О-кольца «могут» обеспечивать уплотнение при вращении, однако обычно не должны быть первым выбором для непрерывного уплотнения вращающихся валов

Прежде всего уточним один важный момент: если О-кольцо установлено в торцевой крышке, фланце, корпусе, пробке и аналогичных местах, и между уплотняемыми поверхностями отсутствует относительное движение, то это по-прежнему статическое уплотнение; в такой ситуации применение уплотнительных колец O-образного сечения вполне корректно. Что действительно требует осторожности — это

Внутренний диаметр уплотнительного кольца O-образного сечения, плотно облегающий вращающийся вал, или внешний диаметр, совершающий относительное скольжение по вращающемуся отверстию, — то есть использование уплотнительного кольца O-образного сечения в качестве динамического уплотнения при вращении.

Суть уплотнительного кольца типа O-образное — это уплотнительная деталь, создающая контактное давление посредством «деформации сжатия»; основа уплотнений вращающихся валов — «поддержание масляной пленки при контролируемом контактном давлении, снижение тепла трения и компенсация износа и биения вала». Эти две конструкторские логики не полностью совместимы.

1. Самая большая проблема — тепло трения

Когда уплотнительное кольцо типа O-образное используется для уплотнения вращающегося вала, вал проходит через внутренний диаметр кольца, а внутренняя поверхность кольца находится в длительном контакте с вращающимся валом. В инструкциях по проектированию уплотнительных колец компании Apple Rubber прямо указано, что при вращательном режиме эксплуатации внутренний диаметр кольца подвергается непрерывному нагреву от трения, поскольку резиновый эластомер сам по себе обладает низкой термостойкостью; если скорость выделения тепла превышает скорость его рассеивания, уплотнительное кольцо может выйти из строя.

Поэтому недостаточно задавать клиентам лишь вопрос «какова скорость вращения» — необходимо анализировать как диаметр вала, так и скорость вращения.

Например, когда вал 30 мм находится при 1000 оборотах в минуту, скорость поверхности составляет приблизительно 1,57 м/с; когда вал 50 мм находится при 1500 оборотах в минуту, скорость поверхности составляет приблизительно 3,93 м/с. Чем больше диаметр вала, тем больше тепло от трения при той же скорости вращения.

ПАРКЕР в пояснении о динамическом износе О-кольца также указывается, что динамические О-кольца легко подвергаются воздействию износа и трения, а трение связано с давлением поверхности контакта и повышением температуры зоны контакта уплотнения.

2. Посмотрите. О-кольца не имеют возможности управления маслофильмом

Скелетные масляные уплотнители, радиальные уплотнители вала, уплотнители губные PTFE и другие вращающиеся уплотнительные части, основное значение не только "блокирование масла", но и непрерывное формирование контролируемой зоны контакта через геометрию гу

Данные Freudenberg о технологии вращающихся уплотнений поясняют: после тщательного проектирования угла раскрытия кромки масляная плёнка, образуемая осевым углом и распределением радиальной силы пружинного стержня, создаёт асимметричное распределение контактного давления; при этом микродеформация кромки края уплотнения после приработки обеспечивает эффект обратного перекачивания масла или «микронасосного» эффекта, что крайне важно для функции уплотнения.

Уплотнительные кольца типа O-образных просто сжимают свою круглую поперечную форму на валу. У них отсутствует специально спроектированный угол наклона масляной плёнки, угол наклона воздушного зазора, функция обратного перекачивания масла или эластичная нагруженная геометрия кромки. В результате стабилизация смазочной плёнки затруднена, трение хуже контролируется, а контактное давление легко колеблется под действием давления, температуры, несоосности и биения вала.

Именно поэтому масляные уплотнения, уплотнения с губчатым краем, V-образные кольца и механические торцевые уплотнения выделяются в отдельную группу решений для уплотнения вращающихся элементов. Определение Trelleborg вращающихся уплотнений вала: компоненты, предназначенные для герметизации жидкостей в вращающихся или колеблющихся частях, а также для предотвращения проникновения пыли, воды и других внешних загрязнений; линейка продукции включает радиальные масляные уплотнения, радиальные/валовые масляные уплотнения, вращающиеся уплотнения из ПТФЭ с активацией O-образным кольцом, V-образные кольца и механические торцевые уплотнения.

