Конструкции манжетных уплотнений

Конструкции резиновых манжетных уплотнений вращающихся валов.

Надежность машин, механизмов и агрегатов таких отраслей современной техники, как авиация, космонавтика, судостроение, автомобилестроение, станкостроение, химическое и нефтяное машиностроение и других значительно зависит от безотказной работы уплотнений вращающихся валов. Любые отклонения от нормальной работы машины из-за отказа уплотнений приводят к большим потерям, снижению качества продукции, росту материальных затрат, угрозе здоровью обслуживающего персонала и чистоте окружающей среды. Надежность машин, механизмов и агрегатов таких отраслей современной техники, как авиация, космонавтика, судостроение, автомобилестроение, станкостроение, химическое и нефтяное машиностроение и других значительно зависит от безотказной работы уплотнений вращающихся валов. Любые отклонения от нормальной работы машины из-за отказа уплотнений приводят к большим потерям, снижению качества продукции, росту материальных затрат, угрозе здоровью обслуживающего персонала и чистоте окружающей среды.

В качестве уплотнительных устройств контактного типа для вращающихся валов широко применяют манжетные уплотнения (манжеты), изготавливаемые из резины и резиноподобных материалов.

От уплотнений других типов, манжеты отличаются высокой герметичностью, простотой конструкции, малыми габаритами и массой, относительно невысокой стоимостью, легкостью монтажа т.д.

Принцип действия радиальных манжет заключается в следующем:
резиновый фигурный уплотняющий элемент (кольцо), охватывающий вращающийся вал, прижимается к поверхности вала с некоторым усилием, действующим в радиальном направлении. Для стабилизации величины этого усилия во времени на уплотняющий элемент, как правило, надевается металлическая браслетная пружина. С целью обеспечения герметичности и облегчения условий монтажа манжеты в посадочном месте она обычно армируются металлическим каркасом. При большом разнообразии конструктивного исполнения отличительной особенностью манжет является наличие у них хотя бы одной уплотнительной губы с контактной кромкой. Первоначальный контакт манжета с уплотняемыми поверхностями, обеспечивающий герметизацию при нулевом и малом давлении среды, осуществляется в результате пружинящего действия манжеты, деформированной (сжатой) при монтаже. Контактная плотность этого соединения повышается с увеличением давления среды, которая прижимает уплотнительную губу манжеты к уплотняемым поверхностям. На герметизирующую способность манжет существенно влияет радиальное усилие прижатия уплотнительной кромки манжеты к валу.

Незначительное радиальное усилие приводит к образованию более толстой смазывающей пленки и появлению утечек. Повышенные значения радиального усилия ухудшают условия смазки трущихся поверхностей, ужесточают температурный режим в зоне трения, ускоряют старение в износ эластомерных материалов уплотнения. С увеличением радиального усилия герметичность подвижного соединения повышается, достигая максимума, а затем вновь падает.

В общем случае радиальное усилие определяется тремя составляющими:
усилием от деформации уплотняющего элемента манжеты (натягом манжеты);
усилием от действия браслетной пружины и усилием от действия давления уплотняемой среды.

В процессе эксплуатации радиальное усилие уменьшается в результате релаксации, старения и износа материала уплотнения. Неточность изготовления и сборки уплотнительного узла приводит к неравномерному распределению радиального усилия в зоне контакта манжеты с валом и обычно характеризуется статическим и динамическим эксцентриситетом узла.

Статический эксцентриситет возникает от несовпадения оси внутреннего диаметра манжеты с осью зала и представляет собой геометрическую сумму эксцентриситета посадочного места под манжету относительно оси вала и эксцентриситета оси внутреннего диаметра относительно оси наружного диаметра манжеты. Причиной возникновения статического эксцентриситета является неточность изготовления уплотнительного узла и манжеты. Статический эксцентриситет приводит к неравномерному распределению радиального усилия по окружности, местному износу и утечкам.

При больших значениях статического эксцентриситета необходимо увеличивать радиальное усилие и уменьшать сопротивление изгибу средней части манжеты. На работу манжеты также влияет динамический эксцентриситет, равный половине биения вала. Способность манжеты удовлетворительно работать при наличии динамического эксцентриситета зависит от упругости и эластичности уплотняющего элемента. Динамический эксцентриситет приводит к неравномерному распределению напряжений усталостному разрушению материала и сокращению срока службы уплотнения.

