Основные различия между уплотнительными кольцами типа O-образное кольцо для неподвижных и подвижных соединений

То же самое О-кольцо конструкция не может быть напрямую применена как для неподвижных, так и для подвижных уплотнений — фундаментальная причина заключается в следующем: неподвижное уплотнение в первую очередь должно решать задачу «достаточное сжатие и надежное уплотнение»; подвижное уплотнение должно одновременно обеспечивать «надежное уплотнение, свободное перемещение, износостойкость, приемлемое сопротивление движению и стартовое сопротивление».

O-образное кольцо по своей сути полагается на величину предварительного сжатия и контактное напряжение, возникающее под действием давления рабочей среды, для обеспечения уплотнения.

В неподвижных уплотнениях сборка O-образного кольца практически не перемещается относительно металлических деталей; поэтому допустимы больший запас сжатия, более грубая шероховатость поверхности и более широкие допуски размеров. В подвижных уплотнениях O-образное кольцо многократно скользит или вращается относительно вала, отверстия или поршневого штока, поэтому при проектировании участка уплотнения дополнительно необходимо учитывать скорость движения, трение, наличие смазочной пленки, износ, выделение тепла, усилие преодоления начального сопротивления (breakout resistance), зазоры/выдавливание и шероховатость поверхности. ПАРКЕР радиальный уплотнительный дизайн материала также четко разделяет статические и динамические радиальные уплотнения: статическое уплотнение не имеет относительного движения, тогда как динамическое уплотнение или возвратно-поступательное уплотнение подвергается вращательному или возвратно-поступательному движению; статическое уплотнение, как правило, допускает большие зазоры и более грубые поверхности.

1. Уплотнения торцевого типа (статические): акцент на осевом сжатии и силе закрытия фланцев

Типичные сценарии: фланцы, заглушки, крышки клапанов, крышки насосов, смотровые крышки, торцевые поверхности корпусов.

Форма уплотнения: кольцо О-образного сечения располагается в пазу на торцевой поверхности и сжимается осевым усилием двух противолежащих плоскостей.

Основные конструкторские цели торцевого статического уплотнения:

Достаточное осевое сжатие

Кольцо О-образного сечения должно быть сжато определенным образом торцевыми поверхностями для создания начального контактного напряжения. После приложения давления рабочей среды кольцо О-образного сечения дополнительно смещается в сторону области низкого давления, усиливая тем самым уплотнение.

Подходящее соотношение заполнения паза

Паз не может полностью «заполнить» уплотнительное кольцо типа O-образного сечения. Резина подвержена тепловому расширению и набуханию при контакте со средой, поэтому в пазе необходимо предусмотреть пространство для деформации; в противном случае возможны чрезмерное сжатие, срезание, выдавливание или затрудненная сборка.

Контроль остаточной деформации

Основными причинами отказа статических уплотнений торцевого типа в долгосрочной эксплуатации являются старение резины, остаточная деформация или коррозия средой — а не износ за счет скольжения.

Жёсткость и плоскостность фланца

Если расположение болтов, жёсткость фланца или его плоскостность недостаточны, неравномерное локальное сжатие может вызвать локальные утечки.

При уплотнении неподвижных торцевых поверхностей кольцо О-образного сечения испытывает трение лишь кратковременно — в процессе сборки, а в рабочем режиме, как правило, не подвергается длительному относительному перемещению. Поэтому для обеспечения надёжности статического уплотнения при уплотнении неподвижных торцевых поверхностей обычно применяется относительно высокая степень сжатия кольца О-образного сечения. В технической документации Angst+Pfister по кольцам О-образного сечения также отмечается, что при статических условиях степень сжатия кольца О-образного сечения может быть выше, чем при динамических условиях, поскольку отсутствует необходимость учитывать непрерывное трение и износ сопрягаемых поверхностей; при этом даже при наличии шероховатости или незначительных повреждений контактной поверхности допустимо применение более мягкого материала.

Почему его нельзя напрямую использовать для динамического уплотнения

Принцип проектирования уплотнения неподвижных торцевых поверхностей заключается в обеспечении «плотного» прилегания. Если этот подход — высокая степень сжатия и высокое контактное давление — будет применяться многократно при создании вращающегося или возвратно-поступательного динамического уплотнения, то значительно возрастут сила трения, сопротивление пуску и тепловыделение за счёт трения, что приведёт к износу поверхности кольца О-образного сечения, появлению царапин и следов обгорания, адгезии или даже прилипанию к валу.

