НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.22(075.8)

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

nof1936@yandex.ru

Введение

Герметичность контактных уплотнительных устройств, составляющих до 90% всех уплотнительных устройств гидропривода, существенно определяется микрогеометрией - шероховатостью уплотняемых поверхностей. В неподвижных контактных уплотнительных устройствах зазор близок к нулю. При соприкосновении двух твердых поверхностей образуется система впадин, капилляров произвольной формы и отдельных пятен касания. При действии перепада давления по образовавшимся отдельным капиллярам происходит утечка. Для уменьшения путей утечки - уменьшения величин микронеровностей и заполнение впадин микроканалов вводятся прокладки из эластомерных материалов. Диапазон принятых в практике величин шероховатостей уплотняемых поверхностей недостаточно обоснован. Целью и задачей проводимого исследования являются определение и обоснование граничных величин шероховатости уплотняемой поверхности и поджатия эластичных уплотнительных колец. Целенаправленных исследований по затронутому вопросу последние 25-30 лет не проводилось.

Основная часть

Резина различных марок - эластичный материал, широко применяемый в гермотехнике и представляющий собой сложную композицию из каучука и ингредиентов, относится к классу полимеров, называемых эластомерами. С точки зрения эксплуатационных свойств резина является уникальным конструкционным материалом. Высокая эластичность, практически очень малая проницаемость для газов и жидкостей, амортизационная способность и другие свойства делают ее незаменимым материалом уплотнений и многих технических деталей. По своему механическому поведению резины качественно отличаются от привычных материалов - металлов, низкомолекулярных твердых и жидких тел. Подобно упругим твердым телам резине свойственна способность легкой деформируемости и быстрого восстановления первоначальной геометрической формы после снятия нагрузки. Это свойство обеспечивает заполнение микронеровностей уплотняемых поверхностей уплотнения, сохранение герметичности соединения и восстановление своей формы после разгрузки. Величина микронеровностей регламентируется шероховатостью Rа, обеспечиваемой видом механической обработки уплотняемой поверхности контртела [1, 2].

Возникающие напряжения в таком деформированном кольце способствуют заполнению - перекрытию профиля неровностей и обеспечивают герметичность. Шероховатость поверхностей, сопряженных с уплотнительными устройствами, существенно влияет на герметичность и долговечность работы уплотнения [3].

Нарушение герметичности уплотнительного устройства проявляется утечкой уплотняемой среды по не перекрытым каналам, образованным профилем поверхностей и неровностей контртела и поверхностью деформированного кольца.

Схемно-конструктивное исполнение стенда

Учитывая композиционную сложность структуры эластомерного материала уплотнительного кольца и разнообразие профиля (шероховатости) уплотняемой поверхности, исследования герметичности проводилось пузырьковым методом - подводом сжатого воздуха к уплотнительному устройству и помещением последнего в ванну с водой (рис. 1).

Исследование влияния шероховатости поверхности Rа контртела, коэффициента поджатияε и ширины l уплотняющего пояска, образовавшегося при поджатии и зависящего от давления рабочей среды р, на герметичность уплотнительного устройства проводилась на приспособлении, схемно-конструктивное исполнение которого показано на рис. 1.

Рис. 1. Схемно-конструктивное исполнение стенда по исследованию герметичности колец

1- корпус; 2 - винт;3 - исследуемое кольцо; 4 - кольцо - шайба; 5 - подошва; 6 - ванна с водой

Стендовое приспособление состоит из корпуса 1, кольца - шайбы 4 переменной толщины, исследуемого кольца 3 и подошвы 5 с контактной поверхностью с исследуемой шероховатостью. Вся конструкция стягивается до упора винтами 2 и помещается в ванночку 6 с водой.

Использование набора колец-шайб из 12 штук с разницей по толщине в 0,1 мм позволяет обеспечить широкий диапазон коэффициент сжатияε= 0 ... 0,35 при переменной глубине канавки h, т.е.  ε =var.

Контактные поверхности корпуса и колец выполнены с шероховатостью не хуже Rа = 0,32 мкм. Шероховатость контактной плоскости каждой из всего набора подошв имеет свою шероховатость из диапазона от 20 до 0,32 мкм.

В сборочную единицу подводится воздух с регистрацией давления по манометру М.  Момент потери герметичности определяется по появлению пузырьков в воде (выход воздуха).

Экспериментальные результаты и их анализ

Экспериментальные результаты замера давления, при котором нарушается герметичность, при определенном коэффициенте ε_iсжатияи шероховатости контактной поверхности подошвы представлены на рис. 2 в виде семейства графических зависимостей р = f (Rа) при ε_var(рис. 2).

Рис. 2. Экспериментальные характеристики зависимости давления потери герметичности от шероховатости поверхности контртела.

Анализ экспериментальных материалов показывает, что: 

- максимальная величина давления рабочей среды (воздуха), при которой нарушается герметичность, происходит при шероховатости Rа =2,0...1,6 мкм и ε > 0,15;

 - при ε > 0,15 и Rа < 1,6 мкм наблюдается некоторое снижение контактного давления вследствие радиальной (во все стороны) деформации кольца и перемещения контактных поверхностей чему еще способствует уменьшение трения из-за использования более гладких поверхностей (испытания проводились при свободном расположении уплотнительного кольца в канавке);

- при ε= 0... 0,15 во всем диапазоне Rа от 20 до 0,32 мкм давление монотонно возрастает, видимо сказывается незначительная деформация и малые радиальные деформации.

Проведенные испытания охватывают широкий круг пассивных неподвижных контактных уплотнений. В активных неподвижных контактных уплотнениях, устанавливаемых в закрытые канавки, тело уплотнительного кольца давлением уплотняемой среды поджимается к стенкам канавки, что увеличивает площадь контакта и улучшает условия обеспечения герметизации. Выполнение шероховатости Rа =2,0...1,6 мкм поверхности контртела в полной мере обеспечивает герметичность соединений.  

Заключение

Учитывая полученные результаты, можно рекомендовать:

- выполнять контактные поверхности с шероховатостью Rа =1,6...2,0 мкм;

- при дальнейшем повышении гладкости контактной поверхности (Rа < 1,2 мкм) герметичность снижается (снижается давление нарушения герметичности) вследствие уменьшения сил трения в паре упругое кольцо-контртело;

- при установке упругого уплотнительного кольца с незначительным сжатием ε < 0,05 даже при давлении рабочей среды 0,05 МПа улучшаются условия уплотнения вследствие увеличения площади контакта упругого уплотнительного кольца с контртелом.

Список литературы

1. Мельник В.А. Торцовые уплотнения валов : справочник. М.: Машиностроение, 2008. 320 с.

2. Пындак В.И. Пакетные манжетные уплотнения высокого давления и их напряженно-деформационное состояние // Вестник машиностроения. 2012.  № 10. С. 33-36.

3. Кондаков Л.А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. 216 с.