Уплотнения: Сборник статей - Житомирский В.К.

Автор: Житомирский В.К.
Теги: системы и устройства для обслуживания, ухода и защиты машин, аппаратов и установок инженерия машиностроение инженерное дело сборник статей издательство машиностроение
Год: 1964
Похожие
Уплотнения и уплотнительная техника
Расчет и проектирование элементов гироскопических устройств
Аппараты воздушного охлаждения
Вибрации в технике. Том 1. Колебания линейных систем
Текст
                    УПЛОТНЕНИЯ
СБОРНИК СТАТЕЙ
1961 EDITION
DESIGN

УПЛОТНЕНИЯ
СБОРНИК СТАТЕЙ
Перевод с английского
инж. В. П. ХАРИТОНОВА
Под редакцией
д-ра техн, наук В. К. /КИТОМИРСКОГО
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Москва J 9 6 4
$
УДК 62-762-20
В сборнике представлен обширный материал по
уплотнениям, применяемым в машиностроении зару-
бежными фирмами.
В статьях сборника описаны почти все основные
типы подвижных и неподвижных уплотнений,
указаны области использования их и даны соответ-
ствующие расчетные формулы.
Сборник хорошо иллюстрирован. Предназначен
для инженеров-конструкторов, инженерно-техни-
ческих работников, занятых эксплуатацией машин.
ХЧ'ЪЧЧЪ
ОТ РЕДАКТОРА
Описания уплотнений, сделанные рядом зарубежных специа-
листов, относятся, конечно, к конструкциям, выпускаемым раз-
личными фирмами. Во многих случаях основные размеры стан-
дартизированы, так же, как и допуски на них. Так как все
размеры и допуски даны в оригинале в дюймах, то допуски при
пересчете в метрические меры округлены, и служат лишь для
указания требуемого порядка величин. В оригинале приведены
подробные таблицы стандартов (в приложении) и фирменных тех-
нических условий, которые не включены в перевод. Однако те
положения, которые лежат в основе стандартов и на которые
целесообразно обратить внимание, изложены в тексте, куда вклю-
чены и основные типоразмеры уплотнений.
Расчетные данные, относящиеся к материалам (предельная
температура, допускаемые давления), можно легко использовать,
поскольку в тексте приводятся их характеристики.
Главная же ценность сборника заключается в описании много-
численных конструкций уплотнений и подробном рассмотрении
условий применения каждого из них (см., например, табл. 3, гл. 12;
табл. 3, гл. 14; табл. 6, гл. 10 и др.)

ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
James A. Parks
Прокладка, уплотнение, сальник — близкие понятия. Иногда
эти слова считают даже синонимами. Однако, почти по общему
согласию, каждому из них соответствует свое особое значение:
уплотнение —устройство, исключающее проникновение жидко-
сти, газов или твердых частиц через соединение или отверстие
в сосудах и узлах;
сальник. — уплотнение подвижных деталей машин, применяе-
мое там, где между жесткими элементами узла существует какая-
либо форма относительного движения (однако набивку для вра-
щающихся валов, помещенную в металлический корпус и не тре-
бующую при монтаже дополнительных деталей, называют обычно
«уплотнением»);
прокладка — уплотнение, применяемое там, где детали уплот-
няемого соединения неподвижны относительно друг друга (ма-
териалы, из которых изготовляются прокладки, иногда называют
«листовым уплотнительным материалом»).
Назначение. В тех случаях, когда предполагается применение
уплотнений, решаются четыре основные задачи: исключение
утечек рабочей среды; предотвращение попадания во внутрен-
ние полости машины посторонних веществ; обеспечение простоты
установки и съема уплотнения; достижение всего перечисленного
наиболее дешевым способом.
Зачастую обращают внимание лишь на первый пункт, но в рав-
ной мере важны и остальные. Иногда невозможно полностью
удовлетворить все эти требования и тогда приходится идти на
компромисс. Целесообразность принятого компромисса оцени-
вается по общей эффективности такой конструкции.
Уплотнения подвижных деталей машин и неподвижных соеди-
нений. При выборе наиболее рационального уплотнения прежде
всего следует уяснить, являются ли условия работы статиче-
скими или динамическими.
7
При статических условиях работы не должно быть относитель-
ного движения между соединяемыми деталями или между уплот-
нением и соприкасающимися с ним поверхностями. Если суще-
ствует какое-либо относительное движение, то условия работы
следует считать динамическими и согласно этому подбирать со-
ответствующий тип уплотнения. Гл. 2—11 посвящены уплотне-
ниям и сальникам, применяемым преимущественно в динамиче-
ских условиях, в гл. 12—14 рассматриваются прокладки, приме-
няемые в статических условиях.
Уплотнения подвижных деталей машин. Проблема уплотне-
ния в динамических условиях заключается в основном в ограни-
чении или полном исключении утечек рабочей среды (жидкости,
газа) через зазоры между подвижными деталями. Применяются
два типа таких уплотнений: уплотнения с контролируемыми
зазорами; уплотнения, работающие с контактом подвижных
и неподвижных деталей.
Уплотнения с контролируемыми зазорами. Примером этого
типа уплотнений, охватывающего все уплотнения, которые рабо-
тают без контакта подвижных и неподвижных деталей, могут
служить лабиринтные и щелевые уплотнения. Они работают на
принципе дросселирования жидкости или газа в узком кольце-
вом или радиальном зазорах. Уплотнения с контролируемыми
зазорами работают без трения и не снижают своей эффективности
при изменении температуры и скорости. Утечки ограничиваются,
но не исключаются полностью. Хотя такие уплотнения во многих
случаях применяются как основные, они могут использоваться
и в качестве вспомогательной защиты для уплотнений второго
типа. В этом случае они разрабатываются, как правило, самим
конструктором и имеют различные конструктивные формы.
Преимуществом уплотнений с контролируемыми зазорами яв-
ляется то, что трение в них сведено к минимуму, а износ и дефор-
мации не наблюдаются в течение всего срока службы оборудования.
Однако имеются и два значительных недостатка. Применение
таких уплотнений ограничено в тех случаях, когда степень утечки
строго нормируется, и они становятся весьма дорогими при услож-
нении конструкции.
Контактные уплотнения. Их рекомендуется применять там,
где требуется полная герметичность по газу или жидкости, и там,
где поверхность уплотнения все время находится в погруженном
в жидкость или газ состоянии. Правильно выбранное и применен-
ное уплотнение этого типа может обеспечить нулевую утечку боль-
шинства рабочих сред. Но в силу чувствительности контактных
уплотнений к температуре, давлению и скорости неправильное
применение может повлечь за собой их преждевременный выход
из строя. Контактные уплотнения применяют для герметизации
вращающихся и поступательно-движущихся валов. Во многих
случаях такие уплотнения, рассматриваемые в последующих
8
главах, можно приобретать в виде готовых изделий. Иногда они
разрабатываются по заказу в соответствии с особыми требованиями
конкретных условий работы. Конструкции, разработанные по
специальным заказам, предлагаются многими фирмами, и в ряде
случаев, вероятно, являются лучшим решением проблемы уплот-
нения.
Характеристики уплотнений. Эффективность уплотнения под-
вижных деталей оценивается следующим образом: если утечка
не слишком велика и появляется не слишком рано, то это хоро-
шее уплотнение. Для его выполнения необходимо точное соответ-
ствие между условиями работы и характеристиками примененного
типа уплотнения. Так как от типа уплотнения зависят и условия
обслуживания, то может оказаться, что добиться такого со-
ответствия весьма трудно.
Некоторые из условий эксплуатации известны с достаточной
точностью: скорость, рабочее давление среды, характеристика
ее и т. п. Надежно могут быть определены и такие величины, как
прогиб вала, биение и люфт. Но в процессе эксплуатации все
эти параметры могут существенно измениться.
К тому же, некоторые параметры трудно определить на стадии
проектирования. Например, температура трущихся поверхно-
стей уплотнения непосредственно влияет на срок его службы.
Эта температура зависит не только от температуры уплотняемой
среды, но также и от смазки и обработки трущихся поверхностей,
от удельного давления и эффективности теплопередачи. Опыт
эксплуатации уплотнений, подобных рассматриваемому, является
хорошим советчиком при оценке неизвестных параметров.
Выбор рационального типа уплотнения усложняется тем,
что многие рабочие параметры взаимосвязаны. Наглядным при-
мером служит характеристика р — v (давление—скорость). Во-
обще, для данного типа уплотнения величина предельно допусти-
мой скорости уменьшается с увеличением рабочего давления уплот-
няемой среды. Однако это не все. Опыт показал, что предельно
допустимая скорость зависит не только от давления, но и от тем-
пературы, обработки поверхности вала, прогиба, биений, осевого
люфта и от количества смазки, которая в действительности до-
стигает уплотнения. Соблюдение надлежащих условий работы
уплотнения обычно лежит на ответственности тех, кто его при-
меняет, и не зависит от изготовителя.
Постановка задачи. Одним из первых вопросов, на которые
должен быть дан ответ при выборе уплотнения, является вопрос
о смазке, будет ли она жидкая или консистентная. Если приме-
нена жидкая смазка, то необходимо также знать, находится ли
уплотнение в погруженном состоянии или подвергается воздей-
ствию масла при его разбрызгивании. При консистентной смазке
можно использовать любые типы уплотнений. При жидкой смазке
уплотнение с контролируемыми зазорами эффективно работает
9
лишь при не сильном разбрызгивании, манжетные уплотнения
хорошо работают в условиях масляного тумана, но требуют тща-
тельно разработанной конструкции при полном погружении
в масло; для работы в погруженном состоянии, особенно при вы-
соких давлениях, применяются механические уплотнения.
Прежде чем рассматривать конкретные типы уплотнений,
необходимо установить требуемую степень герметичности и срок
службы уплотнения. Например, некоторые типы сальников, ла-
биринтные и манжетные уплотнения допускают утечки и не могут
быть использованы там, где требуется полная герметичность.
Срок службы многих уплотнений зависит от типа движения,
которое совершают движущиеся детали: прерывистое или непре-
рывное. Следовательно, надо анализировать и характер движе-
ния уплотняемых деталей.
Чистота системы, рабочее давление, габаритные ограничения
и температура относятся к тем факторам, которые должны быть
учтены при практическом решении задачи выбора уплотнения.
Размеры пространства, отводимого для размещения уплотне-
ния, часто оказываются самым дискуссионным вопросом. Для
конструктора он может оказаться именно тем фактором, который
заставит его отдать предпочтение одному типу уплотнения перед
другим. Не следует принимать это решение с легкостью. Даже
в том случае, когда габариты предопределяют выбор типа уплот-
нения, необходимо уже на ранних стадиях конструкторских раз-
работок предусматривать возможно большее пространство для
его размещения. В конечном счете это позволит применить наи-
более рациональный тип уплотняющего устройства.
Выбор уплотнения. В последующих главах все уплотнения
сгруппированы в нижеперечисленные категории: войлочные, мас-
лозадерживающие или радиальные, защитные, лабиринтные, ме-
ханические или торцовые, фасонные и диафрагменные уплотне-
ния, уплотняющие и О-образные кольца, поджимные сальники.
Ориентировочно можно указать области применения каж-
дого из этих типичных контактных уплотнений. В этом вопросе
удобными критериями служат рабочее давление и характер дви-
жения подвижных деталей.
Войлочцые уплотнения, например, применяются в основном
для вращающихся и возвратно-поступательно движущихся валов.
Радиальные и фасонные уплотнения могут быть также приме-
нены при любом из этих типов движения. О-образные кольца,
которые иногда применяются для уплотнения вращающихся де-
талей, находят все же лучшее применение на валах, совершаю-
щих возвратно-поступательное движение.
Конструкция обычных механических уплотнений и уплотне-
ний со свободными кольцами позволяет устанавливать их лишь
на вращающихся валах. Хотя сальниковые набивки применяются
и на вращающихся валах, однако они обычно предназначаются
10
для уплотнения валов с возвратно-поступательным движением
в установках высокого давления.
Грань, разделяющая условия эксплуатации на области низ-
кого и высокого давлений, не вполне отчетлива. Например, вой-
лочные и радиальные уплотнения используются обычно лишь при
очень небольших перепадах давлений. Поэтому радиальные уп-
лотнения, спроектированные как модели, которые предназначены
для работы при повышенных давлениях, расширяют область
применения их, скажем, до 10 кПсм2. Даже при этом давлении
такое радиальное уплотнение может применяться только при
низких скоростях. При более высоких давлениях могут приме-
няться поршневые кольца, способные противостоять перепадам
давлений в 1,5—2 ат на каждое кольцо. Увеличивая число колец,
конструктор может расширить область применения этого типа
уплотнений по давлению до нескольких десятков кГ/см2.
Механическое уплотнение разгруженного типа может работать
при давлениях до 70 кГ/см2 и выше. Как и для большинства других
типов уплотнений, для механических уплотнений предельно до-
пустимая скорость уменьшается с увеличением рабочего давления.
Давления в 700—7000 кГ/см? успешно выдерживаются саль-
никовыми набивками и фасонными уплотнениями. При высоких
давлениях или большом диаметре вала широкое распростране-
ние, несмотря на значительное трение в них и быстрый износ
вала, имеет старый тип уплотнений — поджимные сальники.
Уплотнения неподвижных соединений. Гл. 12—14 посвящены
прокладкам и написаны с целью дать конструктору указания по
их выбору и применению. Излагаются основные принципы герме-
тизации с помощью прокладок, приводятся наиболее важные
свойства многочисленных прокладочных материалов. Материалы,
рассматриваемые здесь, не являются специальными и имеют
широкую область применения. Перечень материалов включает
в себя резину, пробку, простую и особым образом обработанную
бумагу, асбест и различные их комбинации.
Армированные покрытия металлом и металлические прокладки
обычно ставятся при высоких давлениях и высоких температурах
или при сочетании этих условий работы.
В практике уплотнений неподвижных соединений определен-
ную роль играют О-образные кольца, которые могут выполнять
функции обычных плоских прокладок так же хорошо, как и пор-
шневые кольца.
В качестве прокладок часто используются фасонные детали,
изготовленные из резины или пластиков. В этой книге, однако,
нет детального рассмотрения элементов конструкции таких про-
кладок, состава их материала и технологии изготовления,
ГЛАВА 2
ВОЙЛОЧНЫЕ РАДИАЛЬНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
(Edward A. Smith)
Длительное время войлок применялся для целей уплотнения
как один из основных материалов. Это объясняется свойствами
войлока.
Фитильная смазка. Свойства войлочного уплотнения обеспе-
чивают смазку рабочих поверхностей и после длительного периода
простоя.
Абсорбция масла. Маслоемкость войлока зависит главным об-
разом от его плотности, причем маслом может заполняться до 78%
объема войлочного уплотнения.
Фильтрация. Войлочные уплотнения из шерсти в сухом со-
стоянии являются фильтром, который обеспечивает степень
очистки от 99 до 100% при задержании частиц размерами до
0,7 мк. После пропитки маслом войлочное уплотнение задержи-
вает и более мелкие частички.
Эластичность. Свойства войлочного уплотнения позволяют
ему сохранять постоянным уплотняющее усилие, несмотря на
износ, осевой люфт, небольшую несоосность и овальность подвиж-
ных деталей.
Низкое трение. Коэффициент трения равен в среднем 0,22
для сухого войлока по стали и уменьшается до 0,15 для уплотне-
ния, предварительно пропитанного маслом (вязкостью 0,88 ст
при 99° С).
Эффект полирования. Войлочное уплотнение задерживает абра-
зивные частицы, которые проникают в него. Этим самым оно пре-
дохраняет поверхность вала, полируя его без образования задиров.
Температуростойкость. Обычно войлочные уплотнения при-
меняются в диапазоне температур от —50 до 120° С. Однако вой-
лочные уплотнения из синтетических волокон обладают бодее
высокой прочностью и химической стойкостью при температуре
до 200° С.
Сопротивляемость воздействию химических веществ. Войлоч-
ное уплотнение из шерсти выдерживает воздействие слабых рас-
творов минеральных кислот, если при этом оно не подвергается
12
непрерывному насыщению и периодическому высушиванию. Вой-
лочное уплотнение разрушается щелочами. В необработанном виде
войлок устойчив по отношению к маслам, консистентным смазкам,
парафину и большинству растворителей. Синтетические войлоч-
ные уплотнения противостоят воздействию сильных кислот и ос-
нований и стабильны в воде, обычных топливах, смазочных веще-
ствах, жидкостях для гидравлических систем и растворителях.
Рабочие скорости. Несмотря на то, что скорость 600 м/мин
обычно считается предельной для войлочных уплотнений, имеются
примеры их удовлетворительной работы при таких высоких ско-
ростях, как 1200 м!мин. В этих случаях вал должен обладать
повышенной твердостью и высокой чистотой поверхности, а в уп-
лотнении должна иметься обильная смазка. По номограмме в гл. 3
легко определить окружную скорость в м/мин, соответствую-
щую заданному числу оборотов в минуту.
Выбор войлочного уплотнения. Обществом инженеров автомо-
бильной промышленности (SAE) разработаны стандарты для раз-
личных сортов войлока. Рекомендованные SAE сорта войлока,
величины зазоров и угол конусности стенки корпуса уплотнения
в зависимости от диаметра вала и скорости скольжения помещены
в табл. 1. Эти соотношения могутбыть при необходимости изменены
с тем, чтобы получить наилучшие соответствия между уплот-
нением и размерами отведенного под него места. Сорта войлока
SAE F-1 и F-2 отличаются высокими плотностью и каче-
ством, низкой проницаемостью и максимальной прочностью,
они предназначены для сложных условий работы по уплотнению
масел и консистентных смазок. Сорта войлока SAE, F-1, F-2
и F-3 рекомендуется применять также при скоростях свыше
300 м/мин. При менее тяжелых условиях удовлетворительно ра-
ботают F-5 и F-6. При скоростях ниже 230 м/мин можно исполь-
зовать F-10 и F-11. Пылезащитные уплотнения, спроектированные
на окружные скорости более чем 300 м!мин, изготовляются
в основном из войлока F-7. Для более низких скоростей приме-
няются F-11, F-12 и F-13. Войлочные уплотнения шарикопод-
шипников должны изготовляться из высококачественного войлока,
соответствующего SAE F-50.
Типы уплотнений. Войлочные уплотнения изготовляются двух
основных типов: простые и многослойные. В соответствии со спе-
циальными требованиями и те, и другие могут пропитываться од-
ним из нескольких указанных веществ. Добавки парафина, вазе-
лина или коллоидального графита увеличивают сопротивление
основного войлока по отношению к воде и грязи, улучшают его
сопротивляемость воздействию смазочных веществ, находящихся
под давлением, и снижают коэффициент трения. Простые и много-
слойные уплотнения перед их установкой следует пропитать мас-
лом или консистентной смазкой с несколько большей вязкостью,
чем у тех, которые применяются для смазки.
13
Таблица 1
Размеры и область применения войлочных уплотнений по стандартам SAE
Марка войлока по SAE	Диаметр вала	Размеры уплотнений в мм			
		Внутренний диаметр	Наружный диаметр	Толщина	Угол наклона стенки кор- пуса в град
	12,7	12,57	25,4	4,75	4
	- 25,4	25,3	38,1	6,35	4
F-1 F-2	38,1	38,0	57,15	9,51	4
	50,8	50,7	69,8	12,7	4
					
F-3	63,5	63,4	82,5	12,7	4
	76,2	76,1	101,6	12,7	4
	88,9	88,8	114,2	19,05	4
	101,6	101,5	127,0	19,05	4
	12,7	12,3	25,4	6,35	5
	25,4	25,0	38,1	9,51	5
F-5 F-6	38,1	37,7	57,15	12,7	5
	50,8	50,4	69,8	12,7	5
					
F-7	63,5	63,1	82,5	12,7	5
»	76,2	75,8	101,6	19,05	5
	88,9	88,5	114,2	19,05	5
	101,6	101,2	127,0	25,4	5
F-10	12,7	11,9	25,4	9,51	7
F-11	25,4	24,6	38,1	12,7	7
F-13	38,1	37,7	57,15	12,7	7
F-15	50,8	50,0	69,8	12,7	7
	63,5	62,7	82,5	19,05	7
	76,2	75,4	101,6	19,05	7
	88,9	88,1	114,2	25,4	7
	101,6	100,8	127,0	25,4	7
F-50	—	—	—	1,27	—
	—	—	—	1,40	
	—	—	—	1,52	—
	—	—	—	1,65	—
	—	—	—	1,78	—
	—	—	—	1,90	—
		—	—	2,03	—
			--	2,16	.... 1
F-1 рекомендуется для удержания масла, если войлок не подвергается сжа- тию, а окружная скорость вала превышает 300 м[мин.					
F-2 и F-1, но для	F-3 рекомендуются для применения в тех же условиях работы, что и войлока несколько худшего качества.				
F-5, F-6, F-7 применяются для уплотнения масел и				консистентных	смазок при
окружной скорости вала от 230 до 300 м/мин, а также				для тяжелых условий ра-	
боты при скорости свыше 300 м/мин в качестве материала пылезащитных уплотне-					
НИЙ.					
F-10,	F-ll, F-12 — для уплотнения		масел и консистентных смазок в тех слу-		
чаях, когда войлок поджимается в процессе сборки,				и скоростях меньше, чем	
230 м/мин. Также для пылезащитных уплотнений при окружной скорости вала ниже 300 м/мин.					
F-50	применяется с	прецизионными шарикоподшипниками, где требуется			
тонкослойный войлок точных размеров и			высокого качества.		
14
Простые войлочные уплотнения (фиг. 1) — это кольца, кото-
рые вырезаются с высокой точностью из войлока, соответствую-
щего стандартам SAE. Обычно они предварительно пропитываются
смазочным веществом с вязкостью, несколько большей, чем
у масла, применяемого в уплотняемом подшипнике. Простые
войлочные уплотнения обеспечивают надежную защиту подшип-
ника и служат емкостью для смазки, расходуя ее по мере надоб-
ности. При сухом трении они полируют поверхность вала, не вы-
зывая задиров, и редко выходят из строя из-за старения, появле-
ния хрупкости или разрушения. При нормальных температурах
Фиг. 1. Долговечное и эконо-
мичное простое войлочное
уплотнение, изготовленное
из войлока по стандартам
SAE (Предельные рабочие
температуры от—50 до 120° С,
редуются с непроницаемыми слоями из эластич-
ных материалов; такая конструкция типа «сэнд-
вич» предотвращает утечки жидкостей с низкой
вязкостью и выполняет одновременно функции
Фиг. 2. Многослойные войлочные уплотнения
(кольца из одного или более сортов войлока че-
максимально допустимая
окружная скорость прибли-
зительно равна 600 м/мин.
Пропитка исходного войлока
вазелином или графитом уве-
личивает стойкость по отно-
шению к маслам, находящим-
ся под давлением, и к жид-
костям с низкой вязкостью.)
маслоудерживающих и уплотнительных колец
и пылезащитных уплотнений).
и условиях работы подшипника простые
войлочные уплотнения являются высо-
коэкономичными и требуют замены
лишь при капитальном ремонте той
машины, в которой они применялись.
Следует отметить, что эти уплотнения не должны работать в со-
прикосновении с маслами очень низкой вязкости и применяться
для предотвращения утечек смазки, находящейся под давлением.
В этих случаях следует рассмотреть возможность применения мно-
гослойных или пропитанных уплотнений.
Многослойные войлочные уплотнения объединяют достоинства
простых войлочных уплотнений с непроницаемостью колец из
нитрильной резины или других маслостойких резин. Преимуще-
ства конструкции типа «сэндвич» заключаются в том, что стано-
вится возможным применить в одном уплотнении войлок двух или
более марок либо различной плотности: один сорт войлока для
удержания масла, а другой — для защиты от пыли. Непрони-
цаемые прослойки из маслостойких эластичных материалов также
эффективно предотвращают утечки жидкостей с низкой вязкостью
через уплотнение (фиг. 2).
15
Конструкция войлочных уплотнений. Войлочные уплотнения при
точно выдержанных размерах и правильной установке эффективно
работают в самых различных условиях и в широком диапазоне
скоростей. Большинство уплотнений выполняет свои функции
благодаря созданию на поверхности вала значительных контактных
давлений, войлочные же уплотнения в силу своей природной элас-
тичности обеспечивают плотный контакт между неподвижными
деталями уплотнения и валом при умеренных рабочих давлениях.
Конструкции применяемых войлочных уплотнений разбиты
на пять категорий (табл. 2). В трех из них конусность стенки кор-
пуса используется для поджатия войлока по наружному диаметру,
что позволяет сохранить его пористость в участках, близких к по-
верхности вала.