2. Радиальные статические уплотнения: акцент на избыточном радиальном размере, повреждении при сборке и радиальном выдавливании

Типичные сценарии: посадки пробки/отверстия, посадки штока клапана, трубные фитинги, неподвижные плунжеры, неподвижные втулки, наружные статические уплотнения.

Форма уплотнения: уплотнительное кольцо сжимается радиально между внутренней и внешней окружностями, а направление уплотнения — радиальное.

Различие между радиальными статическими уплотнениями и торцевыми статическими уплотнениями заключается в том, что торцевые статические уплотнения сжимаются осевом направлении (сверху-вниз), тогда как радиальные статические уплотнения сжимаются радиально между внутренним и наружным диаметрами. В технических материалах Parker по радиальным статическим уплотнениям указано, что сжатие радиального уплотнения действует в направлении внутреннего и наружного диаметров уплотнительного кольца, тогда как сжатие торцевого уплотнения действует в осевом направлении (сверху-вниз) на торцевую поверхность.

Основные цели проектирования радиального статического уплотнения:

Контроль радиального сжатия

Слишком малое сжатие приведёт к утечке; слишком большое затруднит сборку, вызовет чрезмерные напряжения или ускорит развитие остаточной деформации.

Контроль степени растяжения или степени сжатия

При установке уплотнительного кольца О-образного сечения на вал оно может растягиваться; при установке в отверстие — сжиматься. Чрезмерное растяжение приводит к уменьшению поперечного сечения, а фактическая величина сжатия снижается; чрезмерное сжатие может вызвать выпучивание или срез при сборке.

Избегайте повреждений при сборке, вызванных резанием

Хотя радиальное статическое уплотнение после сборки не перемещается, при монтаже оно часто проходит через фаски, резьбу, отверстия и острые кромки. Распространёнными причинами отказов на объектах технического обслуживания зачастую являются не недостаточное проектное сжатие, а повреждение уплотнительного кольца О-образного сечения в виде царапин, перекручивания или надкусывания при сборке.

Учитывайте зазор, вызывающий выдавливание под давлением

При высоком давлении уплотнительное кольцо О-образного сечения может быть выдавлено в зазор между сопрягаемыми поверхностями. При высоком давлении, большом зазоре, повышенной температуре или низкой твёрдости резины следует рассмотреть возможность применения опорного кольца.

Радиальное статическое уплотнение по-прежнему относится к категории статических уплотнений. Оно может допускать больший зазор и более грубую поверхность по сравнению с динамическим уплотнением, поскольку непрерывного скольжения и связанного с ним трения нет — однако это не означает, что для конструкции радиального статического уплотнения вовсе отсутствуют требования к верификации; статический расчёт гарантирует лишь «уплотнение в неподвижном состоянии» и не проверяет, приемлемы ли трение, износ, смазка и сопротивление выходу из застоя при многократных динамических перемещениях.

Почему его нельзя напрямую использовать в качестве возвратно-поступательного динамического уплотнения

Профиль рисков статического пробкового/цилиндрического уплотнения и возвратно-поступательного уплотнение поршня полностью отличается. Статическая пробка/отверстие должна лишь предотвращать утечку; уплотнение поршня должно выдерживать каждый цикл возвратно-поступательного движения. Степень сжатия кольцевой канавки для статического радиального уплотнения, как правило, выше, что напрямую приводит к возникновению крутящего момента трения и нагреву вращающегося вала; в случае возвратно-поступательного уплотнения поршня это может означать: кратковременно утечки нет, но при работе происходит нагрев, уплотнительное кольцо O-образного сечения обгорает, а его поверхность «закусывает» — в конечном итоге образуется более серьёзная утечка.

3. Уплотнения поршней для возвратно-поступательного движения: основное внимание уделяется скорости, трению, смазочной плёнке, износу и сопротивлению пуску

Типичные сценарии: поршни гидравлических цилиндров, поршни пневматических цилиндров, возвратно-поступательное движение штока клапана, плунжеры, уплотнения штока поршня.