3. Недостаточная смазка быстро усиливает износ

Уплотнение вращающихся элементов — это не просто «резина, прилипающая к металлу». При наличии контактного трения необходимы смазка и отвод тепла.

Материалы уплотнительных колец Фрейденберга для вращающихся валов четко подчеркивают: достаточность смазки уплотнения имеет решающее значение для срока службы и надежности; чем более достаточна смазка, тем меньше износ. То же самое относится и к параметрам, влияющим на радиальную силу и состояние смазки: они также определяют расход энергии на трение в уплотнении.

При использовании уплотнительных колец типа O-образного сечения на вращающихся валах распространено заблуждение: «достаточно нанести немного смазки при монтаже». На самом деле первоначально нанесенная смазка решает лишь задачи пускового этапа и не гарантирует стабильной масляной пленки в течение длительного времени. Особенно при продолжительной эксплуатации кольцо O-образного сечения легко переходит в режим граничной смазки или даже сухого трения.

4. Кручение, перекатывание и «спиральное разрушение» — типичные риски динамических уплотнений типа O-образное кольцо

Поперечное сечение O-образного кольца круглое, и при динамическом уплотнении оно легко подвержено неравномерным силам трения, что приводит к локальному перекатыванию и кручению. В анализе Parker причин спирального разрушения O-образных колец указаны: несоосность детали, эксцентриситет, грубая шероховатость поверхности, отсутствие смазки или её недостаток, слишком мягкий материал, несоответствующее соотношение поперечного сечения и внутреннего диаметра, а также чрезмерное растяжение при монтаже и др.; профилактические меры включают снижение несоосности и эксцентриситета, уменьшение вариаций поперечного сечения, обеспечение надлежащего качества поверхности, применение более твёрдого материала и обоснованного соотношения поперечного сечения к внутреннему диаметру.

Эта проблема особенно выражена на вращающихся валах. Идеальное состояние: уплотнительное кольцо типа «О» фиксируется в канавке и относительное движение происходит только по внутреннему диаметру кольца «О». Однако на практике, если конструкция канавки, шероховатость поверхности, степень сжатия или смазка выбраны неправильно, кольцо «О» может «перемещаться вместе с валом», скручиваться и частично катиться в канавке, что в конечном итоге проявляется как:

Apple Rubber особо подчёркивает в конструкции вращающихся уплотнительных колец (O-образных колец), что при вращательных или колебательных применениях следует избегать растяжения кольца на валу; эластомер, находящийся под растяжением и нагревом, может сжиматься — это так называемый эффект Джоуля, — что приводит к увеличению контактного нагрева и риска отказа.

5. Некруглость, биение вала и эксцентриситет могут привести к потере контроля над контактным давлением уплотнительного кольца

Уплотнения вращающихся валов должны компенсировать биение вала, соосность, шероховатость поверхности вала, его твёрдость и радиальную динамическую погрешность изготовления. Каркасные масляные уплотнения обычно имеют геометрию уплотнительной кромки и пружинную поддержку, что позволяет им компенсировать радиальное смещение в определённых пределах и сохранять герметичность. Данные Freudenberg указывают, что радиальная сила уплотнения возникает за счёт силы осевого сжатия при монтаже и пружины; конструкторская задача состоит в снижении радиальной силы для уменьшения трения и износа, однако она должна оставаться достаточной для обеспечения герметичности.

У O-кольцов нет специальной пружинной структуры. Если эксцентрично, сжатие одной стороны слишком большое, что вызывает генерацию тепла и увеличение износа; другая сторона имеет недостаточное сжатие, легко протекает. В конструкции защиты Apple Rubber для вращающихся O-кольцов также упоминается, что относительное движение должно происходить только между внутренним диаметром O-кольца и вращающимся валом, и этого необходимо избежать путем контроля концентричности вала, отделки поверхности вала и состояния поверхности канавки.

6. Когда можно использовать O-кольца для вращающихся уплотнений?

Это возможно, но граничные условия должны быть строгими, и подтверждены реальными жизненными тестами. Относительно подходящие сценарии включают:

В рекомендациях Apple Rubber по конструкции вращающихся уплотнительных колец перечислены меры по снижению риска отказа: увеличение расхода жидкости для отвода тепла, выбор качественного самосмазывающегося материала, ограничение давления, избегание экстремальных температур и стремление поддерживать смазочную жидкость вблизи уплотнения. В приведённых данных указано значение 180 футов поверхности в минуту как пороговое, при превышении которого требуются специальные конструкторские меры; это значение соответствует примерно 0,91 м/с; данные следует рассматривать как ориентировочные рекомендации для конкретной конструкции, а не как универсальные пределы для всех материалов и всех конструктивных комбинаций.