Таблица 2
Тилы войлочных уплотнений
Войлочное кольцо, установленное в расточке корпуса с на-
клоном стенок под углом 4°. Зазор между кольцом и корпусом
по наружному диаметру составляет от 0,4 до 0,8 мм для компен-
сации возможной эксцентричности корпуса. Рабочий зазор
между валом и корпусом обычно лежит в пределах от 0,25 до
0,4 мм. Уплотнение не регулируется, для замены войлочного
кольца необходимо демонтировать вал
Обычная конструкция уплотнения для предотвращения уте-
чек масла и консистентных смазок. Войлок зажимается крыш-
кой в кольцевой расточке с конусными стенками. Скрученные
волокна войлока слегка выступают в осевом направлении в сто-
рону подшипника. Благодаря капиллярности масло из вой-
лока поступает обратно в корпус. Зазор между валом и корпу-
сом желательно выполнять небольшим. Такое уплотнение саль-
никового типа легко регулируется и заменяется
Манжетное войлочное кольцо с внутренним диаметром, мень-
шим, чем у вала. Уплотнительное кольцо перед приданием ему
окончательной формы и установкой на валу размягчается про-
питыванием расплавленной консистентной смазкой. Его при-
менение эффективно для борьбы с грязью и пылью
Уплотнение, устанавливаемое в расточку корпуса с наклоном
стенки под углом 8°, со съемной крышкой. Широко применяется
с шариковыми и роликовыми подшипниками. Конструкция обе-
спечивает простоту удаления и замены войлочного кольца без
полной разборки машины. Кольцо может быть и разрезным
16
Продолжение табл. 2
Уплотнение под запрессовку в виде готового изделия приме-
няется для предотвращения утечек масел и консистентных сма-
зок. Широко используется при низких и средних скоростях,
где не предъявляются высокие требования к герметичности.
Может быть простым или многослойным. Рекомендуется приме-
нять при стесненных условиях размещения
В тех случаях, когда в рассматриваемой конструкции нельзя
осуществить применение войлочных уплотнений со сплошными
кольцами или габариты колец не позволяют разместить их, эко-
номичными и эффективными могут оказаться уплотнения с раз-
резными войлочными кольцами (при их правильной установке).
Фиг. 4. Войлочные уплотне-
ния с разрезными кольцами.
(Если для упрощения сборки
необходимо применить уплот-
нение с разрезными войлоч-
ными кольцами, то замок
кольца должен быть выпол-
нен со скосом кромок под
углом 30°, чтобы сжатие вой-
лока в канавке корпуса могло
воспрепятствовать появле-
нию зазора в стыке.)
Фиг. 3. Примеры установки войлочных уплот-
нений (для обоих узлов с шариковым и ролико-
вым подшипниками одно левое уплотнение мон-
тируется на валу со стороны упорного заплечика,
другое, справа, устанавливается на продолжении
вала):
1— уплотнение; 2 — шариковый подшипник; 3—ро-
ликовый подшипник.
При этом скос кромок в замке такого уплотнения следует выпол
нять под углом 30° так, чтобы сжатие войлока в канавке корпуса
позволило устранить зазор в стыке.
Войлочные уплотнения шариковых и роликовых подшипни-
ков. большей частью
них находится на
диаметру упорного
шипника. Если под
жения уплотнений
ГЛЙтгпы иа
уанавливаются в двух местах. Одно из
ам, где диаметр его равен наружному
1ка, второе — с другой стороны под-
шариковые, то второе место располо-
^непосредственно за подшипниковой
гайкой на шейкеАф'иболы^е^'^иаметра (фиг. 3).
2 Дж. А.	Биб-
f	Мин- выс.ь *
 3 сьец. одр РИФ С*
17
Для эффективной работы войлочного уплотнения необходимо
учитывать следующие положения:
избегать значительных деформаций при монтаже;
войлочное кольцо не должно сидеть на валу слишком плотно,
а маслоудерживающее уплотнение не должно подвергать войлок
значительным сжимающим усилиям;
в обычных уплотнениях высота сечения войлочного кольца
должна быть больше, чем его ширина; такое соотношение сводит
к минимуму искажение формы уплотнения и способствует проч-
ному закреплению войлока в его канавке;	.
в тех случаях, где это возможно, следует отдавать предпочте-
ние сплошным войлочным кольцам перед разрезными.
Если применяется уплотнение с разрезными войлочными коль-
цами, то замок следует выполнить в стык, со скосом под углом 30°
(фиг. 4).
Войлочные уплотнения следует заменять при капитальном ре-
монте машины. Если капитальный ремонт проводится через дли-
тельные периоды времени, необходимо выбрать такую конструк-
цию, которая обеспечила бы простоту замены уплотнения.
ГЛАВА .3
РАДИАЛЬНЫЕ КОНТАКТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
(С. R. McCray)
Радиальное контактное уплотнение служит для герметизации
соединений подвижных деталей машин и работает с трением ра-
бочих поверхностей. Эффективность работы такого уплотнения
определить несложно: если утечки появляются не слишком скоро
и невелики, то это хорошее уплотнение.
Радиальное уплотнение представляет собой устройство, ко-
торое обеспечивает создание уплотняющего контакта сопряжен-
ных цилиндрических поверхностей с целью устранения утечек
жидкости, а в некоторых случаях и проникновения внутрь ма-
шины посторонних частиц. Это определение охватывает почти все
контактные уплотнения подвижных деталей машин, включая
сальники и войлочные радиальные уплотнения, но в этой статье
основное внимание уделяется тем типам, которые широко известны
под названием масляных или манжетных уплотнений.
Обычным является применение радиальных уплотнений на
враща.ющихся валах. Однако они используются и в тех случаях,
когда вал совершает возвратно-поступательное или колебательное
движение. Если условия работы требуют, чтобы уплотнение вра-
щалось вместе с валом, то применяется конструкция с располо-
жением рабочих поверхностей по наружному диаметру.
Типы уплотнений. Из-за большого разнообразия условий ра-
боты радиальных уплотнений существует много различных кон-
струкций и типоразмеров их. Классификация обычно делит эти
типы на:
манжетные уплотнения закрытого типа (табл. 1), в которых
уплотняющий элемент, изготовленный из кожи или синтетических
материалов, закреплен в металлическом корпусе с точно выдер-
жанными размерами;
армированные манжетные уплотнения (табл. 2), в которых
уплотняющий элемент из синтетического материала образует
неразъемное соединение с плоским кольцом или с металлическим
корпусом определенной формы.
2*	19
Таблица 1
Уплотнения закрытого типа
					Манжетное уплотнение с отогнутым уплотняющим элементом из кожи или синтетического материала. Применяется главным образом в качестве пылезащитного, а также для удержания кон- систентных смазок. Этот тип манжет не пригоден для уплотне- ния масел с низкой вязкостью. Манжетное уплотнение удобно для размещения в условиях ограниченного пространства и там, где требуется низкое трение
					Уплотнение с плоским уплотняющим элементом из кожи. При- меняется для предотвращения утечек консистентных смазок и вязких жидкостей и там, где нельзя использовать уплотнения с поджимными пружинами. Часто применяется в комбиниро- ванных сдвоенных конструкциях, дополняя уплотнение с под- жимной пружиной
					Радиальное уплотнение для различных применений с пбд- жимной пружиной и уплотняющим элементом из кожи или синте- тических материалов. Это — наиболее распространенный вид. Рабочее давление для элементов из синтических материалов не должно превышать 0,007 кГ/см.\ для кожаного уплотнения — до 0,01 кПсм2. Снабжается плоской или спиральной пружиной
					
	dr		1		Внешнее уплотнение применяется в тех случаях, когда окруж- ные скорости невелики, а уплотнение должно быть установлено навалу. Элемент из кожи пригоден для уплотнения консистент- ных смазок и вязких жидкостей. Уплотняющие элементы из син- тетических материалов используются для предотвращения по- терь жидкостей с небольшой вязкостью. Могут применяться и без поджимной пружины, если уплотняется консистентная смазка при неподвижном вале
Таблица 2
Армированные манжетные уплотнения
Радиальное уплотнение с острой кромкой манжеты. Устанав-
ливается запрессовкой в цилиндрическую расточку корпуса. Ог-
раниченная поверхность контакта манжеты с валом обусловли-
вает небольшие моменты трения
Армированное манжетное уплотнение с прямоугольным эле-
ментом. Применяется для предотвращения потерь жидкостей
из агрегатов с вращающимися валами. Уплотнение устанавли-
вается запрессовкой в цилиндрическую расточку, никаких
канавок не требуется
20
Продолжение табл. 2
	Армированное манжетное уплотнение с острой кромкой уплот- няющего элемента и пружиной. Пружина компенсирует эксцен- трицитет вала и обеспечивает предварительное поджатие ман- жеты, пока внутреннее давление не повысится до рабочего. Пру- жина может быть плоской или спиральной, или сдвоенной
	Армированное манжетное уплотнение. Синтетическое покры- тие по наружному диаметру уплотнения компенсирует воз- можное несовпадение величин теплового расширения корпуса и манжеты. Прямоугольная форма манжеты пригодна для боль- шинства случаев применения. Изготовляются и с пружинами
Уплотнения обоих типов (фиг. 1) могут быть снабжены пло-
скими или кольцевыми спиральными поджимными пружинами,
Внутренний диаметр
внутреннего торца.
Диаметр уплотнения
Фиг. 1. Обозначения SAE, принятые для радиального уплотнения закрытого
типа и для армированного резинового уплотнения:
/ — внутренний торец; 2 — спиральная кольцевая пружина; 3 — линия контакта; 4 —
уплотняющая поверхность; 5 — наружный торец; 6 — уплотняющий элемент; 7 — внут-
ренний корпус; 8 — поверхность под запрессовку (металл); 9 — внешний корпус; 10 —
передняя грань; 11 — армирующий элемент; 12 — поверхность под запрессовку (резина);
13 — тыльная грань.
если уплотняемая жидкость имеет низкую вязкость, а также
в тех случаях, когда окружная скорость вала или большая несо-
осность требуют повышенных уплотняющих давлений. Армиро-
ванные манжетные уплотнения часто применяются там, где
в связи с требованиями основной конструкции место для разме-
щения уплотнения ограничено.
Сдвоенные или комбинированные уплотнения (табл. 3) при-
годны для работы в особо тяжелых условиях и там, где рабочая
21
Таблица 3
Уплотнения с двойным уплотняющим элементом
Кожаное уплотнение типа тандем. Расположение уп-
лотняющих элементов позволяет при необходимости за-
полнять пространство между ними консистентной смаз-
кой. Кожаные элементы работают удовлетворительно и
при периодической смазке
Сдвоенное оппозитное уплотнение. Применяется в тех
случаях, когда рабочие жидкости находятся с обеих сто-
рон уплотнения. Максимальное значение рекомендуе-
мой окружной скорости вала равняется 300 м'мин
Сдвоенное уплотнение. Используется в тяжелых усло-
виях работы при средних скоростях и там, где требуется
ограничить утечки до минимума
Комбинированное войлочное и синтетическое уплотне-
ние. Хорошо работает в условиях сильной запыленности
окружающей атмосферы. Существуют такие уплотнения
с элементами из одинаковых материалов, кожи или синте-
тических
Нагруженное пружиной уплотнение со вспомогатель-
ной противоположно направленной уплотняющей кром-
кой. Кромка манжеты, поджимаемая пружиной, удержи-
вает смазку. Вспомогательная кромка прижата к валу
с меньшим давлением и выполняет функции грязезащит-
ного уплотнения
Уплотнение с поджимной пружиной с расположением
уплотняющей вспомогательной кромки по типу «тандем».
Так как дополнительная кромка находится впереди
кромки с пружиной, то имеется возможность применить
смазку под давлением без риска повредить манжету.
В случае, если уплотняемая жидкость содержит ^абра-
зивные частицы, это уплотнение работает как грязеза-
щитное
жидкость имеется с обеих сторон уплотнения. Существуют кон-
струкции уплотнений, обеспечивающие устранение утечек в од-
ном направлении и выполнение пылезащитных функций в проти-
воположном.
Принцип действия. Уплотняющее давление создается в резуль-
тате посадки с натягом на вал (а в случае внешних уплотнений —
в расточку корпуса) сравнительно упругой манжеты, усиленной
обычно пружиной. Для большинства радиальных уплотнений
кромка манжеты выполняется таким образом, чтобы увеличение
22
нагрузки на уплотняющую поверхность приводило к возрастанию
контактных давлений.
Отсутствие утечек жидкости через манжетное уплотнение
возможно при строго определенной величине контактных давле-
ний, при которой снижаются до минимума вредные эффекты
трения, тепловыделение на рабочих поверхностях и перемежаю-
щееся прихватывание манжеты к валу.
Порождаемые прихватыванием манжеты колебания представ-
ляют собой прерывистое движение одной поверхности по другой.
Причины его возникновения до конца не выяснены, но, вероятно,
оно является результатом появления небольших локальных оча-
гов пригорания с последующим их срезыванием.
Это периодическое схватывание и разобщение манжеты с валом
вызывает колебание температуры поверхности, причем с той же
частотой. Перемежающееся прихватывание манжеты к поверх-
ности вала может возникнуть лишь в том случае, если коэффи-
циент трения скольжения меньше, чем коэффициент трения по-
коя, и может быть устранено подбором соответствующего сма-
зочного вещества.
Перемежающееся прихватывание может наблюдаться даже на
смазываемых поверхностях вала и уплотнения. Однако в случае
смазываемых уплотнений появление колебаний, обусловливае-
мых прихватыванием манжеты к поверхности вала, не вызывает
серьезных затруднений, если только частота прихватывания не
совпадает с частотой собственных колебаний манжеты.
В большинстве случаев радиальные контактные уплотнения
работают без сухого трения. Между контактирующими поверх-
ностями уплотнения и вала существует тонкая пленка уплотняе-
мой жидкости, играющая роль смазки. Толщина этой пленки
зависит от целого ряда взаимосвязанных факторов: вязкости
жидкости, контактного давления, температуры, скорости и чи-
стоты обработки поверхности вала.
Никаких попыток определить или объяснить, каким образом
образуется эта пленка, сделано не было, но по аналогии с подшипни-
ками скольжения могут быть установлены некоторые зависимости.
При прочих равных условиях с увеличением контактного давле-
ния толщина смазочной пленки уменьшается. При увеличении
скорости вала возрастает температура жидкости, вязкость
уменьшается, и смазочная пленка становится тоньше. С умень-
шением толщины пленки могут возрасти потери на трение, а сле-
довательно, и температура. Это, в свою очередь, приводит к даль-
нейшему уменьшению толщины пленки, что ускоряет рост темпе-
ратуры и в конечном счете может повлечь за собой выход уплот-
нений из строя.
Отсюда следует, что существует некоторая оптимальная тол-
щина пленки. При небольшом контактном давлении возможно
образование толстой пленки, но появляются утечки жидкости.
23
При плотном контакте возникают чрезмерно высокие темпера-
туры. На практике идеальной пленкой считается пленка такой
толщины, которая достаточна для образования мениска на внеш-
ней стороне уплотнения.
До тех пор пока сохраняется мениск, под уплотняющей ман-
жетой нет никаких утечек.
Выбор уплотнения. Условия эксплуатации определяют как
эффективность, так и срок службы радиальных уплотнений. Наи-
более важными из них являются: окружная скорость вращения
вала, т. е. скорость скольжения, температура в уплотнении,
давление, воздействующее на уплотнение, состояние поверхно-
сти вала, характеристика уплотняемой среды.
Эти факторы связаны между собой. Хотя радиальное уплотне-
ние может удовлетворительно работать, даже если условия ра-
боты по одному или нескольким перечисленным пунктам являются
тяжелыми, все же оно может стать совершенно неработоспособ-
ным, если все эти факторы окажутся неблагоприятными одно-
временно.
Скорость скольжения. Предельно допустимая скорость сколь-
жения для радиальных уплотнений зависит не только от темпе-
ратуры и давления, но также и от конструктивного исполнения.
С увеличением скорости обычно устанавливаются более жесткие
допуски на обработку вала, эксцентрицитет и осевой люфт.
Эксцентрицитет вала вызывает постоянную деформацию уплот-
няющей манжеты и даже при средних скоростях маловероятно,
чтобы без пружины удалось поддерживать непрерывный уплот-
няющий контакт, отсутствие которого приведет к появлению
утечек. Для наиболее тяжелых условий работы часто рекомен-
дуются радиальные уплотнения с поджимными пружинами.
Радиальные уплотнения классифицируются по линейной ско-
рости в м!мин. На фиг. 2 дана номограмма для перевода об/мин
в м/сек. Обычный предел скорости скольжения для кожаных
уплотнений равен 600 м'мин при достаточной смазке. Синтети-
ческие уплотнения часто применяются до 1200 м/мин и выше,
в зависимости от величины давления.
Рабочее давление. Стандартные радиальные уплотнения обычно
не предназначены для предотвращения утечек жидкостей, нахо-
дящихся под давлением. Насосное действие подшипника может
увеличить давление, воздействующее на манжету. В таких слу-
чаях пространство между уплотнением и подшипником вала можно
соединить с полостью основного резервуара, чтобы воспрепят-
ствовать росту давления.
Там, где требуется применение радиальных уплотнений при
давлениях 7—10 ат, употребляются специальные конструкции
(фиг. 3). Такие радиальные уплотнения обычно рассчитаны на
работу при сравнительно низких окружных скоростях скольже-
ния,
24
I
10000
9000
8000
7000
6000
5000
9000
3000
woo
1500
1000-
900-
800 
700 
500-
500
900-
300
об /пин м/сек нм
• - известно
О неизвестно
- 50,0
- 90.:
- зо.о
- 25.0
- 20.0
- 15.0
'- 10,0
? 7.5
5,0
- 9.0
- 3,0
- 2,5
- 2,0
г *5
г 1,0
? 0.75
- 0,50
- 0 90
- 0,30
- 0 25
- 0.20
- 0,15
Г О.ю
i. 0.075
0,050
Окружная скорость, м/сек
100-3-
Vи спо оборотов, об/мин
250 -р.
225--
200 --
175 -'
150 --
125 - -
100 --
75--
50--
25 “
20 -
15 -
10 -
V--
5 -
2Л-1
Диаметр Рапа, мм
Фиг. 2. Номограмма для определения окружной скорости по числу оборотов
и диаметру вала.
25
Диапазон рабочих давлений обычных радиальных уплотне-
ний, как правило, не выходит за пределы 0,01 кГ/см2, особенно
при уплотнении вращающихся деталей. В изображенном уплот-
нении, предназначенном для работы при повышенном давлении,
усилие, возникающее на открытом конце уплотняющего элемента,
почти полностью воспринимается стенкой металлического корпуса,
что позволяет применить такое уплотнение при давлениях до
10 кПсм'1. Предел окружной скорости вала в модели без пружины
равен 750 м/мин. Уплотнения с поджимными пружинами выдер-
живают скорости до 1200 м!мин. Не рекомендуется применять
это уплотнение в условиях, характеризующихся высокими зна-
_______________ чениями и скоростей и давлений.
Пределы по температуре. Тепловыде-
ление в уплотняющей манжете появляется
Лг	за счет трения на рабочих поверхностях
Л /^7/ggjoh	уплотнения и вала, перемешивания масла
/ / / /	и притока тепла от других частей машины.
/ /	/ /	В диапазоне температур от —40 до 120° С
LJ-4J	при непрерывной работе рекомендуется
5)	применять фасонные синтетические эле-
менты. Верхний предел для уплотняющих
Фиг. 3. Радиальное уплот- элементов из кожи составляет около 90° С.
некие:	~ ,
Требования, предъявляемые к поверх-
а - без пружинь б~с пру- ности вала. Чистота и твердость поверхно-
сти вала являются теми факторами, кото-
рые требуют повышенного внимания при решении проблемы уплот-
нения. В прошлом твердость поверхности вала должна была рав-
няться по меньшей мере RС 30 (шкала С). Современные уплотне-
ния удовлетворительно работают на валах из холоднокатаной
стали, но при условии отсутствия каких-либо песчинок и абразив-
ных частиц. Если вал изготовлен из мягких металлов, например
из латуни или алюминия, то рекомендуется напрессовывать на
него стальное закаленное кольцо, образующее рабочую поверхность
уплотнения. Может применяться также и твердое непористое
покрытие хромом при достаточной толщине и хорошем качестве.
Максимальная эффективность и долговечность уплотнения до-
стигаются при гладко обработанной поверхности вала, т. е. при
величине микронеровностей от 0,25 до 0,5 мк. Важное значение
играют направление следов окончательной обработки и шаг об-
разованных ими винтовых линий; желательно проводить оконча
тельное шлифование или полировку с концентрическим располо-
жением следов.
Если на поверхности вала остались следы обработки в виде
винтовых линий, то они должны иметь такое направление, чтобы
рабочая среда увлекалась внутрь.
Более чистая обработка поверхности, чем соответствующая
величине микронеровностей 0,25 мк, не увеличивает срока службы
26
уплотнения; более того, по данным некоторых лабораторий уста-
новлено, что вал, обработанный до очень высокой чистоты поверх-
ности с величиной микронеровностей около 0,05 мк, не может
удерживать масляную пленку, что ведет к преждевременной порче
уплотнения.
Диаметр манжеты. Уменьшая внутренний диаметр манжеты
уплотнения, мы увеличиваем потери на трение по валу и повы-
шаем рабочую температуру. Составы резиновых смесей обладают
тем свойством, что при нагревании увеличивается их растягиваю-
щее напряжение при данной деформации, а при ус сновке на вал
материал манжеты подвергается растяжению. Явление это из-
вестно под названием «эффекта Джоуля».
При определенной критической величине деформации, кото-
рая различна для разных составов, этот эффект исчезает, а при
более низких ее значениях напряжение при нагревании снижается.
Маслоудерживающие уплотнения обычно работают при малых
деформациях.
Уплотняющее давление является сложной функцией от диа-
метрального натяга манжеты, усилия кольцевой пружины, твер-
дости резины и эксцентрицитета вала.
Уплотнительные элементы могут, вообще говоря, быть спроек-
тированы так, что при заданных рабочих условиях они обеспечи-
вают создание на поверхности вала требуемых контактных дав-
лений. Однако в связи с изменением температуры напряжение
в материале меняется и с течением времени ослабевает. Поэтому
для сохранения необходимой нагрузки на вал обычно применяются
пружины. Они могут быть плоскими или кольцевыми-спираль-
ными.
В разных случаях какая-либо из этих двух пружин может
оказаться предпочтительнее другой. Спиральные пружинки, на-
пример, более прочны и надежны, в связи с чем их следует приме-
нять там, где установка уплотнений может выполняться обслу-
живающим персоналом, не имеющим достаточных навыков по об-
ращению с маслоудерживающими уплотнениями. И наоборот,
плоская кольцевая пружина с малой массой и большой поверх-
ностью контакта более чувствительна. Она позволяет выполнить
уплотнительный элемент более легким, что приводит к умень-
шению потерь на трение без снижения эффективности уплотне-
ния. В обычных условиях при правильно смонтированном обору-
довании оба типа пружин работают одинаково хорошо.
Уплотняющие материалы. Нет такого материала, который бы
удовлетворял всем требованиям при различных условиях работы.
Кожа является абсорбирующим материалом и применяется
в самосмазывающихся уплотнениях, которые в течение длитель-
ного времени работают при ограниченном подводе смазки или
вообще без смазки. Вдобавок к этому кожа менее чувствительна
к состоянию поверхности вала, чем синтетические резиновые смеси,
27
п
Фиг. 4. Предельно допустимая величина
эксцентрицитета зависит от окружной
скорости. Смещение манжеты равно рас-
стоянию между осями расточки корпуса
и вала плюс биение и прогиб вала.
периодическое воздействие более
и удовлетворительно работает даже по корродированной поверх-
ности вала или корпуса. Эти факторы позволяют рекомендовать
кожаные уплотнения для применения там, где нельзя организовать
квалифицированный уход за ними или обслуживание их отсут-
ствует совсем. При выборе кожаного уплотнения, разумеется,
должны учитываться предельно допустимые значения рабочих
температур и окружной скорости вала.
Уплотняющие материалы из синтетической резины приме-
няются при скоростях скольжения свыше 600 м/мин, высоких тем-
пературах и значительных
перепадах давлений. Синте-
тические материалы могут
применяться в виде смесей
для обеспечения их полной
непроницаемости в отношении
масел, воды, слабых кислот
и щелочей. При биении и экс-
центрицитете вала синтетиче-
ские уплотнения работают
по сравнению с кожаными
с меньшей вероятностью уте-
чек (фиг. 4). Для синтетиче-
ских уплотнений всегда дол-
жна предусматриваться смаз-
ка, а вал должен иметь вы-
сокую чистоту поверхности,
Нитрильные резины могут
непрерывно работать при тем-
пературах до 120° С, допуская
высоких температур. Подвер-
гаясь в эксплуатации одновременному воздействию воздуха и
смазочного масла при температурах около 150°, нитрильные ре-
зины затвердевают через два-три дня до такой степени, что рас-
трескиваются при сгибании. При низких рабочих температурах
нитрильные резины, как правило, удовлетворительно работают
до —40° С.
