Контактные уплотнения (сальники, манжеты, кольца)

Манжета

Сальники

Сальники принадлежат к числу отживающих систем уплотнения. Их основной недостаток — повышенный износ, сопровождающийся потерей уплотнительных свойств, и неприспособленность к высоким окружным скоростям. Все же благодаря простоте и дешевизне сальники до сих пор применяют в узлах неответственного назначения.

Сальник представляет собой кольцевую полость вокруг вала, набитую уплотняющим материалом. Для набивки применяют хлопчатобумажные ткани, очесы, шнуры, вываренные в масле, фетр, асбест и подобные материалы с добавлением металлических порошков (свинца-баббита), графита, дисульфида молибдена и других самосмазывающихся веществ.

На рис. 607 представлены простейшие формы сальников, устанавливаемых непосредственно в корпусные детали (рис. 607, I—IV) или в промежуточные детали (рис. 607, V—VIII).

Установка сальников в цилиндрических канавках

На рис. 608, I изображено простейшее сальниковое уплотнение с конической канавкой (стандартный угол профиля канавки 15° ± 1°). Коническую форму придают канавке в расчете на то, что уплотнение в виде, например, цилиндрического фетрового кольца, будучи плотно установленное в коническую канавку, стремится под действием сил упругости сжиматься к центру, охватывая вал.

Набивка работает непосредственно по валу или по промежуточной втулке; для увеличения надежности и повышения срока службы поверхность вала (или втулки) должна иметь твердость не ниже HRC 45 и шероховатость не более Ra = 0,32—0,65 мкм. Обратную схему, при которой набивка работает по корпусу (рис. 608, II), применяют редко вследствие повышения окружной скорости скольжения в связи с этой конструкцией.

Установка сальников в конических канавках

Для увеличения надежности уплотнения применяют двойные сальники, расположенные друг за другом (рис. 608, III) или, при ограниченности осевых габаритов, друг над другом (рис. 608, IV). Для компенсации происходящего в эксплуатации износа осуществляют затяжку набивки (рис. 608, V, VI).

Надежность сальника резко возрастает при подводе смазки (хотя бы в незначительном количестве) так как при смазке уменьшается коэффициент трения, тепловыделение и повышается герметичность. В конструкции, изображенной на рис. 608, IV, смазка подводится из уплотняемой полости через радиальные отверстия в корпусе сальника.

Периодическая подтяжка крайне нежелательна, потому что требует постоянного внимания обслуживающего персонала. Кроме того, при неумелом обращении возможна перетяжка сальника, приводящая к перегреву и выходу уплотнения из строя.

Совершеннее конструкции с автоматической затяжкой с помощью пружины (рис. 608, VII, VIII).

На рис. 608, IX—XI показаны конструкции сдвоенных сальников с пружинной затяжкой.

Для уплотнения жидкостей, пара и газов при высоком давлении применяют сальники с увеличенной длиной набивки и с затяжкой набивки внутренней (рис. 609, I) или наружной (рис. 609, II) гайкой, грундбуксой (рис. 609, III) или пружинами (рис. 609, IV—VI).

Сальники для высоких давлений

В случаях, когда необходимо полностью исключить просачивание жидкости через уплотнение, применяют спаренные (рис. 609, VII) или многорядные (рис. 609, VIII) сальники с промежуточными распорными втулками между набивками и со сливом жидкости, просачивающейся через первые (со стороны давления) набивки.

Гидропластовые уплотнения

Часто применяют сальники с уплотняющим элементом в виде втулки из термопластов, например, из поливинилхлоридов. Гидропластовую втулку заключают в замкнутое кольцевое пространство в корпусе (рис. 610, I). Зазор между валом и отверстием делают минимальным. Уплотняющий элемент затягивают на валу винтом, действующим на гидропласт через притертый плунжер; давление плунжера, передаваясь всей массе гидропласта, заставляет втулку плотно охватывать вал.

Гидропластовые уплотнения

Во избежание выдавливания гидропласта в зазор между валом и корпусом, на торцах кольцевой канавки корпуса устанавливают выполненные из антифрикционного металла кольца по посадке Н7/h6 относительно вала (рис. 610, II). Кольцам придают некоторую свободу радиального перемещении для того, чтобы поверхности скольжения не разрабатывались при биении вала.