Форма уплотнения: кольцо O-образного сечения работает в качестве уплотнения поршня или уплотнения штока, совершая прямолинейное возвратно-поступательное скольжение по стенке отверстия или по поверхности штока.

Уплотнение поршня для возвратно-поступательного движения относится к типичным динамическим уплотнениям. Его нельзя оценивать исключительно по критерию «способно ли оно удерживать давление» — необходимо также учитывать следующие аспекты:

1. Скорость определяет тепловыделение от трения и состояние смазки

Чем выше скорость возвратно-поступательного движения, тем больше мощность трения за единицу времени и тем заметнее повышение температуры уплотнительного кольца O-образного сечения. Излишне высокая скорость может вызвать термическое старение, затвердевание, растрескивание или обгорание резиновой поверхности. Слишком низкая скорость, напротив, может затруднить образование стабильной смазочной пленки, что приведет к сухому трению и ползучести.

В справочнике Parker по уплотнительным кольцам O-образного сечения указано, что трение в динамических уплотнениях зависит от множества факторов, включая геометрию уплотнения, предварительное усилие, твердость материала, коэффициент трения в сухом/смазанном состоянии, формирование смазочной пленки, вязкость рабочей среды, рабочее давление, скорость скольжения, а также материал и шероховатость сопрягаемой поверхности.

2. Величина сжатия должна быть меньше, чем при статическом уплотнении

Степень сжатия динамического уплотнения не может быть просто установлена такой же, как у статического уплотнения. Чем больше степень сжатия, тем выше контактное давление, тем больше трение, а также выше сопротивление пуску и скорость износа. Материалы компании Angst+Pfister также четко указывают, что при динамическом применении деформация поперечного сечения кольца О-образного сечения должна быть ниже, чем при статическом применении, чтобы снизить трение, износ и повышение температуры; поверхность контакта динамического уплотнения также должна быть более гладкой для контроля абразивного износа.

Это именно то, с чем часто сталкиваются сервисные центры: «заменили уплотнительное кольцо (O-образное кольцо) того же размера — сначала течи нет, но затем скорость работы снижается, деталь нагревается, усилие выталкивания становится недостаточным, и через несколько дней снова появляется течь». Причина обычно заключается не в том, что размер кольца отличается на один класс, а в том, что при проектировании динамического уплотнения была применена логика статического уплотнения: чрезмерное сжатие, слишком высокий коэффициент трения материала и недостаточная смазка или неподходящая канавка для динамической эксплуатации.

3. Смазочная плёнка — обязательна

Уплотнение поршневого возвратно-поступательного движения должно поддерживать очень тонкую смазочную пленку на уплотняющей поверхности. Если смазочная пленка слишком тонкая, уплотнительное кольцо типа O-образного сечения напрямую контактирует с металлической поверхностью, и износ резко возрастает; если смазочная пленка слишком толстая, это может проявляться в виде внешней просачиваемости или внутренней утечки. В материалах Parker также отмечается, что смазочная пленка соскребается, а работа становится более хрупкой; недостаточная толщина смазочной пленки может привести к нежелательным утечкам, поэтому динамическое уплотнение должно обеспечивать баланс между трением и утечками.

Гидравлические возвратно-поступательные уплотнения, в особенности, не должны стремиться к «абсолютной чистоте без масла». В материалах Dichtomatik по уплотнительным кольцам типа O-образного сечения указано, что динамические гидравлические уплотнения с незначительной микротечью, напротив, способствуют формированию смазочной пленки, снижению трения и износа.

4. Сопротивление пуску влияет на движение оборудования

Динамическое уплотнение должно различать трение при пуске и динамическое трение в процессе работы. В справочнике Parker отмечается, что для динамических применений необходимо преодолевать статическое трение при начале движения и динамическое трение в процессе движения; в справочнике подчёркивается особая важность статического трения при пуске в возвратно-поступательных и цилиндровых применениях; также в справочнике указано, что статическое трение «срывания» эластомерного уплотнения обычно значительно выше динамического трения.