Специальные составы на основе нитрильных резин сохраняют
эластичные свойства и при —55° С. При выборе таких материа-
лов следует проявлять осторожность, поскольку нитрильные ре-
зины при хорошей маслостойкости обладают плохой эластичностью
при низких температурах и наоборот. Последние работы в области
создания новых марок нитрильных резин позволяют, однако,
надеяться, что может быть получен материал, сочетающий луч-
шую маслостойкость при высоких температурах, чем известные
сейчас резины, с эластичностью при —55° С.
Уплотнения с манжетой из силиконовой резины эффективно
работают в диапазоне рабочих температур от —55 до 200° С,
28
причем они проявляют наилучшую сопротивляемость воздей-
ствию высоких температур в среде, содержащей кислород. Пол-
ностью погруженные в масло и изолированные от кислорода об-
разцы силиконовых резин размягчаются при высоких темпера-
турах. Принимая во внимание, что уплотнения редко работают
в условиях полного погружения в масло, это не вызывает особо
серьезных опасений. Но манжеты из силиконовых резин требуют
более сложных технологических процессов и тщательного конт-
роля качества продукции.
Полиакрилаты и бутилкаучук обладают такой же высокой
маслостойкостью, как и нитрильные резины, но отличаются тем
преимуществом, что выдерживают температуры до 175° С. С дру-
гой стороны, потеря эластичных свойств наступает у полиакри-
латов уже при —20, у бутилкаучука при —30 С.
Специальные материалы, такие, как витон или тесЬлон, приме-
няются для изготовления уплотняющих элементов лишь в особых
случаях, когда рабочие жидкости не могут быть уплотнены обыч-
ными материалами.
Работа уплотнения без смазки. Не следует требовать от
радиальных уплотнений безупречной работы при отсутствии
смазки в течение значительных периодов времени. Но для того,
чтобы масло достигло уплотнения коленчатого вала, может
потребоваться одна или несколько минут работы двигателя.
Важно, чтобы такое уплотнение работало при сухом трении
без износа или повреждения, а в некоторых случаях и бес-
шумно.
Естественно, не следует рассчитывать уплотнение на работу
без смазки, если только условия его эксплуатации не делают
это абсолютно необходимым. Во всех подобных случаях почти
без исключения рекомендуется применять кожаные уплот-
нения.
Утечки. Утечки через синтетические уплотнения обычно ниже,
чем через кожаные манжеты. Очень часто удается получить абсо-
лютную герметичность. Около 80% синтетических уплотнений
имеют утечки в размере 0,002 г/ч или около одной капли за 11 ч.
Эту утечку трудно измерить и она на практике редко кого тре-
вожит. Около 15% уплотнений работают с утечками от 0,002 до
0,1 г/ч, которые во многих случаях считаются предельными. Лишь
немногие синтетические уплотнения имеют утечки более 0,1 г/ч,
кроме случаев, связанных с дефектами, неправильным примене-
нием или неудачным выбором типа уплотнения.
Корпус. Конструкция корпуса, в котором монтируется радиаль-
ное уплотнение, оказывает существенное влияние на правильность
его установки. Он должен быть достаточно прочным и жестким,
чтобы выдержать прессовую посадку по наружному диаметру
радиального уплотнения. Два типа рекомендуемой конструкции
корпуса и вала показаны на фиг. 5.
29
Типы. Для осуществления маслонепроницаемой прессовой
посадки расточка корпуса должна иметь фаски и быть обработана
не грубее, чем с чистотой поверхности, соответствующей средней
квадратичной величине микронеровностей равной 3 мк, причем
допуски должны быть выдержаны в соответствии с табл. 4. Если
такая обработка неосуществима, то для получения плотного сое-
Фиг. 5. Рекомендуемые конструкции корпуса подшипника. Радиальное
уплотнение:
а — отдельный узел уплотнения; б — установка уплотнения на длинный вал; 1 — на-
жимная втулка с наружным диаметром, на 0,25 — 0,38 мм меньшим, чем диаметр расточки
корпуса для запрессовки уплотнения в корпусе; 2 — заплечик расточки корпуса для
правильной фиксации уплотнения; 3 — фланцевое соединение между корпусами уплот-
нения и агрегата, уплотняемое прокладками или эластичными замазками для предотвраще-
ния утечек через стыки; 4 — центрирующая втулка корпуса уплотнения, обеспечивающая
концентричность; 5 — рабочая поверхность уплотнения с чистотой обработки, соответ-
ствующей среднеквадратичной величине микронеровностей от 0,1 до 0,5 мк, свободная от
борозд, царапин и заусенцев, что ограничивает утечки и предохраняет манжету от пов
реждений; 6 — фаска под 30°, переходящая а рабочую поверхность, свободная от борозд,
царапин и заусенцев для разведения манжеты на диаметр вала без ее повреждения; 7 —
зазор между подшипником и уплотнением для уменьшения ударного воздействия струек
масла на манжету; 8 — прорезь в центрирующей втулке корпуса уплотнения напротив
дренажного отверстия; 9 — дренажное отверстие, предотвращающее повышение давления;
10 — фаска на внешнем корпусе, облегчающая установку уплотнения; 11 — зазор между
манжетой и шлицевым (шпоночным) участком вала для избежания ее повреждения; 12 —
нажимная втулка с диаметром большим, чем расточка корпуса, и монтажным пояском для
запрессовки уплотнения*, 13 —торцовая поверхность, перпендикулярная к оси вала, для
обеспечения правильной установки уплотнения; 14 — поясок для раскрытия манжеты и
предотвращения ее порчи от контакта со шлицами, шпонками или плечиками вала при
установке; 15 — рабочая поверхность уплотнения с чистотой обработки, соответствую-
щей среднеквадратичной величине микронеровностей от 0,1 до 0,5 мк, свободная от борозд,
царапин и заусенцев, что позволяет исключить утечки и повреждение манжеты; 1-6 — зазор
между подшипником и уплотнением для уменьшения ударного воздействия струек масла
на манжету; 17 — дренажное отверстие, предотвращающее повышение давления.
динения манжеты с корпусом могут быть использованы армиро-
ванные металлом уплотнения, имеющие покрытие из пластика
по наружному диаметру. Для тех же самых целей при монтаже
уплотнения можно использовать цемент.
Эксцентрицитет. Точная обработка корпуса существенно
уменьшает вероятность появления эксцентрицитета. На эффек-
тивность уплотнения оказывают влияние два вида эксцентрици-
тета, статический и динамический (биение). Статический экс-
центрицитет — это разность радиусов вала и отверстия. Он не
30
изменяется при вращении вала. Динамический эксцентрицитет
является величиной смещения действительной оси вращающегося
вала относительно оси отверстия.
Возможность удовлетворительной работы уплотнения при на-
личии эксцентрицитета в основном определяется эластичными
свойствами уплотняющего элемента. Уплотнения с поджимными
пружинами могут удовлетворительно работать при эксцентрици-
тетах, указанных в табл. 4.
Тепловыделение. Следует учи-
тывать величину теплового рас-
ширения армирующего корпуса.
Металлические арматуры ра-
диальных уплотнений общего
назначения изготовляются из
малоуглеродистых сталей. Для
повышения антикоррозионной
стойкости они могут быть выпол-
нены также из нержавеющей
стали, латуни, алюминия, кад-
мированных или оцинкованных
металлов. В ряде случаев выбор
материала обусловлен необхо-
димостью добиться соответствия
Таблица 4
Рекомендуемые допуски на размеры
(в мм)
Диаметр	Вал	Расточка корпуса
До 76	+ 0,076	+ 0,025
От 76 до 152	±0,127	+ 0,038
От 152 до 254	+ 0,127	±0,051
От 254 до 508	+ 0,25	4-0,051-0,1
между температурными дефор-
мациями арматуры и наружного корпуса.
Рабочее давление. Конструкция корпуса должна свести до
минимума то давление жидкости, которое воздействует на уплот-
нение. Давление может возникнуть в результате теплового рас-
ширения смазки или воздуха внутри закрытого корпуса или от
масляного тумана, образуемого при работе зубчатой или червяч-
ной пары. Скопление утечки смазки в подшипниках скольжения
и турбулизация масла, возникающая в антифрикционных опо-
рах, также могут способствовать росту давления. Избыток смазки
в этих случаях еще более ухудшает положение.
Соединение внутренней полости корпуса с атмосферой пред-
отвращает рост давления вследствие теплового расширения.
Вредное воздействие на уплотнение динамического напора струй
масла внутри корпуса может быть устранено на стадии проекти-
рования введением специальных элементов, например отража-
телей или маслосбрасывающих гребней, предотвращающих пря-
мое попадание на манжету потока масла.
Установка уплотнения. Выем манжеты из корпуса следует
производить лишь в случае необходимости замены, поскольку
очень трудно снять и вновь установить уплотнение, не повредив
его. Некоторые радиальные уплотнения крепятся к корпусу
подшипника болтами, чем обеспечивается наилучший способ смены
уплотнения без повреждения вала или корпуса. Для съема уп-
лотнения могут применяться винторезные болты, вставляемые
31
s Диаметрально-противоположные отверстия, просверленные
в корпусе.
Возможные неисправности. Табл. 5 содержит перечень неко-
торых из наиболее часто встречающихся неисправностей радиаль-
ных уплотнений с указанием мер по их устранению.
Таблица 5
Возможные неисправности радиальных уплотнений
Дефекты	Причины	Устра пение
1. Утечки	। Борозды, разрезы или вырывы манжеты Борозды или цара- пины на поверхности вала	Смотри «Дефекты» п. 2 Обработать поверхность ва- ла до чистоты, соответствую- щей среднеквадратичной ве- личине	микронеровностей 0,5 мк. или чище. Защитить поверхность после обработки
	Спиральные следы обработки на поверх- ности вала	Шлифовать вал в направле- нии оси
	Прогиб или биение вала	Точно обработать корпуса и втулки-вкладыши. Обеспе- чить качественные подшип- ники. Разместить уплотнение ближе к опорам вала
	Перекос уплотнения	Применить правильные монтажные приспособления и способ установки уплотне- ния для обеспечения его пер- пендикулярности с осью вала
	Слабый обжим вала	Проверить размеры вала и уплотнения
	Чрезмерная пропитка уплотнения маслом пе- ред установкой	Уменьшить	количество смазки на валу или манжете перед монтажом
	Повреждена пружина Поврежден корпус Уплотняющая за- мазка на манжете или валу	См. «Дефекты» п. 7 См. «Дефекты» п. 6 Улучшить расточку кор- пуса, чтобы снизить потреб- ность в такой замазке, приме- нять уплотнения с покрытием из пластика, быть более акку- ратным в применении замазки для уплотнения по наружному диаметру
	Подвертывание ман- жеты	См. «Дефекты» п. 8
32
Продолжение табл. 5
Дефекты	Причины	Устранение i
1. Утечки	Краска на валу или манжете	Защитить уплотнение и вы- ступающий вал перед ок- \ раской	;
2. Борозды, порезы или вы- рывы манжеты	Грубая поверхность вала	Удалить все заусенцы и ос- трые края с рабочей поверх- ности уплотнения вала	1
	Шпонки, шлицы или острые заплечики	При установке применить правильные	приспособле- ния, чтобы защитить манжету от повреждения
	Грубое обращение	При хранении и перевозке | держать уплотнения в упако- ванном виде. Обращаться, как с антифрикционными под- шипниками
3. Чрезмерный износ или затвер- девание манжеты	Давление	Соединить с атмосферой внутреннюю полость корпуса 1 и дренажным отверстием ка- меру уплотнения с полостью главного корпуса агрегата
	Слишком плотная посадка на вал	Проверить размеры вала и уплотнения
	Отсутствие смазки	Обеспечить смазку уплот- нения 1
	Грубая	обработка поверхности вала	Обработать поверхность ва- | ла до чистоты, соответствую- 1 щей среднеквадратичной ве- личине	микронеровностей 0,5 мк или чище
4. Износ вала	Абразивные частицы 1	Очистить детали перед сбор- кой. Уменьшить количество смазки на валу и в уплотнении перед установкой последнего. При работе в условиях загряз- ненной среды применять уп- лотнения со вспомогательной пылезащитной кромкой и валы, закаленные до твер- дости минимум RC 30
33
3 Дж. А. Паркс и др.
Продолжение табл. 5
Дефекты	Причины	Устранение
5. Задиры на уплотнении по на- ружному диа- метру	Грубая обработка	Обработать расточку кор- пуса до чистоты, соответствую- щей среднеквадратичной ве- личине	микронеровностей 3 мк или чище
	Острая кромка на расточке корпуса	Снять фаску на расточке корпуса, притупить острые кромки
	Уменьшенный диа- метр расточки	Проверить размеры
6. Поврежден корпус уплотне- ния	Неправильный мон- таж	Применить правильные монтажные приспособления и способ установки уплот- нения, чтобы обеспечить рав- номерное распределение уси- лия запрессовки
	Очень грубое обра- щение	Защитить уплотнения при хранении и перевозках
7. Повреждена пружина	Неправильный мон- таж	Применить	правильные монтажные приспособления и способ установки уплотне- ния, чтобы избежать необходи- мости растягивать пружину при монтаже
	Грубое обращение	Защитить уплотнение при хранении и перевозках
8. Подвертыва- ние манжеты	Грубая поверхность фаски	Обработать фаску до чисто- ты, соответствующей средне- квадратичной величине мик- ронеровностей 0,8 мк или чи- ще с плавным переходом к диа- метру вала
	Крутая фаска	Максимальный угол фаски по отношению к поверх- ности вала 30°
	Небрежное обраще- ние	Применить	правильные монтажные приспособления и способ установки уплотне- ния, чтобы сохранить правиль- ное положение манжеты при монтаже
34
ГЛАВА 4
ЗАЩИТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
(Robert О. Isenbarger)
Фиг. 1. Радиальное защитное уплотнение:
/ — корпус; 2 — расточка; 3 — контактное
давление; 4 — уплотняющая кромка; 5 —вы-
сота язычка манжеты; 6 — язычок манжеты;
7—канавка в корпусе; 3 — зазор; 9—поверх-
ность контакта; 10—ширина полоски контакта.
исключением случаев эксплуатации
Защитные уплотнения применяются для предотвращения по-
падания в подвижные детали машин посторонних частиц. Такая
защита необходима, ибо посторонние частицы загрязняют смазку
и ускоряют износ и коррозию. Неподвижные соединения легко
уплотняются плотными по-
садками и прокладками. Зна-
чительно труднее выполнить
уплотнение между деталями,
совершающими перемещения
относительно друг друга, та-
кими, как корпус и вал.
Иногда уплотнения, спро-
ектированные только для
удержания рабочей среды,
используются одновременно
и по своему прямому назна-
чению, и в качестве пылеза-
щитных. Как правило, этого
делать не рекомендуется, за
в условиях слабой загрязненности окружающей среды. Гермети-
зирующие уплотнения обычно плохо справляются с функциями
пылезащитных устройств и повреждаются при наличии даже ма-
лых количеств абразивных частиц. Защитные уплотнения можно
разбить на четыре основных группы: манжетные скребковые
уплотнения, металлические скребковые уплотнения, осевые защит-
ные уплотнения, меха и рукава.
На фиг. 1 схематично представлено широко распространен-
ное радиальное защитное уплотнение. Оно закрепляется в кор-
пусе и имеет уплотняющий контакт с движущимся валом. Уста-
навливается с внешней стороны узлов и механизмов, которые оно
защищает. В зависимости от конструкции уплотнение крепится
запрессовкой в расточку корпуса машины или удерживается
фланцами, пружинными кольцами и другими средствами.
3*	35
Манжетные скребковые уплотнения. Защитные уплотнения из
кожи, синтетической резины или аналогичных материалов,
устанавливаемые на валы с возвратно-поступательным движе-
нием, обычно называют скребковыми манжетными уплотнениями.
Многие из них можно применять и для герметизации вращаю-
щихся валов. И в самом деле, эти уплотнения весьма сходны
с обычными маслоудерживающими манжетными уплотнениями.
В данной статье защитные уплотнения такого типа классифици-
руются как скребковые (табл. 1). Рабочий элемент или язычок
манжеты (фиг. 1) несколько вытянут в осевом направлении кна-
ружи и контактирует с рабочей поверхностью вала.
Фиг. 2. Возможные случаи отказа в работе манжеты защитного уплотнения:
а — правильная работа; б — зазор слишком мал; в — недостаточное контактное давление;
г — слишком велик угол уплотняющей кромки; 1 — неисправность, вызванная подверты-
ванием уплотняющей кромки.
Для поддержания контакта между уплотняющей'кромкой и
поверхностью вала должно быть создано достаточное контактное
давление, что достигается изгибом или консольным расположе-
нием кромки манжеты или же с помощью вспомогательных пру-
жин. Если высота язычка больше, чем ширина контактной по-
лосы, как показано на фиг. 1, то, поскольку возможны биения
вала, необходимо предусмотреть зазор между остальной частью
манжеты и поверхностью вала.
Правильная конструкция манжеты позволяет просачиваться
под уплотняющую кромку тонкой пленке удерживаемой жидко-
сти, которая выполняет роль смазки. Однако уплотняющая кромка
скребкового уплотнения должна представлять собой непрони-
цаемую преграду для любых материалов, так как уплотняемая
среда лишь в редких случаях обладает смазочными свойствами,
а зачастую является абразивом. Основное требование к конструк-
ции язычка манжеты заключается в обеспечении плотного его
контакта с поверхностью вала.
Внутренний диаметр кромки (фиг. 2) несколько меньше, чем
наружный диаметр вала. Следовательно, в рабочем состоянии
язычок манжеты растянут и отогнут в радиальном направлении.
36
Таблица 1
Типы манжетных скребковых защитных уплотнений
Скребковое защитное уплотнение с одной манжетой.
Применяется на валах с вращательным и возвратно-пос-
тупательным движением. Может быть запрессовано в рас-
точку корпуса машины, если гарантируется непровора-
чиваемость манжеты. Если уплотняемой средой является
жидкость, то при монтаже уплотнения следует убедиться
в том, что запрессовка обеспечивает достаточную гер-
метичность. Может иметь отдельный металлический
или армированный корпус. Предназначается для легких
и средних условий работы
Скребковое защитное уплотнение с одной двусторонней
манжетой, смонтированное в канавке корпуса. Приме-
няется на валах с возвратно-поступательным движением.
Уплотняет в обоих направлениях. Верхний язычок иг-
рает роль защитного уплотнения, а нижний предотвраща-
ет утечки жидкости, находящейся внутри механизма (при
невысоких давлениях). Повышенные давления приводят
к выдавливанию защитной манжеты. В этом случае следует
дополнительно устанавливать отдельное герметизирую-
щее уплотнение. Если в пространстве между герметизи-
рующим и защитным уплотнениями возможен рост давле-
ния из-за протечек через первое из них, то необходимо пре-
дусмотреть дренажное отверстие
Скребковое защитное уплотнение с одной манжетой,
установленное в канавке корпуса. Применяется на ва-
лах с возвратно-поступательным движением. Манжета
имеет форму кольца или изготовляется в виде бруска
определенной длины, который затем закладывается в ка-
навку корпуса с образованием стыкового соединения
торцов. По возможности следует избегать стыковых сое-
динений, отдавая предпочтение кольцевым манжетам.
Так как при сворачивании прямого бруска в кольцо проис-
ходит деформация его сечения, то поперечное сечение
бруска должно быть небольшим по сравнению с диаметром
вала
Скребковое защитное уплотнение с одной манжетой и
поджимной плоской пружиной, установленное в метал-
лическом корпусе. Применяется на валах с вращательным
и возвратно-поступательным движением при тяжелых
условиях работы. Пружина обеспечивает повышенное кон-
тактное давление
37
Продолжение табл. 1
Скребковое защитное уплотнение с одной манжетой и
поджимной пружиной, установленное в металлическом
корпусе. Применяется на валах с вращательным и воз-
вратно-поступательным движением. Спиральная коль-
цевая пружина увеличивает контактное давление, а кольцо
из мягкой резины предохраняет пружину от воздействия
внешней среды. Предназначается для использования в
тяжелых условиях работы при сильной загрязненности
внешней среды
Скребковое защитное уплотнение с самоформирующим-
ся язычком. Образование язычка происходит при мон-
таже уплотнения на вал. Применяется на валах с враща-
тельным и возвратно-поступательным движением в усло-
виях слабой загрязненности внешней среды и при неболь-
ших биениях вала. В качестве уплотнительного материа-
ла часто используют кожу, особенно в тех случаях, когда
эпизодичность смазки и абразивное воздействие поверх-
ности вала приводят к более быстрому износу манжет из
синтетических материалов
Скребковое защитное уплотнение с самоформирую-
щимся язычком предназначается для установки на вра-
щающиеся валы в условиях небольшой загрязненности
внешней среды. Внутренний диаметр манжеты лишь
немного меньше наружного диаметра вала во избежание
чрезмерного трения. Чаще всего используется войлок,
способный впитывать масло, имеющий низкий коэффи-
циент трения. Так как вдоль поверхности вала материал
манжеты расплющивается незначительно, то и величина
образующегося язычка мала. Слишком большое биение ва-
ла приводит к отставанию манжеты. Наибольшее кон-
тактное усилие действует по центру рабочей поверхности
уплотнения, где материал сжат в радиальном направлении
между валом и корпусом. Низкое контактное давление
на уплотняющей кромке делает рабочую поверхность уп-
лотнения доступной для посторонних частиц
Скребковое защитное уплотнение с самоформирую-
щимся язычком для установки на вращающиеся валы.
Обычно поставляются в металлическом корпусе под за-
। прессовку. Тонкие уплотнительные элементы могут поста-
। вляться отдельно и монтироваться в корпусе машины раз-
I личным способом. Для большей эффективности ставят
по нескольку манжет в ряд. Эти уплотнения применяются
в качестве пыле- и грязезащитных на вращающихся ва-
лах при невысоких числах оборотов. Если уплотнение
набрано из нескольких манжет, то избытки консистентной
смазки, закладываемой в подшипники, выдавливаются
в пространства между манжетами и смазывают рабочие
поверхности. В тех случаях, когда имеется возможность
применить такие антифрикционные уплотнительные ма-
териалы, как тефлон, уплотнение может работать при бо-
лее высоких скоростях вала
38
Этого, как правило, достаточно для создания требуемой величины
контактного давления, но иногда используют пружины. Если кон-
тактное давление недостаточно, то частички поступающего извне
материала могут оторвать уплотняющую кромку от поверхности
вала. Отрыв манжеты от вала даже на очень малое расстояние по-
зволяет инородным частицам проникнуть к рабочей поверхности
уплотнения. Достаточно этому случиться один раз, чтобы уплот-
нение через некоторое время вышло из строя. Проникающие
в уплотнение частицы образуют на поверхности вала царапины
или задиры и изнашивают манжету, как это показано на фиг. 2.
Для того чтобы преодолеть сопротивление инородных частиц,
язычок манжеты делается коротким и жестким, особенно для ва-
лов с возвратно-поступательным движением. В то же время ман-
жета должна быть достаточно эластичной, чтобы сохранять плот-
ный контакт даже при биениях вала. Если зазор меньше, чем экс-
центрицитет, то материал у основания манжеты будет сжиматься,
что приводит к чрезмерному трению и износу.
Угол А уплотняющей кромки следует выбирать близким к 90°,
а ширина контактной полосы должна выбираться с таким расче-
том, чтобы уплотняющая кромка была подкреплена достаточным
количеством материала манжеты, иначе уплотняющая кромка
может быть отогнута назад (подвертывание манжеты) под усилием,
создаваемым посторонними частицами внешней среды.
Эти принципы конструирования манжеты установлены для
скребковых уплотнений, работающих в сравнительно сложных
условиях эксплуатации. Некоторые из обычных типов уплотне-
ний имеют отступления от них, что объясняется более благоприят-
ными условиями работы.
Материалы манжетных скребковых уплотнений. Материалом
манжеты обычно служит кожа или синтетическая резина. Кожа
хорошо противостоит воздействию абразивных частиц и обладает
низким коэффициентом трения. Одним из важных свойств кожи
является способность поглощать смазку и выделять ее при ра-
боте по мере необходимости. Из-за своей пористости кожа часто
подвергается предварительной пропитке, чтобы она могла уплот-
нять жидкости, сохраняя при этом свойство самосмазывания.