Манжетные уплотнения

Манжета представляет собой выполненное из мягкого упругого материала кольцо с воротником, охватывающим вал. Под действием давления в уплотняемой полости воротник манжеты плотно охватывает вал с силой, пропорциональной давлению (рис. 611, I). Для обеспечения постоянного натяга воротник стягивают на валу кольцевой пружиной (на рис. 611 не показана).

Схема действия манжеты

Манжета должна быть расположена воротником навстречу уплотняемому давлению; при обратном расположении (рис. 611, II) давление отжимает воротник от вала. При необходимости двустороннего уплотнения устанавливают две манжеты с воротниками, направленными в разные стороны (рис. 611, III). Наружную сторону манжеты плотно крепят к корпусу.

В ряде случаев манжету делают с двумя воротниками, один из которых уплотняет вал, а другой корпус (рис. 612), в силу того же манжетного эффекта.

Манжета с двумя воротниками

Возможные формы манжет показаны на рис. 613, I—XII.

Формы манжет

Манжеты раньше изготовляли из лучших сортов воловьей кожи, подвергая ее распариванию и прессованию для придания нужной формы. На рис. 614 показаны способы установки кожаных манжет.

Способы установки кожаных манжет

На рис. 615 приведены примеры применения манжет в уплотнениях торцового типа.

Примеры применения манжет в уплотнениях торцового типа

На рис. 616 изображена многорядная установка манжет в уплотнениях для высоких давлений (жидкостей, паров и газов).

Многорядная установка манжет в уплотнениях для высоких давлений

Манжеты чаще всего изготовляют из пластиков типа поливинилхлоридов и фторопластов, превосходящих кожу по упругости и износостойкости, Полихлорвиниловые манжеты выдерживают температуру до 80°С. Фторопластовые манжеты могут работать при температурах до 300°С.

Армированные манжеты для валов

Широко применяют в машиностроении армированные манжеты для валов. Эти уплотнения представляют собой самостоятельную конструкцию, целиком устанавливаемую в корпус; манжету изготовляют из синтетических материалов, что позволяет придать ей любую форму; воротник манжеты стягивается на валу кольцевой витой цилиндрической пружиной (браслетной пружиной) строго регламентированной силой.

На рис. 617 показаны различные типы манжет (первые относятся к более ранним конструкциям).

Манжеты резиновые армированные для валов

Конструкции на рис. 617, I—VIII с манжетой в кассете из листовой стали (иногда очень сложной сборки) почти вышли из употребления. Основной их недостаток — сложность герметичной посадки уплотнения в корпус. При достижимой штампованием точности размеров трудно обеспечить плотную посадку кассеты в корпус, поэтому возникает необходимость применять уплотняющие мази. В современных конструкциях посадочный пояс уплощения выполняют как одно целое с манжетой (рис. 617, IX и следующие). Благодаря податливости материала в данном случае легко достигается уплотнение по корпусу даже при значительных колебаниях посадочных размеров. Необходимая радиальная жесткость придается введением в тело манжеты каркасных колец из листовой стали.

Конструкции аримированных манжет

Манжеты делают с одним (рис. 617, X, рис. 618, I, II) уплотнительным гребешком, с двумя рис. 617, XI, ХII) и большим (рис. 617, XIII) числом гребешков. В конструкции на рис. 617, XIII браслетная пружина заменена кольцом из упругого синтетика. В конструкции на рис. 617, XIV необходимая упругость придается кольцевым валиком у гребешка, в конструкции на рис. 617, XV — кольцевым ребром вокруг гребешка (для придания устойчивости ребро заключено в штампованную обойму).

На рис. 617, XVI показана рациональная конструкция манжеты с двумя гребешками; один (стянутый пружиной) уплотняет вал, другой предупреждает проникновение в уплотнение грязи извне. На рис. 617, XVII изображена конструкция манжеты для радиальной сборки, на рис. 617, XVIII, XIX — конструкции сдвоенных манжет. Своеобразная конструкция двухгребешковой манжеты показана на рис. 617, XX, XXI. В свободном состоянии манжета имеет форму, изображенную на рис. 617, XX. При установке в корпус (рис. 617, XXI) уплотнительные гребешки расходятся, создавая натяг на поверхности вала; натяг поддерживается браслетной пружиной.