Это имеет крайне важное значение для персонала, отвечающего за техническое обслуживание оборудования. Избыточное сопротивление срыву может привести к следующим последствиям: небольшой цилиндр не будет перемещаться или будет возвращаться медленно; пневмоцилиндр будет работать некорректно при низком давлении; гидроцилиндр будет «ползти» или «дрожать»; сервосистема или пропорциональная система будут обеспечивать нестабильное позиционирование; возрастёт нагрузка на двигатель, насос и источник сжатого воздуха; возникнут трудности при первом движении после длительного простоя.

5. Возвратно-поступательные уплотнения более склонны к износу, перекручиванию и выдавливанию

При возвратно-поступательном движении поршня у уплотнительного кольца типа O-образное кольцо могут наблюдаться следующие дефекты: сплющивание рабочей поверхности скольжения; вытягивание или отслаивание поверхности; спиральная деформация; подрезание кромки под действием высокого давления; выдавливание и обрезание кромки; повреждение от перегрева маслом; абразивный износ частицами загрязнений.

В динамических условиях зазор, пиковые значения давления и скорость взаимно усиливают друг друга, и O-образное кольцо с большей вероятностью попадает в зазор. В технических материалах Angst+Pfister по применению в динамических условиях указано, что из-за наличия зазора и воздействия высокого давления необходимо периодически проверять совместимость с рабочей жидкостью, совместимость со смазочным материалом, а также влияние тепла трения и загрязнений.

Почему его нельзя напрямую моделировать по аналогии с конструкцией статического уплотнения

Уплотнение поршня при возвратно-поступательном движении — это не «чем сильнее сжать O-образное кольцо, тем надёжнее оно будет». Избыточное сжатие, напротив, может привести к более быстрому выходу из строя. Правильный расчёт должен обеспечивать баланс между силой уплотнения, силой трения, сопротивлением пуску, толщиной смазочной плёнки и ресурсом службы.

4. Уплотнения вращающихся валов: наиболее высокий риск прямого применения O-образного кольца в качестве уплотнения для вращательного движения

Типичные сценарии: валы, вращающиеся с низкой скоростью, поворотные клапаны, поворотные соединения, валы для регулировки при низкой скорости, короткодействующие поворотные механизмы.

Форма уплотнения: между уплотнительным кольцом типа «O-образное кольцо» и вращающимся валом или поворотным отверстием постоянно существует трение в окружном направлении.

По сравнению с поршневым уплотнением прямолинейного возвратно-поступательного движения риск при уплотнении вращающегося вала ещё выше, поскольку вращательное движение не имеет чётко выраженной «конечной точки хода» — контактная зона подвергается непрерывному трению в течение длительного времени, а тепло концентрируется на одной и той же уплотнительной зоне; при недостаточной смазке или высокой скорости вращения уплотнительное кольцо типа «O-образное кольцо» очень склонно к обгоранию, затвердеванию, износу, залипанию или возникновению необратимой деформации.

Особые требования к проектированию уплотнительных колец типа «O-образное кольцо» для вращательных применений:

Окружная скорость

Чем больше диаметр вала и чем выше скорость вращения, тем выше линейная скорость поверхности вала и тем больше выделяется тепла вследствие трения. Недостаточно учитывать только частоту вращения (об/мин) — необходимо рассчитывать линейную скорость поверхности вала.

Низкая степень сжатия

Вращающееся уплотнение, как правило, требует меньшего сжатия по сравнению со статическим уплотнением. В таблице Parker для канавок под вращающиеся уплотнительные кольца O-образного сечения указано, что для различных поперечных сечений рекомендуемый уровень сжатия при вращательном режиме работы существенно различается; например, в некоторых технических таблицах приведены диапазоны от 0 до 11 % или даже ниже.

Положение подачи смазки

Для вращающегося уплотнения следует обеспечить наличие смазочного материала вблизи зоны контакта уплотнения, чтобы избежать сухого трения; в таблице Parker для канавок под вращающиеся уплотнительные кольца O-образного сечения также специально отмечено, что уплотнение должно располагаться как можно ближе к смазочной среде.

Биение вала, эксцентричность и качество поверхности

Круглость и биение вала, его эксцентричность, шероховатость, твёрдость и следы обработки влияют на стабильность масляной плёнки; чрезмерное полирование или неправильные следы механической обработки также могут нарушить смазочную плёнку.