Кожа в большей степени, чем синтетическая резина, склонна
к полированию поверхности вала. Однако это свойство материала
может привести к сокращению срока службы уплотнения. Кожа
сохраняет свои свойства в среде масел, а также в таких средах
как хлорированные растворители. Не рекомендуется приме-
нять ее для работы с большинством кислот и щелочей. Кожа
выдерживает температуры до 90° С и эффективно работает при
низких температурах (в зависимости от того, что было использо-
вано для ее предварительной пропитки).
Синтетическая резина, применяемая для скребковых уплотне-
ний, должна быть жесткой и стойкой по отношению к воздействию
39
абразивов. Трердость резины принимают равной от 75 до 90 по
твердомеру Шора. Материал манжеты должен быть стойким по
отношению ко всем средам, воздействию которых он подвергается
при эксплуатации, и синтетические материалы удовлетворяют
этому требованию в отношении большинства жидкостей. Обыч-
ные синтетические материалы применяются от —55 до 120е С.
Некоторые из них выдерживают до 175° С, но обладают плохими
характеристиками при низких температурах. Силиконовая ре-
зина сохраняет эластичность до —90° С и теплостойка до 260
при продолжительной и до 370° С при кратковременной работе.
При уплотнении жидкостей силиконовая резина применяется
до 150—200 С. Однако силиконовая резина обладает не столь
высокой стойкостью по отношению к воздействию абразивных
частиц, как некоторые другие синтетические материалы.
Металлические скребковые уплотнения. Защитные уплотнения
с металлическим уплотняющим элементом называют металличе-
скими скребковыми уплотнениями. Они применяются в тех слу-
чаях, когда уплотнение должно соскребать с поверхности вала,
совершающего возвратно-поступательное движение, тяжелые или
крепко пристающие частицы. Иногда непосредственно за метал-
лическим скребковым устанавливается манжетное защитное уплот-
нение для задержания тех мельчайших частиц или капель жид-
кости, которым удалось преодолеть первый заслон. При движении
вала навстречу металлическому скребковому уплотнению острая
уплотняющая кромка удаляет с поверхности вала все имеющиеся
иа ней посторонние частицы. Уплотняющая кромка всегда под-
держивается в остром состоянии благодаря затачивающему воз-
действию вала, который проходит через скребковый конус. Кон-
тактное давление, необходимое для поддержания кромки в плот-
ном контакте с поверхностью вала, создается благодаря пружи-
нящим свойствам уплотняющего элемента или установкой вспо-
могательных пружин.
В основном существуют два основных типа скребковых метал-
лических уплотнений: скребковые конусы (табл. 2) и скребковые
кольца (табл. 3).
Скребковые конусы имеют острую режущую кромку, которая
подрезает и поднимаете поверхности вала все посторонние частицы.
Скребковые кольца имеют плоскую переднюю грань шириной от
0,8 до 1,6 мм в зависимости от величины диаметра вала. Кольцо
создает несколько большее сопротивление движению вала, чем
конус, но зато уплотняющая кромка с углом в 85° обладает зна-
чительной жесткостью и прочностью. Для валов с небольшими
диаметрами поперечное сечение скребкового кольца укладывается
в квадрат со стороной в 3 мм.
Материал скребковых элементов должен быть стойким по от-
ношению к ударному и абразивному воздействию материальных
частиц, плотно пристающих к поверхности вала. Он не должен
40
Таблица 2
Скребковые конусы
Комбинированное скребковое уплотнение. Внешний
скребковый элемент выполнен в виде тонкостенного ко-
нуса с отбортовкой, которая со скользящей посадкой вхо-
дит в паз между двумя мягкими кольцами, благодаря че-
му скребковый конус допускает биения вала. Внутренний
диаметр уплотняющей кромки несколько меньше, чем на-
ружный диаметр вала. Скребковая манжета задерживает
мелкие частички или пленку жидкости, которым уда-
лось преодолеть первый барьер (скребковый конус). Скреб-
ковые конус и манжета заключены в общий корпус, мон-
тируемый в неподвижной детали машины запрессовкой
в расточку
Два скребковых конуса защитного уплотнения устано-
влены вместе. Каждый конус имеет три или более прорези,
которые обеспечивают создание необходимого контактно-
го давления, аналогичного плоской пружине. Прорези
одного конуса перекрываются сплошными участками
другого, чтобы предотвратить проникновение через них
частиц из внешней среды. Резиновое кольцо на конусах
поглощает биение вала и фиксирует положение скребко-
вых конусов
Металлические скребковые кольца
Таблица 3
	Сжатое упругое скребковое кольцо с одной прорезью крепится в корпусе машины стопорным кольцом. Такое крепление скребкового кольца допускает биение вала
	Скребковое кольцо с канавкой под волнистую кольце- вую пружину для увеличения контактного давления. Иногда, чтобы защитить пружину от загрязнения, канав- ку под нее делают закрытой со стороны наружного диа- метра
Разрезное скребковое кольцо с канавкой для двух раз-
резных поджимных пружин. Допускает биения вала и вы-
бирает зазор, появляющийся от износа. Разрезы пружин
и кольцо смещены относительно друг друга, что обеспечи-
вает требуемое контактное давление по всему периметр у
уплотнения
Скребковое защитное уплотнение с двумя металличе-
скими разрезными кольцами в обойме из синтетической
резины. Допускает биения вала. Разрезы колец смещены
относительно друг друга, чтобы обеспечить контактное
давление по всему периметру
41
Фиг. 3. Осевое защитное
уплотнение с уплотнительным
элементом из мягкого мате-
риала (является типичным
для гусеничных катков трак-
торов):
1 — невращающееся уплотни-
тельное кольцо; 2 — каток;
3 — диафрагма; 4 — штифты;
5 — О-образное кольцо; 6 — вал.
корродировать под влиянием тех жидкостей и твердых веществ,
с которыми соприкасается при работе. Для поддержания уплот-
няющей кромки в плотном контакте с поверхностью вала тре-
буются значительные контактные давления. Если при работе уплот-
нения смазка недостаточна или она отсутствует вообще, то ма-
териал скребкового элемента должен обладать низким коэффи-
циентом трения по валу и не образовывать на его поверхности за-
диров. Если контактное давление создается за счет деформации
самого уплотняющего элемента, его следует изготавливать из
материала с хорошими пружинными свойствами. Обычно для из-
готовления скребковых колец и кону-
сов используются медные сплавы, та-
кие, как кремниевые, алюминиевые и
марганцовистые бронзы, бериллиевая
бронза и латунь. Когда необходима
стойкость по отношению к коррозии
в соленой воде, применяются кадмиевые
или другие покрытия.
Осевые защитные уплотнения. Осе-
вые уплотнения создают усилие в осе-
вом направлении для поддержания
уплотняющего контакта между двумя
плоскими поверхностями, имеющими
относительно друг друга вращательное
движение. Почти все осевые уплотне-
ния способны в какой-то мере играть
роль защитных устройств. Здесь рас-
сматриваются лишь те из них, для кото-
рых выполнение защитных функций служит основным назна-
чением.
Одной из наиболее важных областей применения таких уплот-
нений являются узлы сельскохозяйственных и землеройных ма-
шин, где защита от грязи и пыли представляет весьма серьезную
проблему. В этих условиях грязезащитные уплотнения выполняют
и роль маслоудерживающих. При этом потеря некоторого коли-
чества смазки менее серьезна, чем попадание внутрь машины
даже очень немногих инородных частиц. Типичными осевыми за-
щитными уплотнениями являются те, которые применяются для
защиты подшипников гусеничных катков тракторов.
Защитное уплотнение, показанное на фиг. 3, имеет одну ра-
бочую поверхность из мягкого уплотнительного материала с низ-
ким коэффициентом трения, обычно кожи.
Уплотнение состоит из двух отлитых под давлением деталей,
соединенных между собой упругой кольцевой диафрагмой. Одна
из них закреплена штифтами в крышке, которая, как и ось,
является неподвижной деталью. Вторая деталь, к которой при-
клеена кожаная уплотняющая прокладка, связана с первой та-
42
Фиг. 4. Осевое защитное
уплотнение с уплотнитель-
ными элементами из твер-
дых материалов:
/ — вращающееся кольце;
2 — упругая диафрагма;
3 — стопор; 4 — вал.
ким образом, что она имеет возможность совершать перемещения
в осевом направлении, но не может вращаться. Четыре или более
пружины создают усилие, прижимающее неподвижную поверх-
ность уплотнения к плоскому торцу катка, вращающемуся
на оси.
Подшипники (не показаны) расположены внутри катка. О-об-
разное кольцо уплотняет зазор между защитным уплотнением
и валом. Рабочая поверхность уплотнения и поверхность катка
(обычно стальные) должны быть плоскими, чтобы под давлением
пружин образовывался плотный контакт.
Обе рабочие поверхности осевого защитного уплотнения, изо-
браженного на фиг. 4, выполнены твердыми. Такие уплотнения
более эффективны, но и более дороги.
Два твердых металлических кольца,
притертых до предельной неплотности
в 0,8 мк, составляют трущуюся пару.
В качестве материала колец могут быть
взяты различные легированные стали и
другие кованые, литые или металлокера-
мические материалы. Одно из колец мон-
тируется через прокладки на вращаю-
щейся детали и фиксируется штифтами.
Другое кольцо соединяется упругой коль-
цевой диафрагмой с корпусом уплотне-
ния, который запрессовывается в расточку
неподвижного корпуса подшипника. Че-
тыре или более пружины создают осевое
усилие, обеспечивающее контактное дав-
ление.
Корпус уплотнения имеет стопор уплотнительного кольца,
который сохраняет ему свободу перемещения в осевом направле-
нии, но не позволяет проворачиваться.
Меха и рукава. Поскольку меха и рукава применяются с целью
предотвратить попадание в механизмы посторонних предметов
и грязи, они могут быть названы также защитными уплотнениями.
Защитные меха и рукава отличаются от других уплотнений от-
сутствием трущихся поверхностей. Свобода перемещений деталей
уплотняемого механизма обеспечивается эластичностью рукава
или мехов. Их форма зависит от конструкции механизмов, на
которых они устанавливаются, таких, как шаровые шарнирные
соединения, универсальные шарниры, рычаги переключения и
петли. Меха и рукава сшиваются из кожи или изготовляются
в пресс-формах из синтетической резины. На фиг. 5 показаны шаро-
вые шарнирные соединения, защищенные рукавами из кожи и из
синтетической резины.
Самым распространенным типом защитных рукавов являются
гармоники, которые используются в основном для уплотнения
43
валов с возвратно-поступательными движениями (фиг. 6). Сши-
ваемые гармоники набираются из дисков, вырезанных из кожи
или из тканей, пропитанных синтетическими смолами. При дви-
жении вала гармоника периодически растягивается и склады-
вается.
Длина хода мехов определяется числом и радиальными разме-
рами складок. Вид гофров формованных мехов также влияет на
величину хода. Неплотность швов сшитых мехов обычно обеспе-
чивает нормальное «дыхание», необходимость которого вызывается
изменением их внутреннего объема. Меха достаточно плотны и
не пропускают пыль и влагу, например, дождь. У формован-
Фиг. 5. Шаровое шарнирное соединение	а)	б)
защищено рукавом, сшитым из кожи
или изготовленным из синтетической Фиг. 6. Вал, защищенный гармоникой:
резины:
а — из кожи; о—из синтетического мате-
а — кожа; 6 — синтетическая резина.	риала.
ных мехов в тех случаях, когда изменение' внутреннего объема
при работе велико, также предусматриваются вентиляционные
отверстия с фильтрующей сеткой.
Выбор защитных уплотнений. Для большинства встречающихся
в практике условий изготовляются стандартные защитные уплот-
нения. Иногда может оказаться необходимым спроектировать спе-
циальное уплотнение. Решая вопрос о выборе того или иного
типа уплотнения, целесообразно рассматривать условия, в ко-
торых они будут работать. Среда, от которой предохраняется сое-
динение, является наиболее важным фактором. Самая распростра-
ненная из газообразных сред — это воздух и водяные пары, со-
держащиеся в нем. Из жидкостей чаще всего это вода. Грязь,
пыль и загрязняющие воздух примеси образуют обширный ряд
зачастую абразивных сред. Большие трудности могут вызвать
некоторые полужидкие вещества, такие, как смола, обладающие
свойством прилипания.
Тип движения в уплотняемом соединении в ряде случаев
является вторым по важности фактором при выборе защитного
44
уплотнения. Вращение и поступательное движение всегда сопро-
вождаются малыми перемещениями деталей, что усложняет про-
блему уплотнения. В обоих случаях могут наблюдаться и не-
большие биения вала и эксцентрицитет. Некоторое переме-
щение в осевом направлении имеется у вращающихся валов.
Частая перемена направления вращения или угловые колебания
могут причинять дополнительные трудности. Следует обратить
внимание на то, является ли движение непрерывным или проис-
ходит с остановками и сколь длительными бывают простои меха-
низма.
Смазка уплотняющей кромки защитного уплотнения нередко
производится лишь эпизодически. На валах с возвратно-посту-
пательным движением тонкая масляная пленка, оставляемая
маслоудерживающим уплотнением, бывает достаточной, чтобы пре-
дотвратить чрезмерный износ и механические повреждения поверх-
ности уплотняющей кромки скребкового уплотнения, слишком же
толстая пленка будет удаляться с поверхности вала скребковым
элементом. При установке защитного уплотнения на вращаю-
щихся валах смазка его зависит от утечек через маслоудерживаю-
щее уплотнение. При монтаже между уплотнениями рекомендуется
закладывать некоторое количество консистентной смазки. В за-
висимости от применения и типа защитного уплотнения иногда
следует организовать его периодическую смазку.
Линейная скорость возвратно-поступательного движения ва-
лов вызывает затруднения лишь при высоких ее значениях. Окруж-
ная скорость вращающихся валов обычно более высокая, а по-
верхность контакта небольшая, поэтому у вращающихся валов
наблюдаются большие тепловыделения, чем у валов с возвратно-
поступательным движением.
Температура в защитном уплотнении редко поднимается до
высоких значений, так как оно размещается снаружи агрегатов
и механизмов машин, где тепло быстро рассеивается. Бывают и
некоторые исключения, когда защитное уплотнение подвергается
воздействию высокой температуры окружающей среды.
Перепад давлений на уплотняющей кромке обычно невелик,
кроме редких случаев, где внешнее давление больше внутреннего.
При превышении внешнего давления над внутренним на 0,7—
1,0 ат может потребоваться специальная конструкция манжеты.
При наличии внутри установки вакуума такая конструкция защит-
ного уплотнения предотвращает попадание в установку воздуха
и других сред.
Состояние поверхности вала оказывает большое влияние на
долговечность и эффективность работы уплотнения, и в противо-
положность другим факторам это состояние может быть заранее
задано конструктором. Рекомендуется производить обработку
вала до чистоты поверхности, соответствующей средней величине
микронеровностей, равной 0,4—0,5 мк.
45
Слишком чисто обработанная поверхность не сможет удер-
живать устойчивую масляную пленку, необходимую для смазки
уплотняющей кромки, особенно в тех случаях, когда материал
вала не обладает пористостью. Для удаления острых микронеров-
ностей, которые могут сыграть роль абразива, целесообразно по-
лировать шлифованные поверхности. Чтобы на поверхности вра-
щающихся валов не появлялось канавок и бороздок у валов
с возвратно-поступательным движением, рекомендуется приме-
нять вязкий нехрупкий материал с твердостью RC 50—60. Лучшим
материалом в контакте с защитным уплотнением является сталь,
но если вал должен быть стойким по отношению к коррозии,
то применяют твердое хромирование валов, нержавеющие стали
или другие сплавы и металлы.
ГЛАВА 5
УПЛОТНЕНИЯ С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ЗАЗОРАМИ
(Theodore С. Kaehler, Ward Pearson)
Уплотнения с контролируемыми зазорами ограничивают утечки
уплотняемой среды за счет малой величины радиальных зазоров
между неподвижным корпусом и валом, который может совершать
как вращательное, так и возвратно-поступательное движение.
Существуют два основных типа таких уплотнений: лабиринтные
и щелевые. Эти уплотнения применяются
в тех случаях, когда могут быть допущены
небольшие утечки или когда перепад дав-
лений настолько велик, что нельзя исполь-
зовать контактные уплотнения (торцовые
и радиальные).
Лабиринтные уплотнения. Лабиринт-
ные уплотнения обладают рядом досто-
инств: надежностью, простотой конструк-
ции, возможностью широкого выбора ма-
териалов. Используются они главным образом в тяжелой про-
мышленности, энергетике и авиационной технике, т. е. там, где
могут допускаться сравнительно большие утечки, но простота
конструкции является непременным условием.
Лабиринт состоит из одного и более гребней или ножей, кото-
рые крепятся или на неподвижном корпусе, или на вращающемся
валу. Расчетный зазор между ножами и корпусом или между греб-
нями и валом зависит от величины зазоров в подшипниках, ампли-
туды биений вала (вибрации) и учитывает разницу в изменении
размеров деталей в зависимости от температуры. Окончательные
рабочие зазоры часто устанавливаются вследствие образования
контакта между ножами и корпусом, который при проворачива-
нии вала стачивает или расплющивает кромки ножей. Простое
лабиринтное уплотнение показано на фиг. 1.
Утечки сжимаемой среды через уплотнение ограничиваются тем,
что проточная кольцевая часть лабиринтного канала обусловли-
вает потерю скоростного напора при дросселировании в радиаль-
ном зазоре. В идеальном случае скоростной напор рабочей среды
47
после дросселирования ее в зазоре полностью переходит в стати-
ческое давление в следующей по ходу камере. Необратимость про-
цесса приводит к некоторым потерям давления.
В реальных гладких лабиринтах эффективность уплотнения
снижается тем, что часть кинетической энергии переносится сре-
дой из камеры в камеру. Чтобы уменьшить этот эффект переноса,
между камерами добавляют канавки или уступы, которые откло-
няют вытекающую через зазор рабочую среду в пространство между
ножами (фиг. 2).
Теоретическая величина утечек через какой-либо лабиринт
является функцией площади кольцевого канала и коэффициента
Фиг. 2. Схемы ступенчатых
лабиринтных уплотнений.
истечения для каждой ступени. Площадь
кольцевого канала прямо пропорциональ-
на величине радиального зазора. Следо-
вательно, теоретическая величина утечек
также пропорциональна величине ради-
ального зазора и поэтому его следует де-
лать как можно меньшим. Существует,
однако, предел, за который переступать
нельзя.
Зазоры. Вращающиеся валы подвер-
жены радиальным биениям, которые вызы-
ваются зазорами в подшипниках, дина-
мическими прогибами и тепловыми дефор-
мациями. Ими и определяется минималь-
ная величина зазоров в лабиринтах. При
биениях вала, превышающих величину
зазоров, в результате трения происходит
сгорание и расплющивание гребней, что, в свою очередь, при-
водит к увеличению радиальных зазоров и утечек.
Лабиринтные втулки. Чтобы уменьшить зазоры и трение в ла-
биринтах, часто делают упругим крепление лабиринтных втулок,
так, что при работе они сохраняют свободу перемещений относи-
тельно корпуса в радиальном направлении. Однако для полной
эффективности таких устройств они должны быть разгружены по
давлению, чтобы сделать минимальными те силы трения, которые
возникают от осевых нагрузок и препятствуют свободному пере-
мещению втулки. В турбинах и компрессорах обычной является
величина радиальных лабиринтных зазоров порядка 0,25—0,5 мм.
Такие большие зазоры требуют большого числа гребней или но-
жей, что приводит к дороговизне уплотнений.
Графитовые лабиринты. Простым средством достижения ма-
лых радиальных зазоров без риска пострадать от трения в лаби-
ринтах является применение графитовых втулок. Ножи разме-
щаются на валу и вращаются в плотно посаженной графитовой
втулке (фиг. 3). При касаниях, которые обычно происходят при
пуске или останове, на поверхности графита легко образуются
48
Сторона
нагнетания
канавки, предупреждая расплющивание или обгорание ножей.
Такие канавки в графитовых втулках гладких лабиринтов сни-
жают утечки, поскольку они уменьшают перенос кинетической
энергии, протекающей через уплотнение среды. В тех случаях,
когда величина зазоров в лабиринтах близка к величине зазоров
в подшипниках, уплотнение, как правило, обладает хорошими по-
казателями по утечкам и по сроку службы. Устанавливать лаби-
ринтные зазоры меньшими, чем зазоры в подшипниках, нельзя,
потому что при неработаю-
щей машине ротор всем
своим весом будет опи-
раться только на кромки
ножей.
Сгонные резьбы. Высо-
коэффективной разновид-
ностью лабиринтных уп-
лотнений являются сгон-
ные резьбы, применяемые
при уплотнении жидкостей
в качестве предсальников.
Неподвижная втулка, ох-
ватывающая вал, разме-
щается с внешней стороны
основного уплотнения.
Внутри втулки нарезана
прямоугольная резьба или
трапецеидальная резьба
с углом профиля 29°- и
крупным шагом. Вихрь,
создаваемый вращением
вала, воздействует на жид-
костную пленку, застав-
ляя ее подниматься вдоль впадины профиля резьбы к тому месту,
где становятся равными по величине составляющая силы тяжести
и усилие от вихря. В этом месте капля жидкости переходит на вер-
шину профиля резьбы и двигается дальше по направлению к дре-
нажному отверстию. Этот метод может применяться лишь при
отсутствии перепада давления.
Материалы. Лабиринтные уплотнения обладают большим
преимуществом перед другими типами уплотнений при подборе
наиболее рациональных и дешевых материалов. Элементы лаби-
ринтных уплотнений обычно слабо нагружены центробежными
силами и усилиями от перепада давления. Небольшие напряжения
и малая роль износа означают, что при тех рабочих температурах,
которые присущи большинству современных машин, для деталей
лабиринтных уплотнений существует широкий ассортимент под-
ходящих материалов.
4 Дж. А. Паркс и др.	49
Фиг. 3. Три распространенных типа лаби-
ринтных уплотнений, применяемых в ком-
прессоростроении:
/ — лабиринтное уплотнение вала; 2—лабиринт-
ное уплотнение крыльчатки; 3 — лабиринтное
уплотнение на разгрузочном поршне.
Щелевые уплотнения. Щелевое уплотнение представляет собой
скрепленную с корпусом втулку, в которой вал вращается с ми-
нимальным зазором. Утечки из полости высокого давления в по-
лость низкого давления ограничены благодаря малой величине
зазора между втулкой и поверхностью вала. В идеальном случае
вал и втулка располагаются абсолютно концентрично, и трение
отсутствует.
Величина утечек зависит от режима движения уплотняемой
среды и типа применяемой втулки. Возможны четыре случая: уплот-
няемая среда может быть сжимаемой и несжимаемой, а режим те-
Фиг. 4. Течение жидкости по
узкому кольцевому каналу ко-
нечной длины.
чения ламинарным или турбулент-
ным. Втулки делятся на две катего-
рии: фиксированные и самоустанав-
ливающиеся в зависимости от того,
являются ли они неподвижными от-
носительно корпуса машины, или
нет.
Утечки. Щелевые уплотнения
(втулки и кольца) имеют меньшую
величину утечек на единицу длины,
чем лабиринтные. Хотя они дороже
последних, в ряде случаев их исполь-
зование позволяет достигнуть боль-
шей эффективности или значитель-
ной экономии в габаритах машины.
Однофазный поток. Введем следующие обозначения для ве-
личин, входящих в приводимый ниже расчет:
D — диаметр в см\
е — относительный эксцентрицитет;
Л, Ло, — высота проточного канала по нормали к направлению потока
в ли;
L — длина проточного канала в направлении потока в ли;
Р — мощность в л. с.;
р, Ро< Pi — статическое давление в кГ!см?\
Q — общий объемный расход в см^/сек',
q — объемный расход на единицу длины в смг1см • сек\
R — ускорение жидкости в радиальном зазоре в см/сек2-,
va, vh — скорости потока при у = 0 и у = h соответственно в см/сек-,
а — характеристика параллельности;
Ц — абсолютная вязкость в кГ-сек!см2;
«•о, «1 — угловая скорость в Нсек.
Из рассмотрения фиг. 4 можно получить соотношение между
падением давления и величиной расхода жидкости или газа при
истечении через щель конечной длины в направлении оси х и
бесконечной протяженности по оси г. Высота щели по оси у счи-
тается равной радиальному зазору. При выводе этих уравнений
среда считалась несжимаемой, а режим течения ламинарным.
Если hx = hQ и а — характеристика параллельности стенок
щели (у параллельных поверхностей, образующих щель, а = 1;
50
у расширяющейся ЩеЛй а )> 1 , у сужающейся щели а <М) и
Р = (а — 1) Л, то
/г = h0 (1 -j- Р-^)«
Давление в любой точке щели (фиг. 4) определяется из урав-
нения
л - n -и 6|1 Г + 2) _	_ г, 'll
Р Ро + LAO -Н*)2	0+₽х) о)Ь
где Vo и Vh определяются экспериментально.