При наличии дефектов на рабочей поверхности вала (забоин, вмятин, царапин, повреждений покрытий и др.) быстро разрушается уплотняющий элемент манжеты. Соприкасающиеся поверхности вала и манжеты должны образовывать антифрикционную пару, обладать коррозионной стойкостью к уплотняемой среде и стойкостью к износу.

Твердость вала выбирают с учетом скорости скольжения вала и запыленности окружающей среды. При наличии в уплотняемой среде абразивных частиц рекомендуют использовать валы с закаленной или цементированной поверхностью, а также применять защитные втулки вала. Манжеты изготавливают из различных эластомерных синтетических материалов, свойства которых ограничивают возможности работы манжетных уплотнений.

Так, в резиновых манжетах наблюдается ускоренное старение при высокой температуре и потеря высоко эластичности при низких а также механическое стеклование при большой частоте вращения. Отсюда следуют требования к ограничению температуры нагрева кромки и ее тщательному анализу, ограничения радиального биения валов и высокому качеству их обработки. Необходимо также анализировать возможности потери герметичности при низкой температуре и большой частоте вращения. Валы обычно изготавливают S3 термообработанной стали с твердостью HSG 30 при скорости скольжения в подвижном соединении менее 4 м/с и HSC 50 выше при скорости скольжения более 4 м/с. Применение для изготовления валов относительно мягких материалов (бронзы, латуни, титановых и алюминиевых сплавов и др.), допускается в специальных условиях эксплуатации. Квалитет допуска вала H10, корпуса Н9. В конструкции сопряженных деталей должны быть предусмотрены заходные фаски для устранения повреждений манжеты при сборке. Обычно уплотняющая кромка манжеты повреждается, если она при сборке проходит через шлицы, шпоночные пазы, резьбу и т.д., которые могут иметь заусенцы и острые кромки.

Поэтому сборку необходимо выполнять с помощью оправок. Перед установкой, в уплотняемом соединение, манжета должна быть очищена от загрязнения и смазана.

Манжету устанавливают так, чтобы скос ее уплотнительной губы был направлен в сторону герметизируемой среды.
При таком положении манжеты к ее рабочей кромке обеспечен доступ уплотняемой среды, уменьшающий износ манжеты.

Если уплотнение предназначено для защиты от проникновения пыли и грязи в герметизируемую полость (грязезащитные манжеты), то скос губы манжеты должен быть направлен в сторону окружающей среды. Основное требование, предъявляемое к манжетам - обеспечение необходимой герметичности в течение заданного срока эксплуатации. Нарушение герметичности при эксплуатации зависит от многих факторов: радиального усилия и геометрии эластичного элемента манжеты, скорости скольжения, температуры и давления среды, свойств уплотняемой среды и применяемого эластомера, обработки поверхности вала, статического и динамического эксцентриситета, монтажных дефектов и др.

От контактных уплотнений других типов из эластичных материалов манжеты отличаются наименьшими утечками, так как они обладают наилучшей "следящей" способностью, т.е. способностью "отслеживать" колебательные движения вращающихся валов, а также компенсировать неточности изготовления и сборки сопрягаемых деталей (несоооность, некруглоотъ и другие).

При применении манжет не требуется такая высокая чистота обработки контртела, как, например, при использовании механических торцовых уплотнений. На выбор манжет влияют следующие факторы: скорость вращения вала, герметизируемая среда, качество поверхности вала и системы смазки.

Высота микронеровностей на поверхности стальных деталей, сопряженных с уплотнением, должна быть 0,5-2 мкм. Такие микронеровности образуют своего рода "масляные" карманы из "уплотняемой среды, улучшающие условия смазки уплотнения.

По конструкции манжетные уплотнения вращающихся валов могут быть разделены на три типа:
неармированная манжета, закрепленная между деталями корпуса;
манжета, детали которой заключены в специальный металлический каркас;
манжета с привулканизованным армирующим кольцом.

По способу создания прижимающей силы (усилия) манжетные уплотнения подразделяются на три группы:
манжета, в которой радиальное усилие создается в результате деформации уплотняющего элемента ;
манжета с кольцевой браслетной пружиной;
манжета с пластинчатой (лепестковой, пальчиковой) пружиной.

Деление манжет является условным, так как на практике имеются манжеты, содержащие признаки разных типов и групп.

В последние годы, как у нас, так и за рубежом проводятся работы по совершенствованию конструкции, технологии изготовления и материалов манжет. Разработаны, запатентованы и выпускаются манжетные уплотнения вращающихся валов новых конструкций с улучшенными характеристиками .