Центробежная сила и положение канавки

В технических рекомендациях Parker по материалам для вращающихся уплотнительных колец O-образного сечения указано, что из-за воздействия центробежных сил канавка не должна располагаться непосредственно на валу.

Выбор материала и конструкции

При высокоскоростном или непрерывном вращении обычные резиновые уплотнительные кольца часто не являются оптимальным первичным уплотнением. Рассмотрите специализированные торцевые уплотнения для вращающихся валов, уплотнения с губками из ПТФЭ, механические уплотнения, комбинированные уплотнения или использование уплотнительного кольца только в качестве эластичного элемента для прижатия.

Почему его нельзя моделировать по аналогии с радиальным статическим уплотнением

Паз статического радиального уплотнения допускает большее радиальное сжатие, которое при вращении вала напрямую преобразуется в момент трения и выделение тепла. Последствия могут быть следующими: в краткосрочной перспективе утечек нет, однако температура резко повышается, уплотнительное кольцо обугливается, а поверхность вала царапается, что в конечном итоге приводит к более серьёзным утечкам.

Инженерное сравнение четырёх типов уплотнений

Почему ту же конструкцию нельзя использовать напрямую

1. «Высокое сжатие» статического уплотнения становится «источником высокого трения» динамического уплотнения

Для статических уплотнений повышение степени сжатия обычно повышает надёжность начального уплотнения. Однако для динамических уплотнений повышение степени сжатия напрямую увеличивает контактное давление, что дополнительно усиливает трение, выделение тепла, сопротивление пуску и износ. В технической документации Angst+Pfister прямо указано, что для динамических применений следует снижать деформацию поперечного сечения, чтобы уменьшить трение, износ и повышение температуры.

2. То, что поверхность статического уплотнения является удовлетворительной, ещё не означает, что поверхность динамического уплотнения также будет удовлетворительной

Поверхность статического уплотнения требует лишь длительного контакта — скольжение на протяжении длительного времени не требуется. Шероховатость, следы обработки и чистота поверхности влияют на срок службы. Шероховатость, допустимая для статического уплотнения, может привести к быстрому износу уплотнительного кольца в динамическом уплотнении.

3. Динамические уплотнения требуют смазочной плёнки, статические уплотнения, как правило, в ней не нуждаются

Статические уплотнения обеспечивают плотный, тесный контакт. Динамическое уплотнение должно поддерживать соответствующую смазочную плёнку: при её отсутствии происходит перегрев и повреждение; слишком толстая смазочная плёнка может вызвать утечку. Целевой показатель «абсолютно без утечек», характерный для статических уплотнений, при применении к возвратно-поступательным или вращающимся уплотнениям может привести к сухому контакту уплотняемых поверхностей, повышению трения и сокращению срока службы.

4. Динамические уплотнения имеют сопротивление пуску, статические уплотнения не характеризуются этим параметром

Статическое уплотнение не подвержено движению — нет необходимости учитывать силу трения покоя. Динамическое уплотнение должно учитывать силу трения при срыве движения, т.е. сопротивление, преодолеваемое при первом движении после остановки. Избыточное сопротивление при пуске может привести к тому, что небольшой цилиндр не будет двигаться, гидравлический цилиндр будет «ползти», шток клапана заклинит или отклик сервопривода будет задерживаться. В справочнике Parker отмечается, что сила трения покоя эластомеров обычно значительно выше динамической силы трения и зависит от времени простоя, материала, геометрии и состояния поверхности.

5. Динамические уплотнения имеют ресурс наработки на износ, статические уплотнения в основном стареют

Срок службы статического уплотнения в основном определяется остаточной деформацией от сжатия, температурой, воздействием среды, озоном, старением и состоянием при сборке. Срок службы динамического уплотнения должен учитывать дополнительно расстояние скольжения, скорость, давление, смазку, загрязняющие частицы и тепло трения. Иными словами, срок службы динамического уплотнения оценивается не по критерию «утекает ли оно после установки», а по критерию «какое количество рабочих ходов, какое количество часов простоя в неподвижном состоянии — и при этом утечка отсутствует или трение остается низким».