Объем расхода жидкости (утечки) на единицу длины можно
определить из уравнения
(Po-Pi)^a2	ha
6p.L(a + l)	(a+1)	+
Влияние эксцентрицитета вала относительно втулки этими
уравнениями не учитывается, но будет рассмотрено ниже. Если
вязкость жидкости практически постоянна, то приведенные выше
уравнения дают теоретическую величину утечек при заданной
геометрии уплотнения. Подстановка этих значений в уравнение
сплошности для несжимаемой жидкости позволяет найти скорость
истечения ее через кольцевой зазор лабиринта. Зная величину
этой скорости, вязкость и плотность жидкости, а также радиаль-
ный зазор, можно подсчитать критерий Рейнольдса. Если крите-
рий Рейнольдса ниже значений переходного режима, то перво-
начальные допущения о ламинарности потока и подсчет величины
утечек являются достоверными.
Если режим течения несжимаемой жидкости оказался турбу-
лентным или переходным, то из-за существенного влияния вихре-
образования в потоке теория течения вязкой жидкости не может
быть применена к данному случаю. Здесь падение давления под-
чиняется законам, схожим с теми, которые имеют место при тече-
нии жидкости с трением внутри трубок. Однако в тех случаях,
когда критерий Рейнольдса соответствует переходному режиму,
эти уравнения могут быть использованы как первое приближение,
дающее заведомо большую величину утечек.
При определении утечек сжимаемой жидкости расчеты услож-
няются в связи с расширением жидкости в самом зазоре. Это
особенно сильно сказывается при высоких давлениях. Расход
сжимаемой среды при течении ее по каналу с постоянным
поперечным сечением может быть вычислен определением коэф-
фициента трения о стенки, от которого зависит величина рас-
хода. Для отношений величины радиального зазора к длине втулки
0,001 или меньше влияние вязкости является преобладающим по
сравнению с нерегулярностью потока, и целесообразнее поль-
зоваться уравнениями движения для изотермического потока вяз-
кой жидкости.
4*	51
Двухфазный поток жидкости. Истечение двухфазной жидкости
под давлением через кольцевой зазор в лабиринтных уплотнениях
является обычным для питательных насосов котлов и стержней
регулирования процесса ядерных реакторов с жидкостным охлаж-
дением. Давление внешней среды здесь меньше, чем упругость
насыщенных паров, соответствующая температуре жидкости
внутри установки. По мере того, как переохлажденная или на-
ходящаяся под давлением жидкость протекает по зазору уплотне-
ния, давление ее постепенно уменьшается и достигает значения,
равного упругости насыщенных паров. В этом месте мгновенно
возникает парообразование. В двухфазном потоке жидкости от-
ношение давлений, соответствующее критическому расходу, обычно
лежит между отношением упругости насыщенных паров к давле-
нию на входе и отношением, которое может быть получено, ис-
ходя из критической скорости. Для большинства расчетов это
правило достаточно точно.
Влияние эксцентрицитета. При ламинарном течении несжи-
маемой жидкости в узком кольцевом канале величина утечек
прямо пропорциональна третьей степени радиального зазора. По-
этому расход жидкости при истечении ее через неконцентричный
кольцевой канал не будет тем же, как при строго концентричном
расположении вала и втулки, даже в случае сохранения равенства
площадей проходных сечений. Влияние эксцентрицитета на утечки
учитывается формулой
/	3	\
+тД	0)
Относительный эксцентрицитет е определяется как отношение
абсолютного эксцентрицитета к средней величине зазора. При
строго концентричном расположении вала и втулки множитель
з
1 +^-е2 равен 1. При максимальном эксцентрицитете (е = 1)
утечки увеличиваются в 2,5 раза.
Уравнение (1) справедливо для ламинарного режима течения
несжимаемой жидкости, когда отсутствуют какие-либо перемеще-
ния стенок канала в направлении потока. Влияние эксцентрици-
тета при переходном или турбулентном режиме сказывается в мень-
шей степени.
Фиксированные втулки являются щелевыми уплотнениями и
выполняются в виде длинных жестко соединенных с корпусом
втулок, внутри которых с небольшим зазором проходит вращаю-
щийся вал. Такое уплотнение обходится дешево. Так как положе-
ние втулки фиксировано, то при касании вала о ее поверхность
уплотнение ведет себя как лишний подшипник, чем и вызы-
вается необходимость установки таких же больших зазоров,
как и в лабиринтах. Последнее обстоятельство заставляет увели-
52
чивать длину уплотнения, чтобы снизить утечки до требуемых
величин. Но длинные втулки усугубляют проблему перекоса и
трения о поверхность вала. Отсюда вытекает необходимость в более
жестких валах с рабочим числом оборотов, лежащим ниже пер-
вого критического.
Фиксированные втулки почти всегда работают с ощутимым
эксцентрицитетом. Большие величины зазоров и несоосности обу-
словливают значительные утечки на единицу длины втулки, и
поэтому такие уплотнения не находят применения там, где утечки
строго лимитируются.
Уплотнение самоустанавливающимися втулками и кольцами.
Щелевые уплотнения, конструкция которых обеспечивает уплот-
нительному элементу свободу перемещения в радиальных напра-
влениях относительно вала и корпуса машин, известны под на-
званием самоустанавливающихся. Они имеют ряд достоинств, ко-
торыми не обладают щелевые уплотнения с фиксированными
втулками и малыми радиальными зазорами. Гибкое соединение
втулки с корпусом дает ей возможность свободно «играть» в соот-
ветствии с биениями и прогибами вала, в связи с чем устраняется
опасность появления значительного трения.
Рабочие характеристики. Перемещению в радиальном напра-
влении уплотнительного кольца или втулки самоустанавливаю-
щегося щелевого уплотнения противодействуют следующие силы:
сила инерции кольца и той части жидкости, которая должна быть
смещена при этом, сила трения между торцом кольца и дном ка-
меры, к поверхности которого кольцо прижато силами давления
и пружин (если они имеются). Когда вращающийся вал смещается
эксцентрично по отношению к отверстию втулки, то в суженном
участке канала возникает добавочное давление вследствие гидро-
динамического эффекта. Как только равнодействующая радиаль-
ных сил, соответствующая новому распределению давлений, пре-
высит противодействующие силы трения и инерции, втулка начи-
нает двигаться в радиальном направлении до. тех пор, пока снова
не наступит равновесие.
Вообще говоря, силы трения и инерции малы по сравнению
с гидродинамическими силами, возникающими даже при малых
эксцентрицитетах и окружных скоростях. Поэтому самоустана-
вливающиеся втулки и кольца (особенно в случае вязкой жид-
кости) работают аналогично слабо нагруженным подшипникам
скольжения и стремятся поддерживать минимальным эксцен-
трицитет при всех условиях низкочастотных перемещений
вала.
Вследствие небольших величин нагрузок на самоустанавливаю-
щиеся втулки эффект концевых утечек при малых значениях от-
ношения ~ не имеет существенного значения. Естественно, что
возникновение гидродинамического эффекта не может наблюдаться
53
у неподвижных, или медленно вращающихся валов, а также у што-
ков с возвратно-поступательным движением. При очень высоких
давлениях уплотнительную торцовую поверхность втулки соеди-
няют с внутренней полостью машины, благодаря чему снижается
трение, обусловленное перепадом давлений на уплотнении.
Типы самоустанавливаю-
урт щихся щелевых уплотнений.
Существуют три отчетливо
различаемых типа этих уплот-
нений. Каждое из них обла-
дает высокой эффективностью
при определенных условиях
работы.
В уплотнении с одной
плавающей втулкой (фиг. 5),
применяемом при небольших
А сп	перападах давлений, осевой
Фиг. 5. Одна самоустанавливающаяся '	„	’
втулка	пружиной создается плотное
прижатие уплотнительного
бурта втулки ко дну камеры. При высоком перепаде давления
пружины может и не потребоваться. С другой стороны, может
появиться необходимость разгрузить уплотнительный бурт втулки
от чрезмерных осевых нагрузок.
При очень больших давлениях нецелесообразно применять
одну самоустанавливающуюся втулку для срабатывания полного
перепада давлений, потому что в этом случае потребуется сделать
ее весьма массивной. Если к тому же вал и корпус имеют значи-
тельные перекосы относительно отверстия втулки, то при больших
L
отношениях увеличивается вероятность раскрытия уплотняю-
щего стыка между втулкой и дном ка-
меры (стенкой корпуса).
Уплотнение с самоустанавливающи-
мися кольцами, представленное на
фиг. 6, разрешает эти проблемы. По
схеме оно почти полностью повторяет
предыдущее уплотнение с одним кольцом
с той лишь разницей, что здесь приме-
Фиг. 6. Уплотнение с само-
устанавливающимися уплот-
нительными кольцами.
нено уже несколько колец.
Движение каждого кольца не зависит от движения остальных.
Благодаря этой независимости движения и малой длине каждого
кольца возможны более значительные перекосы вала относительно
корпуса при малом ухудшении эффективности уплотнения.
Длина уплотнения возрастает, так как для разделения колец
ставятся диафрагмы.
Однако длина уплотнения увеличивается не намного. Так как
каждое кольцо срабатывает только часть общего перепада давле-
54
Фиг. 7. Щелевое само-
устанавливающееся
уплотнение с сегмент-
ным уплотнительным
кольцом и кольцевой
спиральной пружиной.
ния, то силы трения и инерции в уплотнении малы, благодаря
чему обеспечивается хорошая подвижность самоустанавливаю-
щихся колец.
Третьим типом самоустанавливающихся щелевых уплотнений
является уплотнение с сегментным кольцом, которое стягивается
кольцевой спиральной пружиной. Одно из типичных исполнений
показано на фиг. 7. От обычных сегментных колец оно отличается
тем, что уплотнительное кольцо обжимается по скошенной поверх-
ности сегментными металлическими элементами. Регулируемое
внешнее обжатие по всей окружности пружиной обеспечивает
плотность стыков и герметичность уплотняю-
щего контакта между торцом кольца и стен-
кой корпуса.
Материалы. В случае применения фик-
сированных втулок всегда следует предусмат-
ривать возможность появления трения при
касании втулки о вал. Поэтому для этих
уплотнений выбирают обычно мягкие ме-
таллы или графит. При невысоких рабочих
температурах применяются легкоплавкие
сплавы, как, например, баббит. Повышенные
температуры требуют использования бронз,
алюминиевых сплавов или графита.
Серьезной проблемой является различие
в тепловом расширении при высоких темпе-
ратурах втулки и вала, если они выполнены
из неодинаковых материалов или между ними существует значи-
тельный температурный градиент. Например, коэффициент ли-
нейного расширения обычно применяемых марок графита соста-
вляет от х/3 до 1/. коэффициента линейного расширения для стали.
Это обстоятельство необходимо учитывать при конструировании
графитовых уплотнений.
Иногда применяют установку с натягом (с помощью охлажде-
ния) графита в металлическом удерживающем кольце, коэффи-
циент линейного расширения которого такой же, как у материала
вала, или несколько выше. Момент сопротивления сечения кольца
обеспечивает создание натяга за счет упругого сжатия графита.
Коэффициент линейного расширения такой детали равен, по су-
ществу, коэффициенту расширения для металлического кольца.
Благодаря этому рабочие зазоры могут сохраняться в широком
диапазоне температур.
Самоустанавливающиеся втулки и кольца допускают более
широкий выбор материалов, чем фиксированные втулки, так как
нагрузки от касания вала и втулки здесь сведены к минимуму.
Опасность задира поверхности вала даже при очень малых рабочих
зазорах незначительна. Следовательно, в дополнение к мягким
металлам и графиту могут быть рекомендованы твердые материалы,
55
а также металлы с повышенной стойкостью к задирам. Уплотне-
ния, предназначенные для ограничения утечек воздуха и работаю-
щие при высоких числах оборотов, часто требуют цементирования
охватывающей поверхности или применения графитовых втулок,
причем предусматривается покрытие вала сходными по свойствам
материалами. Маслоудерживающие уплотнения компрессоров,
применяемых на газопроводах, часто изготовляются из бронзы
или графита. При уплотнении воды, находящейся под высоким
давлением, эффективно работают самоустанавливающиеся кольца
из стеллита по хромированной поверхности вала или втулки
на нем.
Условия применения. Если при истечении переохлажденной
жидкости через зазор уплотнения давление становится равным
упругости насыщенных паров и жидкость превращается в пар, то
необходимо оценить степень ее загрязненности. Если грязь или
примеси являются растворенными частичками, то они будут вы-
деляться в виде отложения в том месте канала, где наступает фа-
зовый переход, и могут нарушить работу уплотнения.
По мере того, как отложения в кольцевом зазоре начинают
образовывать задиры на поверхности вала или кольцевой зазор
забивается настолько, что силы трения становятся чрезмерными,
возрастает опасность выхода уплотнения из строя. В этих случаях
следует обеспечить подачу в уплотнение уплотняемой жидкости
при температуре более низкой, чем определяемая по кривой на-
сыщения для давления на выходе из уплотнения. Впрыскиваемая
жидкость играет тогда роль уплотняемой среды и течет по коль-
цевому зазору в двух направлениях внутрь машины и наружу.
Внешняя часть уплотнения, начиная от места добавочного ввода
жидкости, выполняется в виде набора самоустанавливающихся
колец. Для разделения горячей и холодной жидкости применяют
одно кольцо.
Связь между вязкостью жидкости и мощностью в л. с., рас-
ходуемой в щелевом уплотнении, устанавливается формулой
rtp.D3z.<of
Р = 30 ОООАо •
Эффект рассеивания энергии в самом уплотнении здесь не
учитывается. Выделение тепла трения приводит к повышению тем-
пературы жидкости при течении ее через уплотнение. Это может
не только повлиять на вязкость жидкости, но и в силу значитель-
ной теплоотдачи к валу и втулке вызвать существенное изменение
рабочих зазоров. Рассматриваемый процесс относится к числу
саморегулирующихся процессов, так как для большинства жид-
костей с повышением температуры вязкость уменьшается. С умень-
шением вязкости возрастают утечки, а следовательно, улучшаются
условия охлаждения. При этом уменьшается также величина на-
56
пряжения сдвига, что приводит к снижению выделяющегося
в уплотнении количества тепла.
Тем не менее жесткие диаметральные зазоры, которые обычно
устанавливаются из расчета 0,01 мм на каждые 10 мм диаметра
вала, при значительных температурных перепадах между втулкой
и валом могут привести к заклиниванию. Заклинивание может
произойти даже при одинаковых температурах деталей, если коэф-
фициенты линейного расширения материала втулки и вала су-
щественно различны.
Комплексное влияние на работу уплотнения величины радиаль-
ного зазора, вязкости жидкости и процесса теплопередачи не поз-
воляет точно рассчитать те минимальные рабочие зазоры, которые
еще обеспечивают полную надежность; необходим эксперимент.
Следует считать целесообразным применение в тяжелых усло-
виях работы втулки, изготовленной из материала с коэффициентом
линейного расширения несколько большим, чем у вала. В началь-
ной стадии схватывания вала с повышением температуры такие
втулки увеличивают рабочий зазор. Повышенные крутящие мо-
менты, возникающие при высоких напряжениях сдвига вязкой
жидкости, могут вызвать необходимость дополнительной фиксации
втулки от проворачивания, если неуравновешенные силы давления,
прижимающие их торцами к стенкам корпуса, недостаточны, чтобы
предотвратить вращение.
ГЛАВА 6
УПЛОТНЕНИЕ РАЗРЕЗНЫМИ КОЛЬЦАМИ
(Paul R. Shepler, Oscar Noren)
Разрезные кольца находят широкое применение в промышлен-
ности. В виде поршневых колец они используются в компрессорах,
насосах и двигателях внутреннего сгорания. Поршневые кольца
с прямым или ступенчатым замком часто встречаются в пневмо-
др
Фиг. 1. Действие среды на
разрезное кольцо:
1—цилиндр; 2—замок; 3—уп-
лотнительное кольцо; 4 — пор-
шей ь;
и гидроцилиндрах, где нормы утечек
могут быть самыми разнообразными, но
требуется особо высокая прочность
уплотнительных колец.
Целесообразность применения раз-
резных колец в механизмах с возврат-
но-поступательным движением штоков
проявляется особенно сильно там, где
высокие давления, температуры, радиа-
ция, термическая усталость материалов
и требование надежности делают невоз-
можным или менее желательным исполь-
зование более ходовых уплотнений.
Типы разрезных колец. Уплотняю-
щее усилие на поршневом кольце
в осевом направлении создается главным образом давлением
уплотняемой среды. Различают две рабочие поверхности. Для
пружинящих кнаружи поршневых колец ими являются зеркало
цилиндра и торцовая поверхность канавок поршня. Для пру-
жинящих внутрь (обжимающих) разрезных колец, устанавли-
ваемых на штоках, это — наружная поверхность штока и стенка
корпуса. Фиг. 1 схематично показывает, каким образом поршне-
вое кольцо приводится в рабочее положение. В некоторых уплот-
нениях само поршневое кольцо имеет дополнительные сопряжен-
ные или стыкующиеся поверхности, соединение которых также
должно быть плотным. В этой главе основное внимание уделено
пружинящим кнаружи поршневым кольцам. Однако все сказанное
о них может быть отнесено с соответствующими изменениями и
58
к обжимающим разрезным сальниковым кольцам, устанавливае-
мым на штоках.
Поршневое кольцо с прямым замком. Наиболее простым и де-
шевым является поршневое кольцо с прямым замком (фиг. 2).
Введем следующие обозначения для величин, входящих в при-
водимый ниже расчет:
А — площадь в см2;
а а — ускорение в осевом направлении в сл/се№;
ар — ускорение в радиальном направлении в см/сек2;
b — высота кольца в см;
D — наружный диаметр в см;
d — радиальная толщина кольца в см;
Е — модуль упругости (модуль Юнга) в кГ/см2;
Fa — усилие в осевом направлении на единицу длины (от сил давле-
ния и упругости кольца) в кПсм;
Fn — усилие в радиальном
:s'S"u"
давления и упруго- (у
сти кольца) в кГ/см; К	Ji	* '**
G — зазор в замке в см;
ДО — изменение зазора
(прогиб) в см;	Рабочее положениг
о— ускорение силы тя-
жести в см/сек1- Фиг. 2. Поршневое кольцо с прямым
hf—потеря напора в	замком.
см/см;
AL — приращение расстояния в направлении скорости в см;
р, Pi< Р2 — давление в кГ/см2;
Ар— перепад давлений в кГ/см2;
Q — величина утечек в см3/сек;
- - тЛ а
г — эквивалентный радиус, у в см;
S — напряжение изгиба в кГ/см2;
и—приращение в радиальном направлении размера кольца в сво-
бодном состоянии относительно идеальной окружности, соот-
ветствующей рабочему положению, в см;
v — скорость в см/сек;
г| — коэффициент трения;
0—угол, образуемый радиусом, проходящим через точку, противо-
положную замку, и радиусом данной точки;
р — вязкость в Г/сек-см;
Q — плотность в Г/см3.
Течение уплотняемой среды через зазор в замке часто носит
характер ламинарного движения в свободном канале. Следова-
тельно, утечки зависят от величины зазора в замке, сопротивления
канала, давления и вязкости жидкости. Перепад давления на кольце
определяется по формуле
64ца
hf =
2gQD2
где скорость жидкости равна
(Д р) г2
<AL) 8р. '
59
Величина утечек находится из равенства
Q = vA.
Поршневое кольцо с прямым замком обычно применяется при
небольших поршневых усилиях. Этот тип разрезных колец для
уплотнения штоков используется крайне редко. Плотное прилега-
ние поршневого кольца к внутренней поверхности цилиндра при
нулевом перепаде давлений обеспечивается пружинящим дейст-
вием («упругостью») самого кольца. В идеальном случае распреде-
ление радиальных сил, возникающих при деформации кольца,
должно быть равномерным (постоянное давление по окружности).
Чтобы добиться этого, кольцу придается особая конфигурация.
Форма кольца в свободном
состоянии, обеспечивающая
равномерное распределение
радиальных сил при закла-
дывании его в цилиндр,опре-
деляется уравнением
Рабочее положение	с, /	О	\
U = — (1 + -х- sin 0 ) . (1)
Фиг. 3. Уплотнительное кольцо со ступен-	ол \	2	/
чатым замком (выполненным внахлестку
под углом).	’ Поршневое кольцо со сту-
пенчатым замком. В том слу-
чае, когда не допускаются утечки, обычные для зазора в прямом
или косом замке, стык кольца может быть выполнен каким-либо
другим способом. Наиболее простым из них является ступенча-
тый замок со скошенными концами (фиг. 3).
В таком замке стыкующиеся концы поршневого кольца частично
перекрывают друг друга. Уплотняться должны одновременно по-
верхности по наружному диаметру, торцовая и стыкующиеся по-
верхности замка.
Наилучшей поверхностью контакта была бы коническая, вы-
пуклая с одной стороны зазора и вогнутая с другой. Но ее трудно
изготовить. Поэтому вогнутая поверхность заменяется плоской,
отфрезерованной под определенным углом. Другой конец кольца
фрезеруется под тем же углом с радиусом, значительно меньшим,
чем радиус действительной конической поверхности в этой точке.
Выпуклая поверхность создает высокое удельное давлениенасопря-
женную поверхность, благодаря чему обеспечивается их плотный
контакт. Преимуществом такого кольца с точки зрения его стои-
мости является то, что оно представляет собой одну деталь.
Уравнение (1) задает форму кольца, исходя из необходимости
равномерного распределения радиальных сил по кольцу в рабочем
положении. Однако на угле 180", что соответствует центру замка,
форма кольца не совсем удовлетворяет указанному требованию.
Когда необходима высокая точность (круглая форма в замке),
кольцо должно быть прошлифовано по наружному диаметру. Порщ-
60
невое кольцо такого типа уплотняет в одном направлении. Если
требуется уплотнить зазор между поршнем и цилиндром в обоих
направлениях, то ставят два разносторонних кольца, каждое
в своей канавке.
Сдвоенные поршневые кольца. Чтобы сократить число различных
по конструкции поршневых колец со ступенчатым замком, можно
применить сдвоенные кольца, уплотняющие зазор в обоих направ-
лениях (фиг. 4). Сопряженные поверхности замка такого кольца
выполнены совершенно плоскими и параллельными торцам. Обычно
это положительно сказывается на эффективности уплотнения.
Утечки в радиальном направлении ограничиваются внутрен-
ним кольцом. Наружное и внутреннее кольца должны иметь по
возможности совершенную
круглую форму по общей по-
верхности. Эффективность
работы внутреннего кольца,
как правило, определяется
величиной утечек через его
замок.
Обычно одну из сопря-
женных поверхностей в замке
кольца делают плоской,
а другую несколько выпук-
лой. Благодаря этому возни-
кающие под нагрузкой высо-
Рабочее положение
Фиг. 4. Сдвоенное поршневое кольцо:
/ — замок уплотнительного кольца; 2 — ци-
линдр; 3 —уплотнительное кольцо; 4 — внут-
реннее кольцо; 5 — поршень.
кие удельные давления способствуют образованию плотного стыка.
Торцовые рабочие поверхности такого поршневого кольца шлифу-
ются до чистоты, соответствующей среднеквадратичной величине
микронеровностей менее 0,4 мк. В некоторых специальных кон-
струкциях кольцо может быть притерто до величины микроне-
ровностей 0,025—0,1 мк.
Наружное кольцо (со ступенчатым замком), обычно изгото-
вляется с несколько меньшей высотой, чем внутреннее кольцо,
которое служит одновременно экспандером и элементом, уплот-
няющим радиальные зазоры. Благодаря этому облегчается созда-
ние первоначального уплотнения, особенно в тех случаях, когда
полости высокого и низкого давлений периодически меняются
местами. Сдвоенное кольцо такой конструкции быстрее вклю-
чается в работу при появлении на нем перепада давлений.
Строенное кольцо. Наиболее качественно могут быть изгото-
влены или плоские, или цилиндрические уплотнительные поверх-
ности, которые легко подвергнуть шлифованию и притирке. По-
этому для достижения максимальной плотности кольца все его
уплотняющие поверхности должны быть плоскими или цилиндри-
ческими. Строенное поршневое кольцо, выполненное по типу «верх-
нее, нижнее и боковое» и изображенное на фиг. 5, отвечает этим
требованиям. Оно уплотняет только в одном направлении.
61
стоящего из двух наружных колец
Равочее положение
Фиг. 5. Строенное поршневое кольцо:
1 — боковое кольцо; 2 — уплотнительное
кольцо; <?—внутреннее кольцо.
