Технологии уплотнения и выбор материалов в гидравлических системах

Уплотнение — ключевой фактор надёжной работы гидравлической системы. Любая утечка масла из цилиндра или поршня, а также проникновение загрязнений внутрь системы сокращают срок службы всей системы и снижают её эффективность.

Чтобы предотвратить утечку масла и попадание грязи внутрь, в отрасли разработано множество различных уплотнений, технологий и методов. Каждый из них обладает своими преимуществами. В некоторых сложных условиях одного уплотнения может быть недостаточно, поэтому инженеры применяют полноценную систему уплотнения.

Выбор и применение систем уплотнения

Система уплотнения обычно состоит из нескольких специальных уплотнений, которые работают совместно для обеспечения высоких общих эксплуатационных характеристик. Система уплотнения высоконапорного цилиндра обычно включает четыре компонента: очиститель (скребок), уплотнение штока (основное уплотнение), буферное уплотнение (вторичное уплотнение) и направляющее кольцо. Система уплотнения поршня, как правило, состоит лишь из основного уплотнения и направляющего кольца.

Четыре материала, наиболее часто используемых сегодня в гидравлических уплотнениях, — это полиуретан (PU), нитрил-каучук (NBR), фторкаучук (FKM) и политетрафторэтилен (PTFE).

Как выбрать подходящий материал

Выбор материала зависит от условий эксплуатации. Различные химические вещества по-разному взаимодействуют

с каждым из материалов, и некоторые из них способны выдерживать более высокое давление или температуру. Материал также должен обладать устойчивостью к выдавливанию из формы. Таким образом, правильный выбор всегда определяется конкретной задачей.

Ниже приведены наиболее распространённые материалы для уплотнений и их основные преимущества.

1. Полиуретан (PU)

Полиуретан — это прочный пластиковый материал, в химической структуре которого содержится множество уретановых групп. Это один из видов термопластичных эластомеров. Он частично проявляет свойства твёрдого пластика и частично — резины, заполняя промежуток между этими двумя классами материалов.

Его свойства определяются тремя основными компонентами: полиолом, диизоцианатом и удлинителем цепи. Тип и количество каждого компонента, а также особенности их взаимодействия определяют конечные эксплуатационные характеристики. Полиуретан обычно обладает следующими свойствами:

· Высокой механической прочностью

· Высокой прочностью на разрыв

· Очень хорошей износостойкостью

· Отличной гибкостью

· Жёсткостью, регулируемой в широком диапазоне

· Широким диапазоном твёрдости при сохранении эластичности

· Хорошей стойкостью к озону и старению

· Отличной стойкостью к износу и разрыву

·Хорошая стойкость к маслу и бензину

Температурный диапазон: от −30 до +80 °C. Специальные высокопроизводительные типы способны длительное время выдерживать температуру до 110 °C в минеральном масле.

2. Нитрильный каучук (NBR)

NBR получают из бутадиена и акрилонитрила. Количество акрилонитрила (ACN) сильно влияет на его свойства:

·Эластичность

·Прочность при низких температурах

·Газопроницаемость

·Остаточная деформация сжатия

·Стойкость к набуханию в минеральном масле, смазке и топливе

NBR с низким содержанием ACN обладает высокой гибкостью при низких температурах (до примерно −45 °C), но лишь средней стойкостью к маслу и топливу. NBR с высоким содержанием ACN обеспечивает наилучшую стойкость к маслу и топливу, однако может быть менее эластичным

сохраняйте гибкость при температуре до −3 °C. По мере роста содержания акрилонитрила (ACN) эластичность снижается, а остаточная деформация сжатия ухудшается.

NBR хорошо зарекомендовал себя при:

· Сопротивлении набуханию в алифатических углеводородах, смазках, огнестойких гидравлических маслах классов HFA/HFB/HFC, растительных и животных маслах, лёгком топливе и дизельном топливе

· Эксплуатации в горячей воде при температуре до 100 °C (например, в системах водоснабжения и отопления), слабых кислотах и щелочах

· Умеренной стойкости к высокоароматическим видам топлива

Сильно набухает в ароматических углеводородах, хлорированных углеводородах, огнестойких маслах класса HFD, эфирах, полярных растворителях и тормозной жидкости на основе гликоля.

Рабочий температурный диапазон: от −40 до 100 °C (кратковременно — до 130 °C). Специальные композиции позволяют использовать материал при температурах до −55 °C. При превышении верхнего предела материал становится жёстким.

