на кольцах выполняется на 1-2о меньше, для того чтобы начальный натяг на конусе происходил лишь на части кольца вблизи острой кромки. Упругая характеристика кольцевой пружины должна быть более пологой.
Под действием высоких давлений РЖ на цилиндрическую поверхность КПУ они прогибаются и полностью прилегают к конусам посадочных мест, проскальзывая торцами по плоским поверхностям без потери герметичности. Наличие полого участка на упругой характеристике снижает контактные напряжения (давления) в случае использования КПУ в подвижных соединениях, уменьшая трение и их изнашивание.
Величина максимального упруго хода КПУ в радиальном направлении (деформация по диаметру) определяется максимальной упругой деформацией используемого в них материала, зависящего от соотношения допустимых напряжений к модулю упругости. Для КПУ из бериллиевой бронзы БрБ2 такая деформация составляет 1% от диаметра кольца. Максимальный осевой упругий ход при угле конуса γ = 20о больше диаметрального хода в 1,4 раза, то есть составляет 1,4% от диаметра кольца.
Погонные силы начального контактного давления (напряжения) [Н/см] на периметре среднего диаметра конической поверхности КПУ при β = γ = 20 ̊ определяются соотношением:
где F – площадь поперечного сечения КПУ, см2; E – модуль упругости материала, Н/см2; ΔD – деформация среднего диаметра, см; D – средний диаметр кольца КПУ, см.
Расчеты по этой формуле при Е = 100 ГПа показывают, что каждый мм2 площади сечения кольца при максимальной упругой деформации ΔD = 0,05 см при D = 5 см создает ≈ 400 н/см.
Погонные силы начального контактного давления на торце КПУ при γ = 20о примерно в 3 раза меньше, так как создаются за счет проскальзывания его конической поверхности по конусу ответной детали. Поэтому в случае использования КПУ в качестве уплотнения вала оно будет работать как торцовое уплотнение, удерживаясь неподвижно на валу силами трения, бóльшими, чем на торце. Полученные значения даже при такой минимальной величине сечения ≈ 1 мм2 КПУ многократно превышают погонные силы (~ 10 кН/см), необходимые для обеспечения герметичности в быстроходных торцовых уплотнениях валов с металлическими парами трения. Следовательно, КПУ из бронзы для обеспечения герметичности могут иметь размеры сечения на уровне нескольких миллиметров, а их габариты определяются, в основном, условиями удобства изготовления и монтажа.
Для снижения контактных давлений можно использовать вместо бронзы наиболее прочные и упругие пластмассы, например, полиэфирэфиркетон (РЕFК) с модулем упругости Е = 4 ГПа и σо = 116 МПа. КПУ из этого материала имеют увеличенный в 3 раза упругий ход и пониженные в 25 раз при равных размерах контактные нагрузки.
Рисунок 5 - Упругие характеристики кольцевой пружины с конусами β=ƴ=20 ̊ и уменьшенными конусами 18 ̊= β=ƴ
Особым свойством КПУ является способность образовывать бесступенчатую поверхность с конусной фаской на валу (рис. 4, б). Это свойство используется при применении КПУ в неполноповоротных гидродвигателях, где по цилиндрической поверхности КПУ скользит уплотнение лопасти статора, разделяющий прямоугольные кольцевые рабочие камеры этих гидродвигателей (рис. 6) [4].
Испытания КПУ с размерами сечения 2х0,7 мм и диаметрами 28, 40 и 60 мм в неполноповоротных гидродвигателях подтвердили их высокую герметичность при давлении РЖ до 26 МПа и скорости скольжения до 0,1 м/с.
Применение КПУ в неполноповоротных гидродвигателях позволяет использовать легкие сплавы металлов для корпусных деталей гидродвигателей. Это повышает энергоемкость и конкурентоспособность гидродвигателей. Возможны и другие области применения КПУ – многоканальные фланцевые соединения, уплотнения тихоходных гидрошарниров, шаровых кранов и заслонок.
Рисунок 6 - Клинопрофильное уплотнение вала
Литература
1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др. – М., Машиностроение, 1986. С 464.
2. Т.М. Башта. Гидравлические приводы летательных аппаратов. – М., Машиностроение, 1967. С.474.
3. Д.В. Гречихин, О.В. Толмачев, С.Д. Топольняк и А.И. Хаймович. Применение бериллиевой бронзы в качестве материала опор скольжения // Химическое и нефтегазовое машиностроение, № 6, 2008 г. С.44-47.
4. Патент RU № 2072427.