пени. И все же такие поршневые
трудности, находят применение.
ОснбйИбе уплотнительное кольцо имеет прямой замок, который
в радиальном направлении уплотняется внутренним кольцом В
и в осевом направлении боковым кольцом С. Высота кольца А
должна в точности равняться высоте кольца В, чем и обусловли-
вается необходимость их совместного шлифования. При работе
износ торцовой уплотнительной поверхности кольца А незначи-
телен, и равенство высот колец не нарушается.
Радиальная толщина кольца С может быть произвольной, но
обязательно превышающей толщину кольца А с тем, чтобы замок
основного уплотнительного кольца был перекрыт.
Известна конструкция строенного поршневого кольца, со-
и одного внутреннего. Высота
внутреннего кольца равняет-
ся суммарной высоте наруж-
ных колец. Радиальные тол-
щины наружных колец трудно
выдержать абсолютно одина-
ковыми при изготовлении и
тем более при эксплуатации,
поскольку поршневое кольцо,
размещенное со стороны по-
лости низкого давления, из-
нашивается в большей сте-
ольца, несмотря на указанные
Строенное поршневое кольцо может иметь очень небольшие раз-
меры. Во многих случаях оно является единственным типом уплот-
нения, которое может быть применено при диаметрах менее 25 мм.
Давление среды и силы трения. Для поршневых колец, от кото-
рых требуется достаточная плотность как в динамических, так и
в статических условиях работы, уплотняющие усилия от давления
среды должны быть значительными и в осевом, и в радиальном
направлениях. Это предотвращает опасность появления (из-за
трения) просвета в уплотняющем торцовом или радиальном
стыке.
Эти уплотняющие усилия должны преодолевать силы трения,
возникающие на всех уплотнительных поверхностях: для полной
эффективности работы кольца в динамических условиях они
должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить быстрое его
перемещение. Преобладание радиальных уплотняющих сил мо-
жет привести к такому плотному прилеганию кольца к зеркалу
цилиндра, что стык торцовых поверхностей останется неуплотнен-
ным. Значительное превышение уплотняющих осевых усилий над
радиальными и возникшие в связи с этим большие силы трения
на торцах канавок поршня могут воспрепятствовать созданию плот-
ного прилегания наружной поверхности кольца к зеркалу цилин-
дра. Для соблюдения надлежащих пропорций уплотняющие
62
усилия в осевом направлении должны примерно равняться уси-
лиям в радиальном направлении.
Эпюры уплотняющих сил. На фиг. 6 дана эпюра неуравновешен-
ных сил, действующих на сдвоенное кольцо. Для простоты здесь
рассматриваются только силы давления среды. Влияние «упру-
гости» кольца не учитывается. При высоких давлениях среды эти
допущения не вносят существенных ошибок. Для поршневых ко-
лец на штоках, работающих в условиях высоких скоростей и низ-
ких давлений воздуха, такие допущения не являются правомоч-
ными, так как в этом случае «упругость» колец играет существен-
ную роль.
Фиг. 6. Эпюры сил, действующих на кольцо:
а — радиальные неуравновешенные силы; б — осевые неура-
вновешенные силы.
На фиг. 6 наружное и внутреннее кольца рассматриваются как
одно сплошное кольцо, хотя это и не совсем верно. Равнодействую-
щая неуравновешенных сил давления в радиальном направлении
обозначена F R, равнодействующая неуравновешенных сил в осе-
вом направлении обозначена F А. Соответствующими силами тре-
ния будут т]/7^ и —y\FА. Если допустить, что для каждой пары
поверхностей коэффициенты трения равны между собой, то дейст-
вительное уплотняющее усилие в радиальном направлении со-
ставит FR — Аналогично действительное уплотняющее уси-
лие в осевом направлении будет равно FА —
Соотношение между радиальным и осевым усилиями опреде-
ляется главным образом геометрическими размерами поршневого
кольца. Равнодействующая радиальных неуравновешенных сил
на единицу длины окружности кольца равна произведению давле-
ния на высоту кольца Ь. Равнодействующая неуравновешенных
сил в осевом направлении равна произведению давления на ра-
диальную толщину кольца d.
Таким образом, чтобы выполнялись условия F% = FА, нужно,
чтобы b = d. Там, где возможно, материал кольца следует
63
б)
Фиг. 7. Кольцо, разгружен-
ное по наружному диаметру:
а — радиальные неуравновешен-
ные силы; б — осевые неуравно-
вешенные силы; 1—разгрузочная
канавка; 2— продольная канав-
ка на внешней цилиндрической
поверхности.
выбирать с таким расчетом, чтобы уменьшить коэффициент трения
и этим самым свести до минимума возможность его зависания.
Масса кольца и его подвижность. Взаимосвязь массы кольца
с его подвижностью и уплотняющим усилием в радиальном напра-
влении может быть показана в такой записи второго закона Нью-
тона:
Pr —	= qbdaR-,
для осевого направления
Ра —	= Q-bdaA.
Эти уравнения учитывают как гид-
равлические, так и упругие силы кольца.
Из уравнений видно, что поршневые
кольца из материала с меньшей плотно-
стью обладают меньшей инерционностью
по сравнению с кольцами, изготовлен-
ными из материала с большим удельным
весом.
Уравновешивание сил, действующих
на кольцо. Износ поршневого кольца,
работающего при высоких давлениях,
может быть снижен в значительной
мере уравновешиванием возникающих
усилий. Обычно это достигается с по-
мощью канавок и проточек. Круговая
разгрузочная канавка протачивается на
рабочей поверхности уплотнительного
кольца так, что остается лишь узкий
цилиндрический поясок, на котором сра-
батывается полный перепад давлений,
приходившийся ранее на всю высоту кольца. Если кольцо обла-
дает достаточной жесткостью, то суммарное усилие неуравнове-
шенных сил давления в радиальном направлении воспринимается
всей цилиндрической наружной поверхностью кольца за вычетом
площади канавки. Если же кольцо недостаточно жестко, то боль-
шая часть этой нагрузки будет восприниматься уплотнительным
пояском, что приведет к повышенному износу в этом месте. Ка-
навки и эпюра давлений на разгруженном кольце показаны на
фиг. 7.
Выполнение разгрузочных канавок в сдвоенном уплотняющем
в одном направлении поршневом кольце со ступенчатым замком
более сложно и повышает его стоимость. И тем не менее это удо-
рожание оправдано в тех случаях, когда стремятся существенно
уменьшить износ. На фиг. 8 показано распределение сил в разгру-
зочной канавке на ступенчатом замке и в сечении кольца.
Разгрузочные канавки никогда не уменьшают перетекания,
обычно неуравновешенное поршневое кольцо обладает большей
64
плотностью. Как доказано практикой, не следует делать высоту
уплотнительного пояска меньшей, чем 0,8 мм. Значительные силы
трения могут заставить уменьшить эту величину, но герметич-
ность кольца от этого сильно пострадает.
При наличии на поршневом кольце разгрузочных канавок сле-
дует учитывать их влияние на соотношение радиальных и осевых
уплотняющих усилий. Если на кольце, показанном на фиг. 6
(где b = d), протачивается разгрузочная канавка в соответствии
с фиг. 7, то равнодействующие неуравновешенных осевых и ра-
диальных сил не будут более равны и между ними наступит весьма
—
Сторона низкого
давления
С-С Л
4 кж
Сторона высокого
давления
I Осевое
| направление
Фиг. 8. Эпюры сил по замку сдвоенного кольца:
1 — неуравновешенные силы на тонком конце замка; 2—неуравновешен-
ные силы на толстом конце замка; 3—толстый конец кольца; 4 — внешняя
цилиндрическая поверхность кольца; 5 — уплотнительное кольцо; б —неурав-
новешенные силы на уплотнительном кольце; 7 — неуравновешенные силы
на тонком конце замка.
Разгрузочные канавки
неблагоприятное соотношение. В тех случаях, когда одна из этих
величин превышает другую более чем в 3 раза, следует изменить
конструкцию, например, способом, показанным на фиг. 9. Здесь
внешнему уплотнительному кольцу придана конусность части ра-
бочей торцовой поверхности (чтобы dA -= bR), а в определенных
местах на внутреннем кольце сделаны разгрузочные пазы. Бла-
годаря этому F А — Fr. Никаких попыток сделать площадь тор-
цового уплотнительного пояска больше здесь нет (в противополож-
ность тому, как это делалось в случае с наружной цилиндрической
поверхностью), поскольку перемещение кольца по торцовой поверх-
ности канавки незначительно, и износ в этом месте лишь номиналь-
ный, только в исключительных случаях требуется принять какие-
либо дополнительные меры.
При сравнении сдвоенного разгруженного кольца со строен-
ным нетрудно видеть, что износ на рабочих поверхностях каждого
элемента одинаков при равенстве длины и высоты уплотнитель-
ных поясков. Единственным отличием является замок, на котором
у сдвоенного кольца износ несколько меньше, чем у строенного
5 Дж. А. Паркс и др.	65
Фиг. 9. Кольцо, разгруженное
по наружному диаметру и торцу: *
1 — продольная канавка на внешней
цилиндрической поверхности; 2—ради-
альная канавка на торцовой поверх-
ности.
Фиг. 10. Эпюры сил по замку строенного кольца:
1 — неуравновешенные силы на внутреннем кольце; 2, 10 — неуравновешенные силы на
боковом кольце; 3, 7 — разгрузочные канавки; 4 — внешняя цилиндрическая поверх-
ность кольца; 5, 9, 11 — боковые кольца; 6, 13, 15 — уплотнительные кольца; 8. 12, 17 —
внутренние кольца; 14 — неуравновешенные силы на уплотнительном кольце; 16 — не-
уравновешенные силы на конце Уплотнительного кольца в замке.
(фиг. 8 и 10). Следует обратить внимание на ТО, что для сдвоенного
поршневого кольца результирующие неуравновешенных сил в се-
чениях ВВ и СС (фиг. 8) значительно меньше по величине, чем
соответствующие усилия в сечениях ВВ и СС (фиг. 10). Для того
чтобы уменьшить этот эффект, надо стремиться выполнить зазор G
и ширину перемычки х минимальными.
Кольца с пружинящим элементом. Для колец, работающих
при низких давлениях, целесообразно уменьшать радиальные
толщины как внутренних, так и уплотнительных колец. Это улуч-
шает их приспособляемость к рабочей поверхности. Однако при
Фиг. 11. Волнистое кольцо с проре-
зями.
Фиг. 12. Сдвоенное штоковое
(сальниковое) уплотнение:
1 — кольцевая спиральная пру-
жина; 2 — осевые пружины;
3 — внешнее кольцо; 4 — уплот-
нительное кольцо.
уменьшенной радиальной толщине внутреннего кольца его сила
упругости (радиальное усилие) снижается до нуля. По этой при-
чине кольца штоковых уплотнений снабжаются спиральной об-
жимной пружиной. В этом случае внешнее и внутреннее кольца
функции пружин не выполняют (не самопружинящие кольца).
Для большей плотности колец, работающих при низких давле-
ниях, рекомендуется применять также подпружинивание и в осе-
вом направлении, выполненное тем или иным способом. С этой
целью могут быть использованы волнистые кольца или узкие
кольца с прорезями, называемые прорезными волнистыми коль-
цами (фиг. 11). Они занимают сравнительно мало места. Но вве-
дение в конструкцию уплотнительных колец осевых пружинящих
элементов создает дополнительные силы трения, которые могут
быть ощутимы при невысоких рабочих давлениях. К тому же
стоимость уплотнительного узла возрастает.
В другой конструкции предусмотрено несколько витых ци-
линдрических пружин. На фиг. 12 показано уплотнение штока
сдвоенными разрезными кольцами, из которых уплотнительным
является внутреннее. В конструкции с витыми пружинами силы
трения на торцах менее значительны.
Конструкция уплотнения со строенными разгруженными раз-
резными кольцами настолько сложна и дорогостояща по сравнению
5*	67
с устройством со сдвоенным уплотнением, что не может быть
рекомендована к применению. Использование неразгруженных
строенных колец может оказаться оправданным. На фиг. 13 пред-
ставлен разгруженный металлический сальник с уплотнительным
элементом в виде строенного кольца, однако конструкция его не
является экономичной.
Снижение утечек через сальники на штоках было достигнуто
применением торцового уплотнения, названного «сальником с фрик-
ционной пружиной». В этой конструкции (фиг. 14) отставание уп-
лотнительного кольца от торцовой рабочей поверхности корпуса
Фиг. 13. Строенное штоковое
(сальниковое) уплотнение:
1 — кольцевые спиральные пру-
жины; 2 — осевые пружины;
3 — боковое кольцо; 4 —внеш-
нее кольцо; 5—уплотнительное
кольцо.
Фиг. 14. Сдвоенное штоковое
(сальниковое) уплотнение сфрик-
ционной пружиной:
1 —кольцевые пружины; 2—фрик-
ционная пружина; 3 — коническое
кольцо (сплошное); 4—коническое
кольцо (разрезное); 5—уплотнитель-
ное кольцо; 6 — внешнее кольцо.
- значительно уменьшено благодаря появлению очень больших
противодействующих сил трения на конических поверхностях
фрикционной пружины.
Примеры применения разрезных колец. В этой части главы
дается характеристика отдельным элементам металлических уп-
лотнений с разрезными канавками и их влияния на конструкцию.
Рассматриваются вопросы выбора типов колец, их посадки, ма-
териала. О величине утечек говорилось выше. Далее обсуждаются
особые области применения, специальные проблемы конструиро-
вания, примеры типичных случаев применения.
Основными вопросами конструирования уплотнений разрез-
ными кольцами являются: легкость монтажа, приспособляемость,
стабильность свойств, стойкость по отношению к коррозии, анти-
фрикционные свойства, износостойкость.
Установка колец. При надевании кольца на тело поршня или
другую деталь с диаметром большим, чем внутренний диаметр
кольца D, возникает возможность поломки его или остаточной
деформации при превышении предела упругости. Особенно ве-
роятно это для сложных колец малых диаметров.
68
Величина необходимого раствора замка кольца при надевании
его на поршень может во много раз превышать радиальную тол-
щину. Этот параметр, т. е. отношение увеличения раствора замка
к радиальной толщине, служит мерой напряжений в кольце.
У небольших поршневых колец отношение наружного диаметра
к радиальной толщине уменьшается, если последняя выбирается
вполне достаточной с тем расчетом, чтобы не усложнять обычную
технологию. Это отношение характеризует жесткость кольца и
его уменьшение объясняет более высокие значения напряжений
при надевании на поршень ко-
лец малых размеров.
Следующее соотношение свя-
зывает между собой напряже-
ние, размеры кольца и величину
деформации:
0,4815Е
S — - ,—г.---гт кГ!смг.
\ а	/
Знание конструкции уплот-
нительных колец, материалов
и технологии обеспечивает лег-
кость монтажа.
Приспособляемость колец.
Плотность металлического уп-
Таблица 1
Модули упругости материалов,
применяемых для изготовления
разрезных колец
Материал	Модуль упругости в кГ/см2
Сталь 	 Чугун .... Бронза .... Г рафит .... К-30 (тефлон со стекловолокнистым наполнителем) . . Резина (90 по твердомеру) . . .	2,1-10е (0,7—1,25) 10е (0,63—1,05) 10е (0,1—0,3) 10е 0,028-10е 70,0	|
лотнения зависит от существования сплошной линии контакта
между соприкасающимися рабочими поверхностями уплотнитель-
ного у зла. Разрезное кольцо должно приспособляться к изменениям
диаметра и отклонениям от круглой формы рабочей цилиндриче-
ской поверхности при любом положении поршня или штока. По-
скольку податливость материала зависит от модуля Юнга, метал-
лические кольца не могут подобно эластичным материалам ком-
пенсировать значительные отклонения от круглой формы, пере-
косы и волнистость. В табл. 1 приведены модули упругости всех
материалов, обычно применяемых для разрезных колец.
Если рабочая поверхность имеет равномерную цилиндрическую
форму, то разрезное упругое кольцо может приспособляться к по-
степенным изменениям диаметра цилиндра и отклонениям его от
круглой формы.
Способность компенсировать значительный износ зеркала ци-
линдра и поршневого кольца без изменения его плотности является
одним из ценных качеств этого уплотнения.
В осевом направлении поршневое кольцо обладает меньшей
способностью компенсировать неправильности формы сопряжен-
ных поверхностей, чем в радиальном направлении. Плотность
узла зависит от непрерывности контактной линии на рабочей
69
поверхности уплотнения. Следовательно, такой контакт должен
существовать и между торцом поршневого кольца и канавкой.
Этого можно добиться лишь соблюдением плоскостности тор-
цовых поверхностен канавок поршня, т. е. отсутствия неровностей
или волнистости их, и при строгой перпендикулярности торцов
канавки к оси поршня (или другой детали, содержащей канавку).
В действительности же очень трудно проконтролировать волни-
стость рабочей поверхности канавок поршня, поскольку частота
волн имеет более важное значение, чем их абсолютная величина —
амплитуда. Кольцо может приспособиться к торцу канавки при
наличии на нем четырех волн с амплитудой 7—8 мк, но не спра-
вится с такими волнами, если их больше десяти.
Неперпендикулярность торцов канавок оси поршня приводит
к скручиванию кольца. И в этом случае трудно оценить абсолют-
ную величину допускаемой неперпендикулярности, поскольку на
приспособляемость кольца оказывают сильное влияние его попе-
речное сечение и рабочее давление.
В определенных пределах поршневое кольцо при номинальном
диаметре имеет форму правильной окружности и равномерное рас-
пределение радиальных давлений по периферии. Если же кольцо
установлено в диаметр, несколько отличающийся от номинала, то
картина равномерного распределения радиальных давлений на-
рушится, а в некоторых точках может отсутствовать контакт
кольца с цилиндром. Это справедливо и для уплотнительных ко-
лец в нецилиндрических корпусах.
Напряжения в кольце и давление рабочей среды приводят
к возникновению в некоторых точках высоких контактных давле-
ний, и как следствие этого к локальному износу или приработке.
По этой причине для большинства уплотнительных колец в на-
чальный период их работы наблюдается некоторое повышение
эффективности уплотнения.
Вопросом первостепенной важности является соблюдение од-
ного класса допусков на геометрические размеры кольца, цилиндра
или корпуса и канавок. Эго сокращает период приработки, увели-
чивает срок службы уплотнения и положительно сказывается на
эффективности машины. Табл. 2 дает величины допусков, часто
встречающиеся в промышленных образцах уплотнений гидравли-
ческого оборудования.
Стабильность. Под этим понимается свойство кольца сохра-
нять свою первоначальную форму, несмотря на воздействие на-
пряжений и температур в процессе эксплуатации. Сопротивляе-
мость кольца появлению остаточных деформаций достигается под-
бором соответствующих материалов и термообработкой.
Стойкость по отношению к коррозии. Одним из факторов,
влияющих на нестабильность геометрических размеров поршне-
вого уплотнения, является коррозия, которая может быть вызвана
воздействием рабочей среды или окружающей среды,
79
Таблица 2
Допуски на основные размеры уплотнений, применяемых в гидравлике
(в мм)
Номинальный диаметр	Допуск на диаметр цилиндра	Конусность	Овальность
152,5	-0,000,+0,025	0,0127	0,025
152,5—356	—0,000,+0,051	0,025	0,051
356—762	—0,000,+0,102	0,076	0,102
762 и выше	—0,000,+0,152	0,127	0,127
Разрезные кольца применяются для уплотнения самых различ-
ных рабочих сред, таких, как сжиженные газы с температурой до
—186° С, продукты сгорания ракетных топлив с температурой
до 1100° С, синтетические жидкости при 540° С, а также жидкости
и смазочные масла при температурах, не превышающих их точки
разложения.
Большинство из этих сред способны вступать в химические
реакции со многими материалами, обычно применяемыми в метал-
лических уплотнениях. Табл. 3 содержит перечень материалов,
обладающих коррозионной стойкостью по отношению к перечислен-
ным рабочим средам.
Конденсация атмосферной влаги служит обычным источником
коррозии. Уплотнения двигателей часто подвергаются воздейст-
вию конденсата, подкисленного растворенными в нем продуктами
сгорания. В судостроении уплотнения должны изготовляться из
материалов, стойких по отношению к морской воде.
Сильное излучение обычно сказывается на деталях из неметал-
лических материалов (за исключением графита), снижая их эф-
фективность в зоне радиации.
Излучение обычно ухудшает характеристики неметаллических
материалов и способствует разложению многих рабочих жидко-
стей, вызывая появление продуктов коррозии.
Вообще, металлы с высокой коррозионной стойкостью плохо
работают в динамических условиях в паре с другими металлами.
Например, в то время, как стойкость по отношению к коррозии
нержавеющих сталей серии 300 стоит вне всякого сомнения, их
невысокие механические свойства — низкая твердость, низкие до-
пускаемые напряжения и плохая совместимость с другими метал-
лами — ограничивают применение этих сталей и делают его воз-
можным лишь в уплотнениях.с малым поперечным сечением ко-
лец при низких рабочих давлениях и скоростях. По этой причине
они не включены в табл. 3.
Износостойкость. В этом вопросе можно выделить два главных
момента — совместимость металлов и сопротивление абразивному
действию.
71
Таблица 3
Сред*	Темпера- тура в • С	Уплотнительные материалы	Возмож- ность примене- ния*
Жидкий кислород	—186	К-30 (тефлон со стеклово- локнистым наполнителем)	П, Н, В
Гидразин	230	К-ЗО (тефлон со стеклово- локнистым наполнителем)	П, Н, В
Гидразин	650	Стеллит 25 или 31	П, Н, В
Гидразин	650	Инконель X	Н
Воздух и большин- ство сухих газов	480	Графит	П, Н, В
То же	480	Нержавеющая сталь 410 и 17-4 PH	И
»	815	Карбидный слой	п, н, В
Вода высокой чи- стоты (+О2)	650	Стеллит 25 или 31	п, н, в
Водяной пар	188	Бронза	п, н, в
Жидкий натрий	370	Хромирование нержавею- щей стали 400	н
	650	Сталь 17-4РН, инконель X	н
* п — поршни и штоки, н — щиеся валы.		неподвижные соединения, в —	вращаю-
Совместимость является характеристикой пары соприкасаю-
щихся материалов и не может быть определена лишь одним из них.
В настоящее время не существует отвечающего в достаточной мере
всем требованиям общепринятого метода, которым можно было бы
заранее определить совместимость двух материалов, и для оценки
этой характеристики проводятся испытания рассматриваемой пары
на износ при сухом трении и при наличии смазки. Совместимость
двух материалов не является величиной абсолютной и для многих
пар широко меняется в зависимости от температуры, давления,
скорости скольжения, условий смазки и комбинации этих факто-
ров.
Прежде совместимость не была серьезной проблемой, поскольку
большинство требований, предъявляемых к материалу разрезных
колец, могло быть удовлетворено применением серого чугуна или
бронзы. Быстрое расширение в последние годы диапазона рабо-
чих температур в обе стороны, увеличение рабочих давлений и
скоростей, часто встречающаяся коррозионность среды и отсутст-
вие у нее смазочных свойств потребовали определить совмести-
мость громадного числа пар материалов.
Сопротивляемость абразивному износу также зависит от кон-
кретной пары рассматриваемых материалов. Твердость поверх-
72
ности была и продолжает оставаться эффективным средством умень-
шения износа истиранием, поскольку кольцо с повышенной твер-
достью обладает способностью соскребать посторонние частички
с поверхности твердого зеркала цилиндра, не допуская их внедре-
ния в какой-либо из элементов пары.
Другим свойством, которое играет важную роль в повышении
износостойкости, является пористость структуры материала. Ма-
ленькие пустоты в материале захватывают многие абразивные
частички, не позволяя им внедриться в сопряженную рабочую
поверхность под действием значительных местных контактных
давлений. Уменьшение ширины отметаемой кольцом поверхности
существенно повышает износостойкость. В тех случаях, когда
рабочая среда обладает какими-либо смазочными свойствами, ее
присутствие в пустотах на
поверхности материала еще	др
более снижает износ уплот- bSq
нительного кольца и зеркала
цилиндра.
Высокая износостойкость
чугунных поршневых колец Фиг. 15. Уплотнительное кольцо в рабо-
отчасти объясняется их по-	чем положении-
ристой структурой. В коль-
цах из более «плотных» материалов на рабочей поверхности мо-
гут быть выполнены специальные риски, предназначенные как
для абразивных частиц, так и для смазки. Уменьшение износа по-
казывает, что такие риски приводят к желаемому результату.