3. Фторкаучук (FKM)

FKM получают путём сополимеризации винилиденфторида (VF) с различными количествами

гексафторпропилена (HFP), тетрафторэтилена (TFE) и других компонентов. Состав смеси и содержание фтора (65–71 %) определяют стойкость материала к химическим веществам и низким температурам. Вулканизация может осуществляться диаминами, бисфенолами или органическими пероксидами.

FKM известен своей:

· Отличной стойкостью к высоким температурам

· Выдающейся стойкостью к маслам, бензину, гидравлическим маслам и углеводородным растворителям

· Хорошей огнестойкостью

· Очень низкой газопроницаемостью

· Сильным набуханием в полярных растворителях, кетонах, огнестойких гидравлических маслах типа Skydrol и тормозной жидкости

Температурный диапазон: примерно от −20 до 200 °C (кратковременно — до 230 °C). Специальные марки могут эксплуатироваться в диапазоне от −50 до 200 °C.

4. Политетрафторэтилен (PTFE)

PTFE получают из тетрафторэтилена. Этот неэластичный материал обладает следующими особенностями:

· Его поверхность очень гладкая и стабильная

·Безопасен при температурах до 200 °C ·Чрезвычайно низкий коэффициент трения практически о любую другую поверхность — статическое и динамическое трение почти одинаковы

·Отличная электрическая изоляция (почти не зависит от частоты, температуры или погодных условий)

·Лучшая химическая стойкость по сравнению с любым другим пластиком или резиной

·Разрушается только под действием жидких щелочных металлов и некоторых соединений фтора при высоких температурах

Температурный диапазон: от −200 °C до +260 °C. Даже при очень низких температурах сохраняет определённую гибкость, поэтому применяется во многих устройствах для экстремально низких температур.

поскольку ПТФЭ обладает низкой эластичностью и со временем может испытывать ползучесть, большинство гидравлических уплотнений комбинируют его с пружиной или резиновой деталью, чтобы обеспечить плотное прилегание кромки уплотнения.

Распространённые конструкции уплотнений в гидравлических цилиндрах

Ниже приведены наиболее распространённые типы уплотнений, применяемые в гидравлических цилиндрах.

1. Уплотнения поршня

·Уплотнение между поршнем и гильзой цилиндра — крайне важный элемент для правильной работы цилиндра

·Наиболее распространённой конструкцией является уплотнительное кольцо с уплотняющей кромкой, однако также применяются уплотнительные кольца типа O-образного или Т-образного сечения

·Должно обеспечивать герметичность при одновременном поддержании низкого уровня трения

·Изготавливается из различных материалов в зависимости от выполняемой задачи

·Требует давления в системе для прижатия уплотняющей кромки

2. Скраперы (пылезащитные уплотнения)

·Обеспечивают интенсивное очищение от грязи, воды, пыли и других загрязнений

·Снимают масляную плёнку и возвращают её в систему при втягивании штока

·Защищают основные уплотнения и продлевают их срок службы

·Обычно изготавливаются из износостойкого полиуретана

·Часто используются также в качестве смазочных уплотнений на шарнирных пальцах

3. Уплотнения штока

· Предотвращают утечку масла из системы

· Должны эффективно работать как при низком, так и при высоком давлении

· Должны обладать превосходной стойкостью к выдавливанию и износу

· Должны возвращать масляную плёнку обратно в систему

· Обычно рассчитаны на давление до 31,5 МПа

4. Буферные уплотнения

· Способны выдерживать резкие удары высокого давления

· Защищают уплотнение штока от скачков давления

· Способны сбрасывать захваченное давление между уплотнениями, что увеличивает срок службы уплотнения штока и позволяет использовать более широкий зазор без риска выдавливания. Также обладают высокой стойкостью к износу.

5. Направляющие кольца (износостойкие кольца)

· Предотвращают соприкосновение металлических деталей внутри цилиндра

· Обеспечивают центрирование штока поршня и самого поршня

· Способствуют увеличению срока службы уплотнений

6. Уплотнительные кольца круглого сечения (кольца O-образного сечения)

· Наиболее распространены в неподвижных (статических) уплотнениях

· Обеспечивают герметичность за счёт радиального или осевого сжатия

· Работают в обоих направлениях

· Могут использоваться как источник усилия или как основное уплотнение

· Самоуплотняющиеся — не требуют дополнительного давления или скорости

Уплотнительные технологии являются основой надежности, долговечности и эффективности гидравлических систем. От выбора подходящего одного материала до проектирования полноценной многоэлементной системы — каждое решение должно точно соответствовать заданным давлению, температуре и условиям эксплуатации.