Манжеты изготовляют прессованием или пресс-литьем (с опрессовкой внутренних металлических элементов) из эластичных, износостойких, масло- и химически стойких пластиков и резины. Браслетные пружины изготовляют из пружинной проволоки диаметром 0,2—0,5 мм и подвергают закалке и среднему отпуску, защищают кадмированием, цинкованием или делают их из бронзы.

Способы соединения концов пружин показаны на рис. 619. В конструкции на рис. 619, I на одном из концов пружины навивка ступенчатая. При соединении ступенчатый конец (предварительно закрученный в сторону, обратную ходу витков) ввертывают в витки другого конца.

Способы соединения концов браслетных пружин

В конструкции на рис. 619, II хвостовику пружины придана коническая форма, облегчающая завертывание; в конструкции на рис. 619, III соединение концов производится с помощью отдельной витой вставки.

Способы установки манжетных уплотнений в корпусах показаны на рис. 620. При способе установки, показанном на рис. 620, I, соединение с корпусом достигается за счет упругого радиального сжатия манжеты при вводе в корпус; однако соединение получается ненадежное. В конструкции на рис. 620, II уплотнение, предварительно сжатое, вводят в выточку в корпусе; высота буртика у входа в канавку не должна превышать допустимого упругого сжатия манжеты.

Способы установки манжетных уплотнений

На рис. 620, III показан более правильный способ установки: манжету фиксируют в осевом направлении привертной шайбой. Во избежание проворота манжеты в корпусе и для обеспечения герметичности манжету сажают с небольшим осевым натягом (порядка 0,5 мм). На рис. 620, IV показана аналогичная установка с замыканием соединения в осевом направлении фигурной шайбой и зегером. На рис. 620, V—IX показаны способы установки манжет в промежуточных корпусах. При установке манжет с гибким воротником, подверженных действию повышенного давления, необходимо предупреждать возможность выворачивания воротника манжеты под давлением. В этих случаях рекомендуется установка опорного диска с профилем, соответствующим профилю манжеты (рис. 621).

Установка манжет при повышенном давлении

Поверхности, по которым работают манжеты, должны обладать твердостью не менее HRC 45 и иметь шероховатость не более Rа = 0,16—0,32 мкм.

На рис. 622, I—III показаны три случая установки манжет. Во втором и третьем случаях необходимо предупредить возможность просачивания масла по зазору между валом и втулкой (или ступицей насадной детали). Это достигается обработкой торцов (а) до шероховатости Rа = 0,63—1,25 мкм и соблюдением строгой перпендикулярности торцов относительно оси отверстия. Для обеспечения полной герметичности рекомендуется покрывать торцы герметизирующими мазями или устанавливать на торцах уплотнительные прокладки.

Случаи установки манжет

На валах, на которые надевают манжету при сборке, должны быть предусмотрены пологие фаски (рис. 623, II). Это избавляет от необходимости применять специальные монтажные приспособления, например, монтажную втулку (рис. 623, III).

Монтаж манжетных уплотнений

При работе манжеты по промежуточной втулке или по ступице насадной детали (см. рис. 622, II и III) пологие заходные фаски на втулках и ступицах обязательны, так как в данном случае применить способ монтажа, приведенный на рис. 623, III, невозможно.

На рис. 624 даны примеры установки манжетных уплотнений в узлах с шарикоподшипниками.

Примеры установки манжетных уплотнений в узлах с шарикоподшипниками

Уплотнение разрезными пружинными кольцами

Уплотнение разрезными пружинными кольцами (рис. 625) надежно, оно может держать большие перепады давления и при правильном подборе материалов долговечно. Пружинные кольца изготовляют из закаленной стали, перлитного чугуна, кованой бронзы и устанавливают в стальном корпусе, термообработанном до твердости HRC 40—45. Наружную втулку уплотнения выполняют из закаленной, цементованной или азотированной стали. Кольца сажают в канавки корпуса с осевым зазором 0,005—0,020 мм. Просвет (а) (рис. 625, I) между наружной поверхностью корпуса и отверстием втулки делают равным 0,5—1,0 мм.