Механические проблемы. На фиг. 15 изображено в рабочем поло-
жении кольцо, на примере которого иллюстрируются основные
механические проблемы уплотнения разрезными кольцами:
1)	разрезное кольцо после надевания должно обладать свобо-
дой перемещения в осевом и радиальном направлениях с тем,
чтобы оно могло быть прижато к сопряженным с ним поверх-
ностям;
2)	плотность кольца зависит от рабочего давления, создающего
уплотняющее усилие в осевом направлении и дополнительное
усилие в радиальном;
3)	должен быть гарантирован осевой зазор, который обычно
конструктор назначает косвенным путем, указывая желательную
минимальную высоту канавки;
4)	радиальная прорезь и напряжения в кольце придают кольцу
свойство приспособляемости в радиальном направлении;
5)	форма кольца в свободном состоянии должна обеспечить
равномерное распределение радиальных давлений по окружности
после его установки;
6)	рабочие поверхности кольца и сопряженные поверхности
канавок должны быть изготовлены плоскими, ровными и с точно
выдержанными малыми допусками.
73
Эти требования одинаково справедливы как для разрезных
колец уплотнений, движущихся возвратно-поступательно, так и
для колец, работающих в стационарных условиях.
Технические условия. Ниже приведены сведения, которые дол-
жен сообщить конструктор машины заводу, изготовляющему
уплотнения, чтобы завод мог подобрать наиболее подходящий
их тип.
Величина утечек может быть уменьшена увеличением числа
колец данного типа или изменением конфигурации кольца на более
эффективную или же с более жесткими допусками.
Трение определяется совокупностью влияний особенностей кон-
струкции, материалов и условий смазки. Там, где требуется до
предела уменьшить сопротивление движению, возможно примене-
ние колец разгруженного типа, но все же следует оценить вели-
чину практически допустимой величины трения .
Длительность службы поршневых колец, вообще говоря, не
является проблемой. При правильно подобранных материалах
пары величина износа достаточно мала для большинства практи-
ческих применений. Помимо того, сама конструкция разрезных
колец обеспечивает компенсацию износа, увеличивая тем самым
срок службы уплотнения.
Следует точно определить величину располагаемого габарита
для уплотнения с разрезными кольцами. Канавки под О-образные
кольца обычно слишком малы, а для камер сальников отводится
очень много места. Оптимальная конструкция предъявляет жест-
кие требования к занимаемому ею пространству. Технологические
возможности могут повлиять на выбор типа уплотнения, предна-
значенного для установки на валы с диаметром менее 25 мм.
Должна быть указана рабочая среда; от того, какими вязкост-
ными и смазочными свойствами она обладает, будет зависеть ве-
личина утечки. Тесно связан с этим и вопрос о загрязненности,
которая может снизить эффективность уплотнения или вызвать
его интенсивный износ. В период простоя машины или при хране-
нии узлов рабочая среда может вызывать коррозию. Это особенно
вероятно в случае пневматических систем или когда не допускается
смазка рабочих поверхностей во время хранения. Главной при-
чиной повышенной коррозии, например, в морских условиях мо-
жет явиться окружающий воздух.
Необходимо указать диапазон рабочих давлений, потому что
им определяется величина утечек. В соответствии с рабочим давле-
нием назначаются основные соотношения и определяется конструк-
тивное исполнение уплотнения. Высокие давления могут вызвать
Деформации, которые следует принимать во внимание. На конструк-
цию уплотнения влияет допустимая величина силы сопротивления
Движению и наличие или отсутствие перемены направления давле-
ний. Следует учитывать также внезапные колебания рабочего да-
вления.
74
При конструировании уплотнения рассматривается характер
движения уплотняемых деталей. Необходимо сопоставлять дви-
жение колец с направлением действия сил давления. Если системе
присущи биения, то необходимо оценить их величину. Большая
инерционность колец иногда приводит к неплотной посадке по ра-
бочим поверхностям, особенно в тех случаях, когда сила сопроти-
вления движению достигает
предельных величин.
Температура системы оказы-
вает влияние на величину уте-
чек, зазоров и выбор характе-
ристик материалов. Вязкость
рабочей среды зависит от тем-
пературы, а величина утечек,
как правило, обратно пропор-
циональна вязкости. Вместе
с тем относительный линейный
коэффициент теплового расши-
рения материалов, примененных
в уплотнении, определяет собой
минимально возможные зазоры.
В табл. 4 приведены коэффици-
енты линейного расширения не-
которых материалов, применяе-
мых в уплотнениях.
Необходимо знать физиче-
ские свойства материалов уплот-
нения в диапазоне рабочих тем-
Таблица 4
Коэффициенты линейного расширения
Материалы	Коэффициент линейного расширения в см/см ° С- 10е
Нержавеющая сталь (хромоникеле- вая) 	 Нержавеющая сталь (хромистая) Чугун	 Высоконикелевый чугун 	 Карбиды 	 Стеллит 	 Алюминий •  . Бронза 	 Г рафит 	 К-30 (по окруж- ности) 	 К-ЗО (в осевом на- правлении) 		18 10,8 10,8—14,4 19,8 5,4—7,2 14,4 21,6—24,3 18 2,7—3,6 54 162
ператур, поскольку на те напря-
жения, которые возникают в разрезном кольце в рабочих усло-
виях, накладываются еще и напряжения от динамических нагрузок.
Рабочие поверхности, особенно цилиндрические, имеют исклю-
чительно важное значение, а поэтому всегда следует уделять осо-
бое внимание подбору их материалов, правильному назначению
чистоты поверхности и геометрических размеров. Должна быть
установлена совместимость материалов с точки зрения фрикцион-
ных качеств пары, причем при рабочих температурах. Коэффи-
циент трения и величины относительного износа любых двух ма-
териалов, получаемые в результате испытаний, обычно определяют
собой такие характеристики пары, как совместимость, износ,
сопротивление движению и количество выделяющегося при работе
тепла в конкретных условиях применения.
Независимо от коэффициента трения и действительной вели-
чины износа следует изучить тенденцию пары к задиру и заеданию
поверхностей. В некоторых случаях следует предусматривать воз-
можность проявления электрохимического эффекта, особенно
когда рабочая среда способствует этому.
75
Существенны условия смазки. Если рабочая среда не обладает
смазочными свойствами, то к рабочим поверхностям должна быть
подведена смазка. Такая специальная смазка иногда требуется
лишь на период приработки колец или применяется в течение
всего срока службы. В некоторых случаях для достижения хоро-
шей работы уплотнения с успехом применяется покрытие пленкой
сухой смазки х.
Выбор уплотнения. При выборе наиболее рационального типа
уплотнения с разрезными кольцами можно руководствоваться
следующими правилами:
I)	если допустимая величина утечек позволяет применить раз-
резные кольца с прямым замком, то следует остановиться на этом
типе уплотнения, как на самом простом и экономичном;
2)	если требуется выполнить уплотнение лишь в одном напра-
влении, а требования к величине утечек не очень жестки, то вплоть
до диаметра вала в 35 мм могут быть применены стандартные
кольца со ступенчатым замком. Специальные прецизионные кольца
такого типа могут удовлетворить высоким требованиям по герме-
тичности уплотнения;
3)	для малых по размерам уплотнений, работающих в одном
направлении, рекомендуется использовать строенные кольца;
4)	сдвоенное кольцо уплотняет в обоих направлениях и при-
меняется там, где требуется это свойство;
5)	для уменьшения силы сопротивления движению могут при-
меняться кольца разгруженного типа;
6)	для создания высокой плотности колец в условиях изме-
няющихся давлений или постоянных низких давлений можно при-
менить торцовое нагружение кольца, чтобы обеспечить плотный
контакт между торцовыми поверхностями кольца и канавки.
Подбор материалов. Из механических свойств материалов, ко-
торые обязательно должны учитываться при конструировании
уплотнения, следует отметить предел прочности при изгибе, удар-
ную вязкость, модуль упругости, твердость и термическую ста-
бильность.
Под термической стабильностью подразумевается способность
материалов сохранять неизменными свои свойства при повышен-
ных температурах. Предел термической стабильности или макси-
мальная рабочая температура определяется тем значением темпе-
ратуры, выше которого уплотнительное кольцо начинает терять
упругость и перестает сохранять зазор в замке, или уменьшается
твердость поверхности, а вместе с ней сопротивляемость износу
и задиру. Иногда высокие температуры могут вызвать окисление
поверхностей. Сочетание высоких скоростей и давлений приводит
к выделению ощутимых количеств тепла трения. Табл. 5 содержит
рекомендации по максимальным рабочим температурам для боль-
1 Например, MoS2. (Прим, ред.)
76
Таблица 5
Предельные температуры для металлов
и поверхностной обработки рабочих поверхностей
Ма териалы	Температура в °C
Низколегированный серый чугун	 Ковкий чугун 	 Высокопрочный чугун	 Высоконикелевый чугун	 Высокопрочный высоконикелевый чугун 	 Нержавеющая сталь 410	 Нержавеющая сталь 17-4 PH 	 Бронза		 Стеллит 31		 Инконель X 	 Инструментальная сталь, твердость по Роквеллу 62—65 Графит (температуростойкий)	  . К-30 (тефлон со стекловолокнистым наполнителем) . . Монель-5		340 370 370 425 535 480 480 260 650 650 480 510 От —268 до 4-260 510
Тип обработки	Температура в ®С
Хромирование	 Лужение оловом 	 Серебрение 	 Кадмиевоникелевое	 Наплавка порошком LW-1	 Наплавка порошком LC-1A 	 Наплавка порошком LA-2 		260 370 315 537 537 870 870
шинства применяемых материалов и поверхностной обработки
уплотнительных колец.
Область применения. Разрезные уплотнительные кольца в за-
висимости от своего назначения могут быть разбиты на пять ос-
новных групп: поршневые кольца, пружинящие внутрь (сальни-
ковые) кольца, разрезные кольца для уплотнения вращающихся
валов, уплотнительные кольца заслонок и кольца неподвижных
соединений.
Поршневые кольца. Наиболее широкой областью применения
разрезных колец являются поршневые уплотнения, применяемые
для создания плотного герметичного стыка между зеркалом ци-
линдра и поршнем, совершающим возвратно-поступательное дви-
жение (фиг. 16).
Поршневое уплотнение может быть выполнено в виде одного
или нескольких колец. Практика показывает, что второе уплотни-
тельное кольцо со ступенчатым замком снижает утечки примерно
77
Иа 15%. Третье и последующие Кольца уменьшают утечки незна^
чительно, однако они могут существенно удлинить межремонтный
период, вступая в работу по мере износа первого кольца.
Сальниковые разрезные кольца издавна устанавливаются на
штоках с возвратно-поступательным движением. В настоящее
время они являются предметом широких исследований, проводи-
мых с целью создания уплотнений на высокие температуры и давле-
ния для авиационных систем управления. На фиг. 17 показано
типичное прижимающее внутрь уплотнение штока.
Упругость обжимных сальниковых колец обычно ниже, чем
у поршневых колец. Поэтому часто приходится прибегать к по-
Фиг. 17. Уплотнение штока
пружинящими внутрь коль-
цами.
Фиг. 16. Типичное
сдвоенное разрезное
кольцо на поршне.
Фиг. 18. Уплотнение
вращающегося вала.
мощи вспомогательных пружин, чтобы обеспечить лучшее приле-
гание кольца к поверхности штока. Как правило, сальниковые
разрезные кольца размещаются в отдельном сборном корпусе.
В авиационной технике, где требуется высокая герметичность
уплотнений, такая эффективность достигается за счет их усложне-
ния.
Уплотнения вращающихся валов. Другим примером примене-
ния разрезных колец является их использование для уплотнения
вращающихся валов. На фиг. 18 представлена типичная схема.
Пружинящие кнаружи уплотнительные кольца под влиянием
внутренних напряжений и уплотняющего рабочего давления
должны оставаться неподвижными относительно расточки корпуса.
Все относительные перемещения совершаются между торцовыми
поверхностями кольца и канавки на роторе.
Еще одно требование заключается в том, что располагаемое
давление среды должно создать достаточное усилие на кольцо
в осевом направлении, чтобы обеспечить плотный контакт по тор-
цовой поверхности. Это создает довольно жесткие требования
к поперечному сечению и форме кольца в свободном состоянии.
Уплотнение заслонок иллюстрирует фиг. 19. Такая форма
кольца с незначительными отклонениями применяется на задвиж-
ках диаметром от 25 мм до 3 м.
78
Для эффективного уплотнения зазоров кольцо должно обеспе-
чивать непрерывную линию контакта с корпусом клапана. Тор-
цовые поверхности кольца и канавок должны быть ровными и
плоскими для создания плотного контакта между собой. Часто
применяют два очень узких кольца с прямым замком, размещенных
в одной канавке. При больших диаметрах используются сегмент-
ные кольца с плотными стыками уплотнительных элементов. При
этом применяются более жесткие, чем обычно, допуски на радиаль-
ную толщину колец и глубину канавок, поскольку в этом типе
Фиг. 19. Уплотнение заслонки.
кольца фиксация производится по
цилиндрической поверхности ка-
навки.
Фиг. 20. Уплотнение неподвиж-
ного соединения.
Большой радиальный зазор между кольцом и дном канавки
может вызвать его выпадание из канавки при открытом положе-
нии задвижки и застревание при закрытии. Так как относительное
движение между корпусом клапана и кольцами невелико, то сов-
местимость материалов сопряженных деталей здесь не столь важна,
как способность сохранить первоначальную конфигу ацию в усло-
виях рабочих температур и давлений.
Использование разрезных колец в неподвижных соединениях
является последней из пяти основных областей их применения.
На фиг. 20 показан типичный пример уплотнения неподвижных
соединений.
Здесь отсутствует относительное перемещение деталей, за исклю-
чением, быть может, тепловых расширений. Металлические раз-
резные кольца в статических условиях применяются, как пра-
вило, при рабочих температурах свыше 200° С. Следовательно,
прежде всего необходимо рассмотреть термическую стабиль-
ность материала, а также его сопротивляемость коррозии и окис-
лению.
Вывод. Нижеследующие пункты излагают важнейшие мо-
менты, вытекающие из теории разрезных колец:
1.	Разрезные кольца приводятся в рабочее положение под дей-
ствием уплотняемой среды.
79
2.	Разрезные кольца с прямым замком работают с утечками
через зазор в стыке и применяются в качестве пружинящих кна-
ружи поршневых колец при не слишком тяжелых условиях. Саль-
никовые пружинящие внутрь разрезные кольца с прямым замком
обычно недостаточно эффективны для уплотнения штоков.
3.	Кольцо со ступенчатым замком, выполненным внахлестку
под углом к оси поршня, обеспечивает плотный контакт своих
концов. Уплотняет оно в одном направлении. Утечки случайны
и по величине значительно меньше, чем в кольце с прямым замком.
4.	Сдвоенное кольцо со ступенчатым замком уплотняет в обоих
направлениях и, как правило, более плотно, чем предыдущее.
5.	Строенное кольцо по схеме «наружное, внутреннее и боко-
вое» служит для уплотнения в одном направлении и в неразгру-
женном исполнении создает меньшие технологические трудности,
чем сдвоенное кольцо. Строенное кольцо по схеме «наружное,
наружное и внутреннее» может уплотнять в обоих направлениях.
Оба типа колец приемлемы для уплотнений малых размеров.
6.	Для динамических уплотнений следует стараться сделать
по возможности равными радиальные и осевые силы. Это особенно
важно при высоких коэффициентах трения.
7.	В динамических уплотнениях предпочтительно применение
материалов с невысокой плотностью, что позволяет изготовить
кольца с малой инерционностью.
8.	Для колец, уплотняющих только в одном направлении,
разгрузочные канавки способствуют уменьшению износа. Нужно
стремиться уравнять усилия в осевом и радиальном направлениях.
Сдвоенные кольца можно разгрузить по замку в большей степени,
чем строенные, и поэтому сдвоенные кольца имеют меньший износ
по стыковым поверхностям.
9.	Значительное снижение утечек в сальниковых уплотнениях,
особенно при низких давлениях, можно получить уменьшением
радиальной толщины колец и применением спиральных кольце-
вых и осевых витых цилиндрических пружин для создания уплот-
няющих усилий в радиальном и осевом направлениях соответст-
венно.
10.	Эффективность строенных колец, работающих в динами-
ческих условиях, может быть повышена, если боковое кольцо
сделать составным (сегментным) и разгруженным по давлению.
i
л
К
ГЛАВА 7
ОСЕВЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ УПЛОТНЕНИЯ
Термин «осевое механическое уплотнение», или «торцовое уплот-
нение» обозначает устройство, которое обеспечивает динамический
контакт между плоскими, тщательно обработанными поверхно-
стями. В применении к вращающимся валам уплотняющие поверх-
ности почти всегда располагаются перпендикулярно оси вала.
Силы, поддерживающие контакт трущихся поверхностей, парал-
лельны оси вала.
I Осевые механические уплотнения заменяют обычные сальники
!' с мягкой набивкой там, где в условиях значительных перепадов
давлений следует полностью устранить утечки рабочей среды.
У этих уплотнений ряд преимуществ: небольшие потери мощности
на трение, исключен износ вала или втулок на валу, полная гер-
 метичность или строго ограниченные утечки в течение длительного
। срока службы, сравнительно невысокая чувствительность к про-
1 гибу и биениям вала, отсутствие необходимости в периодическом
1 обслуживании.
| Осевые механические уплотнения имеют и свои недостатки.
: Как любое точное устройство, они требуют осторожного обращения
- и тщательного монтажа.
Отличаясь в деталях, все конструкции механических уплотне-
; ний включают в себя следующие элементы: вращающееся уплот-
' нительное кольцо, неподвижное уплотнительное кольцо, пружин-
; ное нагружающее устройство, уплотнение неподвижных соеди-
! нений.
Вращающееся и неподвижное уплотнительные кольца прижи-
маются друг к другу усилием, которое создается пружинным уст-
ройством, причем уплотняющий контакт образуется на трущихся
i поверхностях этих колец.
j В конструкциях торцовых уплотнений для предотвращения
! утечек жидкости между вращающимся кольцом и поверхностью
^вала вводятся статические уплотнительные элементы.
Поскольку вращающееся кольцо неподвижно относительно
вала, то уплотнение в месте их соединения легко выполнить в виде
щрокладок, О-образных колец, V-образных колец, манжет и т. д.
6 Дж. А. Паркс и др.	81
Первая часть этой главы посвящена осевым механическим уплот-
нениям общего назначения и рассмотрению обычных конструкций.
Во второй части детально рассмотрены сильфонные механические
уплотнения, в которых сильфон используется в качестве стати-
ческого уплотнительного элемента. Этот особый тип торцовых
уплотнений применяется в тяжелых температурных условиях и
там, где остальные способы герметизации неподвижных соедине-
ний не могут работать достаточно эффективно. Сильфонные ме-
ханические уплотнения эффективны, надежны, но дороги.
ОБЩИЕ ТИПЫ
(Harry Tankas)
Главным преимуществом торцовых механических уплотнений
является их высокая герметичность. Например, отношение вели-
чины утечек через механические сальники и торцовые уплотнения
в среднем равно 100 : 1. В дополнение к этому торцовое уплотне-
ние вызывает очень малый tishoc поверхности втулки или вала,
на которых оно монтируется. Динамическое уплотнение осущест-
вляется на поверхностях, расположенных перпендикулярно оси
вала. Между вращающейся частью уплотнения (головкой) и ва-
лом (либо втулкой) существует лишь очень небольшое относитель-
ное движение, благодаря чему весьма редко возникает необхо-
димость замены деталей, на которых смонтирована головка
уплотнения. В большинстве случаев торцовое уплотнение при-
меняют или собранным в самостоятельном корпусе, или впи-
санным в узел по основным монтажным размерам. Не следует по-
лагаться на ручную сборку уплотнительных устройств на месте
монтажа машины, поскольку сборку уплотнения в самостоятель-
ный корпус проще выполнить на заводе-изготовителе.
Стандартные торцовые уплотнения применяются в мощных
насосах при рабочем давлении до 210 ат, в самолетных установ-
ках при скоростях до 15000 м/мин и при температурах свыше 260°С.
Для некоторых узлов самолетов и управляемых снарядов разра-
ботаны уплотнения с рабочей температурой около 540° С. Торцо-
вые уплотнения допускают значительные биения вала. Добиться
надежной работы уплотнения в конкретных условиях можно лишь
при достаточных знаниях проблематики уплотнений и сущест-
вующих конструкций.
Основное исполнение торцового уплотнения показано на фиг. 1.
На вал с простым О-образным кольцом в качестве статического
уплотнительного элемента надевается корпус, в котором разме-
щена одна из двух уплотнительных поверхностей. Размещенное
в корпусе обжимающее О-образное кольцо обеспечивает плотный
контакт на поверхности вала. Для поддержания плотного контакта
рабочих поверхностей в период стоянки или при падении гидрав-
82
лического давления в конструкцию уплотнения вводится пружин-
ное устройство, которым создается дополнительное уплотняющее
усилие в осевом направлении.
Уплотнение в сборе состоит из двух частей: основного узла
уплотнения (головки), включающего в себя корпус, торцовый
элемент и пружинное устройство, и седла с ответной торцовой
тщательно обработанной уплотнительной поверхностью.
Неподвижные и вращающиеся уплотнения. Основной узел
уплотнения может быть или привязан к валу и совершать враща-
тельное движение, или размещен в корпусе изделия и оставаться
неподвижным. Если основ-
ной узел вращается, то
седло неподвижно и наобо-
рот. Это справедливо всег-
да, за исключением случая
герметизации стыка двух
роторов, когда оба узла
могут совершать враща-
тельное или осциллирую-
щее движение.
Основной узел уплотне-
ния. Конструкция уплотне-
ния (вращающегося или
неподвижного узла) зави-
сит от направления сил
давления (фиг. 2). На по-
Фиг. 1. Схема конструкции торцового уплот-
нения. Основной узел уплотнения может
быть вращающимся или неподвижным:
1 — пружина; 2 —0-образное кольцо уплотнения
по валу; 3 — подвижное кольцо; 4 —* крышка
(обойма); 5 — седло; 6 — вал.
казанных примерах на-
правление сил давления
таково, что оно способ-
ствует уплотнению стыка торцовых поверхностей. Возможность
использования какой-либо из этих модификаций определяется
конкретными условиями применения.
Вращающиеся основные узлы уплотнения чаще всего приме-
няют на точно обработанных валах из высококачественных мате-
риалов. Большинство деталей таких уплотнений при разме-
щении их внутри сальниковых коробок работает на сжатие,
что выгодно по соображениям прочности. Вращающиеся узлы
уплотнения собираются на сравнительно простых втулках или
валах.
Неподвижную конструкцию основного узла уплотнения лучше
применять при относительно высоких скоростях. Такое уплотне-
ние с одной лишь вращающейся деталью — седлом — требует
меньшей точности динамической балансировки. Кроме того, назна-
чение жестких допусков при изготовлении позволяет более легко
уменьшить небаланс в том случае, когда подвижной деталью яв-
ляется одна деталь — седло уплотнения, а не ряд деталей основ-
ного узла. Там, где условия работы несложны, неподвижная
6*
83
конструкция основного узла может оказаться удобной в отноше-
нии размещения уплотнения.
Одним из недостатков неподвижного основного узла уплотне-
ния являются жесткие допуски на расточку в корпусе и состояние
ее поверхности. Для того чтобы сохранить основные достоинства
неподвижного уплотнения, часто приходится применять вспомо-
гательные втулки или гильзы.
Вращающийся узел
Фиг. 2. Методы уплотнения вращающихся и неподвижных узлов уплотнения.
Выбор зависит от направления действия рабочего давления:
а — давление по наружному диаметру уплотнительных торцов; б — давление по внут-
реннему диаметру уплотнительных торцов; в — давление по внутреннему диаметру уплот-
нительных торцов; г — давление по наружному диаметру уплотнительных торцов.
Типы седел в торцовых уплотнениях. Конструкции седел раз-
личны для стационарных и вращающихся основных узлов (фиг. 3).
Наиболее разнообразны конструкции неподвижных седел, легко
устанавливаемые на торцовой крышке.
В тех случаях, когда применяются хрупкие, например, керами-
ческие, материалы, необходимо добиться того, чтобы усилия, ко-
торым они подвергаются, приводили к появлению только напря-
жений сжатия. С другой стороны, в торцовых уплотнениях с вра-
щающимся седлом возникают определенные трудности. Если для
уплотнения по внутреннему диаметру седла применяется обычное
О-образное кольцо, то любое расширение кольца приводит к появ-
лению напряжений растяжения в седле. Для хрупких материалов
это представляет известную опасность. Чтобы избежать ее, обычно
стремятся правильно подобрать материалы седла и эластичных
элементов, но в конструкциях со стационарным основным узлом
уплотнения добиться этого нелегко.