7. Когда O-образные кольца не следует выбирать в первую очередь?

В следующих ситуациях рекомендуется сразу использовать сальники с каркасом, V-образные уплотнения, уплотнения с губкой, вращающиеся уплотнения из ПТФЭ или механические уплотнения:

8. Как выбрать различные альтернативные решения?

Каркасное масляное уплотнение / радиальное валовое уплотнение

Подходит для большинства распространённых вращающихся валов: редукторов, электродвигателей, насосов, ступиц колёс, сельскохозяйственной и строительной техники. Его преимущества — зрелая конструкция, контролируемая стоимость, стандартизированный монтаж, обеспечение удержания масла, защиты от пыли и относительно стабильного контакта за счёт рабочей кромки и пружины. В техническом описании радиальных валовых уплотнений Freudenberg указано, что важнейшими требованиями к ним являются надёжное уплотнение, высокая надёжность, совместимость с рабочими средами, низкое трение и простота монтажа.

V-образное кольцо

Подходит для защиты от пыли, грязи и воды, водонепроницаемости, уплотнения торцевой поверхности вдоль оси и защиты от внешнего загрязнения. V-образные кольца обычно вращаются вместе с валом, а их кромка контактирует вдоль оси с неподвижной торцевой поверхностью; не подходят для работы при высокой разнице давлений, но отлично подходят в качестве вспомогательной внешней защиты или вспомогательного уплотнения.

Уплотнительная кромка / ПТФЭ-вращающееся уплотнение

Подходит для высокоскоростных, низкотрениемных, высокотемпературных условий, агрессивных химических сред, минимальной утечки или ограниченного пространства. Особенно уплотнения ПТФЭ-вращающегося типа с энергетическим приводом от O-образного кольца: по сути, это не просто «голое O-образное кольцо, прижатое к валу», а O-образное кольцо создаёт эластичное предварительное натяжение, а ПТФЭ-кромка обеспечивает трение с вращающимся валом. В линейке вращающихся уплотнений Trelleborg действительно присутствуют ПТФЭ-вращающиеся уплотнения с энергетическим приводом от O-образного кольца.

Механическое уплотнение

Подходит для насосов, мешалок, компрессоров и другого вращающегося оборудования, предъявляющего повышенные требования к герметичности, давлению, агрессивным средам или длительному сроку эксплуатации. Уплотнение обеспечивается парой торцевых поверхностей трения, а не резиновым кольцом, непосредственно скользящим по вращающемуся валу. Уплотнительные кольца типа O-образного сечения могут использоваться внутри механических уплотнений, но обычно в качестве вспомогательных статических уплотнений или компенсационных уплотнений, а не в качестве основного вращающегося уплотнения трением.

9. Параметры, которые необходимо уточнить при запросе информации или техническом согласовании с заказчиком

Прежде чем оценить возможность применения уплотнительного кольца типа O-образного сечения для вращающегося уплотнения, необходимо как минимум подтвердить следующую информацию:

10. Краткое изложение основных взглядов

Уплотнительные кольца типа O-образное кольцо способны обеспечивать вращательное уплотнение, однако не подходят для использования по умолчанию в качестве основного уплотнения вращающегося вала. Основные риски связаны с: трением и выделением тепла, недостаточной смазкой, перекручиванием/перекатыванием, износом и царапинами, биением вала, приводящим к неравномерному контакту, остаточной деформацией от сжатия и нестабильной продолжительностью службы.

Более обоснованный инженерный принцип гласит:

Для статических уплотнений приоритетным решением являются уплотнительные кольца типа O-образное кольцо; для непрерывно вращающихся валов предпочтительными являются уплотнения с губчатым элементом, каркасные масляные уплотнения, V-образные уплотнения или механические уплотнения; уплотнительные кольца типа O-образное кольцо без дополнительной защиты применяются только в условиях низкой скорости, низкого давления, достаточной смазки и при наличии возможности верифицировать связанные риски.