6. При проектировании вращающегося уплотнения также необходимо учитывать линейную скорость и центробежную силу

Уплотнение вращающегося вала нельзя просто спроектировать путем обработки радиальной статической канавки для уплотнительного кольца. При вращении уплотнительное кольцо подвергается непрерывному окружному трению; линейная скорость, биение вала, центробежная сила и подача смазки — все эти факторы влияют на срок службы. В технических материалах Parker по уплотнительным кольцам для вращательных применений указано, что скорость, давление, величина сжатия и положение канавки предъявляют уникальные требования, что само по себе свидетельствует о невозможности прямого использования общей статической радиальной канавки для вращательного уплотнения.

Метод определения необходимости технического обслуживания и выбора уплотнения

При диагностике неисправностей на месте не следует сразу задавать вопрос: «Каков диаметр этого уплотнительного кольца?» — сначала необходимо выяснить следующее:

Во-первых, возникает ли относительное движение после сборки?

Если движение отсутствует, то речь может идти только о статическом уплотнении; если же имеется возвратно-поступательное, вращательное или колебательное движение, необходимо применять динамическое уплотнение.

Во-вторых, какой тип движения имеет место?

Возвратно-поступательные уплотнения и вращающиеся уплотнения нельзя объединять в одну группу. Для возвратно-поступательного уплотнения важны ход, частота, скорость, сопротивление пуску и смазочная плёнка; для вращающегося уплотнения — линейная скорость, биение вала, тепло от трения, крутящий момент и подача смазки.

В-третьих, достаточное ли количество смазки?

Образует ли гидравлическое масло, смазочное масло, масляный туман или сама рабочая среда стабильную смазочную плёнку? Воздух, сухая среда, моющие средства и запылённые условия особенно склонны к недостатку масляной плёнки.

В-четвёртых, выполнена ли канавка в соответствии со стандартом для динамических уплотнений?

Проверьте величину сжатия, ширину канавки, степень заполнения канавки, фаску, шероховатость поверхности, зазор, применение упорного кольца и путь сборки. Не заменяйте уплотнение только по внутреннему диаметру и поперечному сечению.

В-пятых, подходит ли материал для условий динамического износа?

Статические уплотнения в первую очередь требуют совместимости с рабочей средой и низкого остаточного сжатия; динамические уплотнения также должны обеспечивать износостойкость, низкий коэффициент трения, эластичность при низких температурах, термостойкость и совместимость с смазочными материалами.

Шестое: к чему указывает след неисправности?

Если поверхность уплотнительного кольца типа O-образного сечения изношена равномерно, имеет глянцевый блеск, отслаивается в виде порошка, затвердела, обгорела, скручена по спирали или имеет локальные следы прикусывания — как правило, проблема не решается простой заменой на другое кольцо того же размера: сама конструкция уплотнения ошибочна.

Выводы по выбору для заказчиков

Уплотнительное кольцо типа O-образного сечения для статического уплотнения и аналогичное кольцо для динамического уплотнения могут выглядеть совершенно одинаково, однако логика их проектирования различна.

Фланцевые статические уплотнения могут фокусироваться на величине сжатия, жёсткости фланца и объёме паза, а также совместимости с рабочей средой и температурой.

Радиальные статические уплотнения могут фокусироваться на избыточном радиальном размере, фаске при сборке, зазоре для экструзии и опорном кольце.

Поршневые возвратно-поступательные уплотнения необходимо дополнительно проверить скорость, коэффициент трения, смазку, износ, сопротивление пуску и пиковое давление.

Уплотнения вращающегося вала необходимо дополнительно проверить линейную скорость, крутящий момент, тепло, выделяемое трением, подачу смазки, биение вала и положение канавки; в целом не рекомендуется использовать обычное уплотнительное кольцо типа O-образного для основного уплотнения при непрерывном высокоскоростном вращении.

Самая распространённая ошибка в инженерной практике: видя одинаковые размеры, предполагать взаимозаменяемость; видя отсутствие статической утечки, считать конструкцию соответствующей требованиям.

Правильный подход должен быть следующим: для статического уплотнения следует оценивать «способность сохранять герметичность в течение длительного времени после сжатия»; для динамического уплотнения — «способность сохранять герметичность и обеспечивать плавную работу в течение длительного времени при заданных скорости, давлении, условиях смазки и износа».