Уплотнения с разрезными кольцами

Кольцо устанавливают с небольшим натягом по отношению к втулке. В процессе работы кольца стоят неподвижно во втулке или слегка проскальзывают. Под действием перепада давления кольца прижимаются торцами к стенкам канавок корпуса. Обычно устанавливают два–три кольца; при повышенном перепаде давления число колец доводят до пяти–шести.

В многокольцевых уплотнениях, работающих при высоких перепадах давления, наиболее нагружено первое, ближайшее к герметизируемой полости кольцо; со временем на торцовой поверхности этих колец образуется ступенчатая выработка, являющаяся результатом прижатия кольца к стенке канавки.

Для равномерного распределения нагрузки между всеми кольцами, а также для подвода масла к трущимся поверхностям (при уплотнении маслосодержащих полостей) в первом (а иногда в нескольких передних кольцах) выполняют разгрузочные отверстия (а) (рис. 626).

Разгрузочные отверстия в пружинных кольцах

Наружный диаметр колец в свободном состоянии d0 делают с таким расчетом, чтобы кольцо входило во втулку с небольшим натягом d0 = (1,02—1,03)d, где d — диаметр отверстия втулки.

Замки колец

Замки колец обычно изготовляют прямыми (рис. 627, I). У колец большого диаметра замки выполняют косыми (рис. 627, II) под углом 45°. Ширину прорези s в свободном состоянии выбирают из условия, чтобы после введения кольца во втулку в замке оставался просвет 0,3—0,5 мм. С учетом формулы для запишем

s = (0,3—0,5) + (0,02—0,03)d ≈ 0,5 + 0,08d.

В уплотнениях, работающих при повышенных температурах, зазор надо увеличить на термическое удлинение кольца.

Для беспрепятственного ввода колец в канавки необходимо соблюдать известное из теории разрезных пружинных колец правило: отношение b/d (рис. 628) должно быть не более 0,05.

Kontaknye uplotnenija 22

Для колец из закаленной качественной стали это отношение может увеличиться до 0,1. Если отношение b/d превышает 0,1, то применяют корпуса из наборных дисков (см. рис. 625, II). Для удобства монтажа диски после установки колец завальцовывают на втулке из мягкой стали (см. рис. 625, III). Отношение высоты колец h к ширине b обычно равно 0,5—0,7.

Иногда применяют парную установку колец в канавках (см. рис. 625, IV) или монтируют кольца в корпусе в ряд (см. рис. 625, V, VI).

Для облегчения ввода при монтаже колец во втулки последние снабжают пологими фасками. Во избежание применения специальных монтажных приспособлений рекомендуется диаметр фаски D делать не менее наружного диаметра d0 кольца в свободном состоянии (рис. 629).

Уплотнение резиновыми кольцами

Уплотнения с резиновыми кольцами, вводимыми в канавки вала или промежуточной втулки, имеют ограниченное применение.

В конструкции на рис. 630, I уплотнение обеспечивают натягом между наружной поверхностью колец и втулкой. В конструкции на рис. 630, II использован манжетный эффект. Кольца расположены в канавках со скосом. Под действием давления в уплотняемой полости кольца, находя на скос, прижимаются наружной поверхностью к втулке. Уплотнение одностороннего действия. При необходимости обеспечить двустороннее уплотнение кольца устанавливают в канавках с попеременным чередованием наклона днищ (рис 630, III) или применяют канавки с двусторонним скосом (рис. 630, IV).

Уплотнение резиновыми кольцами

На рис. 631 изображено уплотнение, в котором использован центробежный эффект: резиновое кольцо имеет несколько наклонных гребешков, которые под действием центробежной сипы прижимаются к гильзе, создавая давление, пропорциональное квадрату частоты вращения. Кольца выполняют из мягких сортов маслостойкой и термостойкой синтетической резины.

Уплотнение резиновым кольцом с использованием центробежного эффекта

Недостатки уплотнений резиновыми кольцами — ненадежность работы, быстрый износ резины в процессе эксплуатации, неопределенность сил прижатия.

Чаще применяют резиновые кольца в установках с возвратно-поступательным движением вала.