84
Уплотнение на поверхности вала. Такое уплотнение может
обеспечиваться О-образными и V-образными кольцами, манже-
тами, клиновидными деталями, сильфонами (фиг. 4). Первые че-
Фиг. 3. Седла для вращающихся и неподвижных узлов уплотнения:
а — L-образное; б — с O-образным кольцом: в — под затяжку фланцем через прокладки;
г — с обоймой; д — под запрессовку; е — за одно целое с крышкой; ж — обратное L;
з — с внутренним О образным кольцом; и — под затяжку через прокладки; к — напрес-
сованное.
тыре способа входят в одну категорию — поджимные уплотнения.
По мере износа уплотняющих поверхностей эти уплотнительные
Поджимные элементы
Фиг. 4. Уплотнения по валу с под-
жимными и сильфонными элемен-
тами:
/ — О-образное кольцо; 2—V-образное
кольцо; <3 — U-образная манжета;
4 — клиновое уплотнение; 5 — резино-
вая гармоника; 6 — сильфон.
элементы несколько перемещаются в осевом направлении, сохра-
няя тем самым плотность стыка.
Поджимные элементы. В случае О-образных колец надлежащий
уплотняющий эффект создается как предварительным деформи-
рованием кольца, так и давлением рабочей среды.
85
Плотность V-образных колец, манжет и клиновидных элемен-
тов также обеспечивается гидравлическими и механическими сред-
ствами. Предварительное нагружение уплотнительных элементов
достигается с помощью пружинного действия некоторых деталей
и рабочего давления в сальниковой камере.
V-образные кольца и U-образные манжеты уплотняют по по-
верхности вала и соответствующей поверхности корпуса узла.
Уплотняющий эффект достигается нажимной втулкой, которая под
действием усилия пружины или давления рабочей среды раздви-
гает внутреннюю и внешнюю губы манжеты.
Для поджимных элементов типичными являются такие мате-
риалы, как резина, пластики, асбест и металлы. Для полной гер-
метизации соединения требуется рациональная конструкция и тща-
тельный подбор материалов. Например, при высоких давлениях и
колебаниях температур от —70° С до +200—260° С можно уплот-
нить стык, используя плотно посаженные резиновые О-образные
•--кольца. Однако О-образные кольца из пластиков, скажем, из теф-
лона, при такой же разности температур могут показать худшие
результаты у нижней границы указанного диапазона температур.
Одновременно со снижением рабочей температуры происходит
усадка тефлоновых V- и U-образных манжет. Это приводит к из-
менению всех размеров манжеты и в частности внутреннего и на-
ружного диаметров. Единственным противодействующим факто-
ром является усилие нажимной втулки, вызывающее раздвижение
губ манжеты.
При низких температурах тефлон становится хрупким, что
создает дополнительные трудности при обеспечении плотного
прилегания манжеты к уплотнительным поверхностям. Необхо-
димо знать, сколь велико должно быть суммарное усилие пружины
и давления в корпусе основного узла, достаточное для поддержания
уплотнительного контакта на внутренней и внешней поверхности
V-образного кольца.
В клиновидной конструкции тефлоновых элементов уменьше-
ние рабочей температуры приводит к более плотному обжатию
поверхности вала конусной нажимной втулкой. Это явление не
связано непосредственно с величиной рабочего давления. С повы-
шением температуры тефлоновое кольцо может выступить из кор-
пуса и таким образом возникает периодическое движение кольца.
Конусные втулки уплотнения действуют подобно шаровому
шарнирному соединению и в некоторых исполнениях не теряют
своей эффективности при прогибах вала до 2,5 мм, если скорости
не очень высоки. Но V- и U-образные кольца, изготовленные из
того же материала, с параллельными рабочими поверхностями,
обладают этой способностью в гораздо меньшей степени. По этой
причине при невысоких скоростях вращения практичнее приме-
нять уплотнение конусными втулками, особенно там, где неиз-
бежны сильные биения вала.
86
Сильфонные элементы. Сильфон отличается от подвижных
элементов тем, что он образует неподвижное абсолютное уплотне-
ние по поверхности вала. Относительные перемещения в осевом
направлении полностью компенсируются эластичностью сильфона.
В одних случаях применяются рукава из резины либо пластиков,
в других — металлические сильфоны различных конструкций
с гофрой или из сварных дисков (фиг. 4). Неподвижное соединение
резиновой гармоники с валом достигается обжатием ее цилиндри-
ческого пояска металлической втулкой. Для полной герметиза-
ции необходимо, чтобы между соединяемыми поверхностями про-
Фиг, 5. Типы пружин для предварительного нагружения торцо-
вых поверхностей:
л — одна пружина; б— многопружинное устройство; в — волнистая
пружина.
изошла адгезия. Металлические сильфоны привариваются либо
крепятся болтовым соединением.
Сильфонные элементы в отличие от поджимных не подвержены
загрязнениям. Посторонние частички, собирающиеся перед под-
жимным элементом, могут образовать барьер. Применение силь-
фонов снижает эту опасность благодаря тому, что детали вращаю-
щегося узла уплотнения защищены от воздействия посторонних
частиц.
Осевое уплотняющее усилие. Для поддержания контакта уплот-
нительных торцовых поверхностей при отсутствии рабочего
давления требуется создать дополнительное уплотняющее усилие
с помощью какого-либо устройства, чаще всего с применением
пружин.
Одна пружина. Однопружинное уплотнение (фиг. 5) с относи-
тельно большими размерами самой пружины способно длительное
время работать в условиях коррозионной среды. Препятствием
для широкого применения однопружинных устройств могут
служить как трудность создания равномерного распределения
87
уплотняющих давлений по всей торцовой поверхности, так и габа-
ритные ограничения в осевом направлении. К тому же центробеж-
ные силы, возникающие при вращении вала, вызывают раскру-
чивание пружины.
Многопружинные устройства (фиг. 5) имеют меньшую длину.
Одни и те же пружины могут быть использованы в соответствую-
щих комбинациях в уплотнениях различных размеров. Величину
уплотняющего усилия легко регулировать изменением количества
пружин. Регулирование величины уплотняющего усилия воз-
можно и в однопружинных устройствах, но это требует больших
перемещений в осевом направлении при сравнительно небольших
изменениях усилий. Многопружинные конструкции в большей
степени противостоят раскручиванию от центробежных сил, чем
одна пружина, так как сила приложена иначе и, кроме того, пру-
жины заложены в обоймы.
Недостатком многопружинных устройств является малый диа-
метр проволоки, в связи с чем быстро наступает чрезмерная кор-
розия. Значительных успехов в этом направлении можно добиться,
применяя для навивки пружины нержавеющие стали и сплавы
Hastelloy.
Волнистые пружины. Волнистые пружины из проволоки
(фиг. 5) не требуют больших размеров в осевом направлении.
Недостаток таких пружин выражается в узком диапазоне рабочих
температур, который ограничивает выбор материалов антикор-
розийными сплавами—нержавеющими сталями и Hastelloy.
Волнистые пружины отличаются повышенной жесткостью.
Электромагнитный способ нагружения является новым спо-
собом, полностью исключающим необходимость применения пру-
жин. Однако электромагнитные устройства требуют отсутствия
магнитных частиц и грязи, небольших по размерам торцовых
уплотнительных элементов, достаточных центробежных сил для
отбрасывания с деталей устройства посторонних частиц, обладаю-
щих магнитными свойствами, некоррозионной среды или выполне-
ния магнитных элементов из антикоррозионных материалов.
Этот способ не нашел широкого распространения.
Фиксация от проворачивания. Фиксацию от проворачивания
применяют в конструкциях торцовых уплотнений с целью исклю-
чения излишних напряжений в поджимных элементах из резины
или пластиков и обеспечения механического сцепления между
деталями уплотнения или между уплотнительным кольцом и базо-
вой деталью.
Без такой фиксации крутящий момент, возникающий на тру-
щихся уплотнительных поверхностях, будет передаваться на вал
через эластичный элемент, вызывая его скручивание, отвердение,
растрескивание и выход из строя.
Промышленностью выпускаются уплотнения и без фиксации от
проворачивания. Стоимость их, как правило, невелика. Для фикса-
88
ции от проворачивания используются различные способы, неко-
торые из них представлены на фиг. 6.
Часто применяют простой и экономичный способ местного
вдавливания втулки во впадину на валу.
При высоких рабочих давлениях на сравнительно крупных
установках нефтеперерабатывающей промышленности и в других
случаях применяется способ фиксации с помощью шпонки.
Фиксация посредством установочных винтов проста по испол-
нению. Стандарты предусматривают возможность применения
Фиг. 6. Способы передачи крутящего момента (фиксации от проворачивания).
Исключается возможность появления в уплотнительных элементах напряжений
от крутящего момента, возникающих на торцовых поверхностях:
а — кернение; б — шпонка; в — установочный винт; г — штифт; д — стопорное кольцо;
г — шлиц; ж — резиновая гармоника; з — пружина; и — прессовая или горячая
посадка.
винтов с полукруглым, коническим или затупленным концом в за-
висимости от величины нагрузок и подобранных материалов.
Шпильки и стопорные штифты применяются для фиксации от
проворачивания как в основных узлах уплотнения, так и в конструк-
циях седла. Следует оценивать то усилие, которое может переда-
ваться в основном узле на штифты в результате появления на
трущихся поверхностях момента трения^Для фиксирования нсГД
подвижных уплотнительных ’колец йдТут применяться стопорные '
штифты. Это особенно целесообразно, когда кольцо изготовлено
из материалов, меняющих со временем свои геометрические раз-
меры. к ним относятся тефлон, обладающий способностью «течь»
89
в холодном состоянии, и некоторые резины, которые могут полу-
чать усадку под воздействием некоторых сред и температур.
В уплотнениях с вращающимся седлом штифт надежно связывает
кольцо с валом, исключая возможность его проворачивания.
’ Фиксация стопорными кольцами часто применяется там, где
габаритные ограничения не позволяют использовать другие спо-
собы и где канавка под кольцо, что особенно важно, не влечет су-
щественного ослабления вала. Силы трения между стопорным коль-
цом и его канавкой превосходят по величине те силы, которые воз-
никают на трущихся торцовых поверхностях уплотнения. Но при
очень больших крутящих моментах может произойти проскальзы-
вание стопорного кольца относительно вала.
Фиксация с помощью шлица является надежным способом со-
единения двух металлических деталей, особенно, когда оно прини-
мает форму многошлицевого соединения. Это один из лучших
способов сопряжения двух деталей, сохраняющих свободу отно-
сительного перемещения в осевом направлении. Принцип этой
конструкции не мешает сохранить свободу перемещения деталей,
обычно свойственную основному узлу.
Фиксация с помощью резиновых деталей основана на совмест-
ном действии механического обжатия и химической адгезии. Неко-
торые резины, надетые на вал с натягом, проявляют ярко выражен-
ную тенденцию к адгезии и обеспечивают хорошую фиксацию
от проворачивания. Хотя резиновые О-образные кольца также
обладают этим свойством, контактная поверхность кольца и вала
мала в сравнении с цилиндрическим пояском резиновых гармо-
! ник. У сильфонов цилиндрический поясок образует контакт с ва-
лом по довольно большой площади. Не все резины обладают оди-
наково сильными адгезионными свойствами. Этот недостаток мо-
жет быть устранен, если контактную поверхность уплотнительного
элемента в той или иной форме подвергнуть специальной обра-
ботке/.
Передача крутящего момента подвижному кольцу уплотне-
ния может быть выполнена с помощью пружин, т. е . предвари-
тельным сжатием цилиндрических г пружин и закреплением
концов витков в пазах соответствующих деталей. Положитель-
ной чертой этого способа является дополнительное усилие пред-
варительного сжатия пружины на кольца торцового уплотнения
и увеличение прочности пружин. Однако жесткость, которую
пружина приобретает в связи с утолщением проволоки, приводит
к нежелательной характеристике: незначительные деформации
пружины в осевом направлении вызывают большие изменения
нагрузки на торцы уплотнения. Следовательно, даже при малом
износе торцовых поверхностей уплотняющее усилие заметно
уменьшается.
““'' Прессовая посадка для передачи крутящего момента обеспе-
чивает хорошее механическое соединение деталей в тех случаях,
90
когда натяг сохраняется при всех температурных изменениях раз-
меров и если можно избежать деформирования деталей при на-
прессовке; кроме того, должен быть предусмотрен удовлетвори-
тельный способ замены детали.
Подбор уплотнения. При подборе торцового уплотнения сле-
дует тщательно анализировать взаимное влияние на общую эффек-
тивность узла отдельных элементов его конструкции, обеспечи-
вающих передачу крутящего момента (способа фиксации от прово-
рачивания), создание осевого усилия и гибкость устройства. Чрез-
мерное увлечение обеспечением одной из характеристик может
отрицательно сказаться на эффективности уплотнительного
устройства. Уплотнение должно подбираться в соответствии
с его конкретными условиями работы. Рабочая температура и
химические факторы играют исключительно важную роль при вы-
боре наиболее рационального уплотнения. Предельной темпера-
турой для стандартных синтетических уплотнений является 105° С,
хотя разработаны некоторые конструкции на рабочие температуры
до 315° С. Тефлон, будучи химически почти инертен, успешно при-
меняется в диапазоне рабочих температур от —185° до 290°С.
Большинство изготовителей уплотнений берут за верхний темпе-
ратурный предел применения тефлона 260° С, что объясняется
снижением его предела прочности при растяжении выше этой
температуры.
Химическое разложение тефлона начинается при температурах
выше 390° С.
В диапазоне от 260 до 315° С могут быть использованы метал-
лические сильфоны, металлические V-образные или поршневые
кольца. Но эти виды уплотнений рассматриваются особо.
Смазка. Для достижения полной эффективности уплотнитель-
ного устройства необходимо предусмотреть достаточную смазку
рабочих поверхностей. Коксование, которое может быть вызвано
переменными температурными условиями, способно ограничить
свободу перемещения элементов уплотнения. Надежность уплот-
нения становится еще более трудным вопросом, когда предельно
высокие температурные условия сочетаются с повышенным рабо-
чим давлением. Лучшая смазка может быть достигнута охлаж-
денной жидкостью, но лишь при температурах не ниже тех, при
которых сохраняются ее смазочные свойства.
Охлаждение. Некоторые из возможных способов охлаждения
уплотнений показаны на фиг. 7. Один способ заключается в ох-
лаждении неподвижного седла. В другом — охлаждение выпол-
нено с помощью циркуляции нейтральной жидкости в сдвоенном
уплотнении.
Холодильник и насосное кольцо, образующие одно целое
с уплотнением, обеспечивают достаточное охлаждение камеры.
Применяются также и охлаждающие рубашки. Это устройство
представляет собой замкнутое пространство в камере сальника
91
между уплотнением и уплотняемой системой, через которую цир-
кулирует охлаждающая жидкость. Этим самым снижается темпе-
ратура окружающей уплотнение
подбод охлаждающей
воды
Охлаждение через неподвижное седло
Теплообменник и насосное кольцо
Циркиляцир холодной воды
Охлаждающая рубашка
Фиг. 7. Методы внешнего охлаждения
уплотнения.
среды.
Износостойкость. Темпе-
ратура и химическая стой-
кость материалов играют
первостепенное значение в
вопросах износа торцовых
поверхностей уплотнения и
общей длительности его служ-
бы. Для уменьшения износа
торцовых поверхностей сле-
дует соблюдать некоторые
правила. Жидкость в узле
должна обеспечивать высоко-
качественную смазку данной
пары поверхностей при задан-
ных значениях температуры,
давления и скорости. Торцо-
вые поверхности должны
иметь низкий коэффициент
трения скольжения относи-
тельно друг друга. И кроме
того, материалы не должны
быть подвержены коррозии
в рабочей среде.
Абразивные частицы. Не-
достаточно очищенное и про-
мытое при монтаже уплотни-
тельное устройство может
выйти из строя из-за остав-
шихся в нем абразивных час-
тиц, прежде чем они будут
удалены в процессе работы.
Если в самой рабочей жид-
кости типа суспензии содер-
жатся абразивные частички,
то удлинить срок службы
уплотнения удается органи-
зацией подачи в его камеру
чистой жидкости. Одно из
конструктивных решений та-
кого рода представлено на фиг. 8.
Здесь в камеру уплотнения вмонтирована втулка с минималь-
ным радиальным зазором между валом и внутренним ее диаметром.
Подаваемая в камеру жидкость под давлением, несколько более
высоким, чем рабочее давление внутри машины, предотвращает
92
Подача частой
Использование дроссельных Втулок
натекание в уплотнение рабочей среды. Следовательно, абразив-
ные частички не достигают торцовых уплотнительных поверхно-
стей. Применяются три типа втулок: сплошные, втулки с ман-
жетными кольцами и втулки с торцовым уплотнением. Количество
вводимой чистой жидкости, могущей загрязнить рабочую среду,
можно сократить в случае применения втулок с подпружиненными
V-образными манжетными кольцами. Кромки V-образной манжеты
направлены внутрь машины.
Хотя и такие втулки допус-
кают некоторое загрязнение
рабочей среды, все же они
обеспечивают лучшую орга-
низацию потока чистой жид-
кости, чем сплошные втулки.
При неисправности системы
подачи жидкости V-образное
манжетное кольцо препят-
ствует проникновению в уп-
лотнение рабочей среды, со-
держащей абразивные час-
тицы .
Втулки с торцовым уплот-
нением устанавливаются в
корпус изделия подобно обыч-
ным осевым механическим
уплотнениям. Внутренняя по-
верхность втулки выполнена
таким образом, что сохраня-
ется свобода перемещения
подвижных ее элементов при
биениях вала. Этим дости-
гается постоянство расходных
характеристик.
Торцовая часть втулки
создает уплотнительный эф-
фект, не соприкасаясь с камерой, где размещено уплотнение.
Торцовые поверхности втулки работают независимо от наличия
какой-либо выточки под нее на корпусе машины и от того, корро-
дирована ли и подвергалась ли износу поверхность корпуса.
г~ Степень возможного загрязнения в случае применения таких
' втулок определяется эффективностью торцового уплотнения, но
не радиальным зазором между валом и их внутренним диаметром.
Втулки с торцовым уплотнением легко заменяются, поскольку
они монтируются в корпус с помощью О-образных колец или теф-
• лоновых элементов.
В тех случаях, когда не допускается загрязнения рабочей жид-
чкости, могут быть применены сдвоенные торцовые уплотнения
93
СдВоенное уплотнение
Фиг. 8. Способы изоляции смазки уплот-
нения от рабочей среды:
1 — простая дроссельная втулка; 2 — втулка
с манжетными кольцами; 3 — плавающая
втулка с торцовым уплотнением.
(фиг. 8). Нейтральная жидкость циркулирует между двумя уплот-
нительными стыками при давлении, несколько превышающем дав-
ление рабочей среды. Таким образом предотвращается попадание
взвешенных абразивных частиц между уплотнительными поверх-
ностями торцового уплотнения, ближайшего к рабочей среде.
Однако поверхности этого внутреннего уплотнения непосредст-
венно контактируют с рабочей жидкостью, в связи с чем возможно
нарушение полной герметичности. Если абразивные частицы обра-
зуются путем кристаллизации при соприкосновении рабочей
жидкости с воздухом, то между окружающей средой и уплотни-
тельными поверхностями устраи-
вается промежуточная полость
(фиг. 9). При наличии двух герме-
тизирующих колец эта полость мо-
жет быть заполнена циркулирую-
щей или неподвижной жидкостью,
которая играет роль разобщающего
затвора между атмосферой и уплот-
нительными торцами. Вспомога-
тельная жидкость, циркулирую-
щая в сдвоенном торцовом уплот-
нении, также образует полноцен-
Фиг. 9. Промежуточная зона, отде-
ляющая камеру уплотнения от атмо-
сферы. Это предотвращает кристал-
лизацию утечек на торцовых поверх-
ностях.
ную промежуточную зону между
атмосферой и рабочей средой.
Если твердые частички в жид-
кости появляются лишь при опре-
деленных температурах, то необ-
ходимо предусмотреть какое-либо средство подогрева или охлаж-
дения, исключающее возможность образования этих частиц вблизи
уплотнительных поверхностей.
Высокое давление и недостаточно обильная смазка. Для целого
ряда совместимых пар уплотнительных материалов коэффициент
трения и износ торцовых поверхностей возрастают с увеличением
осевых нагрузок. Следовательно, надо уменьшать величину уплот-
няющих усилий там, где это только возможно. Снижения уплот-
няющих усилий можно добиться в конструкциях разгруженных
уплотнений (фиг. 10).
В этих уплотнениях силами давления уравновешена только
часть осевой нагрузки. Величину уравновешенной составляющей
назначают в зависимости от материала торцовых поверхностей и
рабочей жидкости. При плохой смазке она составляет 55%,
а при полном отсутствии смазки трущихся поверхностей 85%.
Это означает, что 55 и 85% площади торцов расположено выше
границы области неуравновешенных сил, а 45 и 15% соответ-
ственно ниже ее. Разгруженные уплотнения более дороги, чем
обычные, и применяются лишь при абсолютной необходи-
мости .
94
Давление и скорость. Важным критерием при выборе материя*
лов уплотнительных поверхностей служит параметр р v— про-
1 изведение контактного давления на уплотнительных торцах
 (в кПсм2) и скорости скольжения (в м!мин). Контактное давление
( определяется по суммарной осевой нагрузке, включающей усилие
от деформации пружин, сильфона или диафрагмы и неуравно-
! вешенную часть сил давления
j среды.
Для любой данной пары уплот-
нительных материалов предельное
значение параметра pv зависит от
стойкости жидкостной пленки на
трущихся поверхностях, эффек-
тивности охлаждения теплочув-
Рабочее
давление
ствительных элементов и качества
рабочих поверхностей.
При высоких скоростях сколь-
жения качество обработки тру-
щихся поверхностей становится
сильно влияющим фактором. Под
качеством обработки понимается
чистота поверхности (выражае-
мая средней квадратической ми-
кронеровностей) и плоскостность.
С увеличением скорости суще-
ственную роль играет значение от-
клонения от перпендикулярности
плоскости стыка к оси вала.
Сочетания уплотнительных ма-
! териалов. Подбор материалов для
; торцовых поверхностей определя-
: ется прежде всего характеристи-
; ками рабочей среды (табл. 1). Кера-
: мические материалы обладают наи-
i большей твердостью поверхности
i из всех выпускаемых промышлен-
i ностью материалов и имеют пре-
восходные показатели по износо-
।стойкости и сопротивлению корро-
зии. Однако невысокое сопротивление тепловому удару исключает
Lb ряде случаев возможность их применения.
Вода. Температура воды, показатель pH, загрязненность абра-
зивными частицами и другие факторы учитываются при подборе
материалов уплотнительных поверхностей. Если выбрана пара
бронза + графит, то вода должна быть особенно чистой и свобод-
ной от абразивных частиц, которые могли бы внедриться в срав-
нительно мягкую бронзу. При высоком значении pH и незначи-
Рабочее
давлен не
L
6)
Фиг. 10. Три вида разгружепия уп-
лотнений. Степень разгруженности
определяет величину осевого уси-
лия:
а—неразгруженное уплотнение; б—час-
тично разгруженное уплотнение;
в — полностью разгруженное уплотне-
ние; /—седло; 2 — граница неразгру-
женной области при частичном разгру-
жении; 3 — граница между ненагружен-
ной и разгруженной областями.

95
Таблица 1
Материалы уплотнительных колец торцовых уплотнений и рабочие среды
Среда	! Материал неподвижного | уплотнительного кольца	Материал подвижного уплотнительного кольца
Вода	Графит (а также гра- фит с медью, свинцом, баббитом и т. д.).	Бронза Жаростойкий высоконике- левый чугун (нирезист) Никелевый чугун (только для непрерывной работы) Керамика Стеллит (покрытие нержа- веющей стали 316 или другой термообработанной нержавею- щей стали) Карбид вольфрама Тефлон с графитом Тефлон со стекловолокнис- стым наполнителем Хромирование различных материалов (необходимо вы- держать достаточную толщину) Покрытие из керамики на нержавеющей стали
	Карбид вольфрама Графит, содержащий различные металлы	Карбид вольфрама Нержавеющая сталь (се- рия 400, закалка до твердости по Роквеллу 50 и выше, шка- ла С)
Каустик	Г рафит	Тефлон с графитом Нержавеющая сталь с по- крытием стеллитом
	Графит (без металла)	Нержавеющая сталь 316 с упрочненной поверхностью
	Графит (металлизиро- ванный, для слабоще- лочных растворов)	Нержавеющая сталь с по- крытием из стеллита
Соляные раст- воры	Графит	Нержавеющая сталь Керамика Монель
	Керамика	Нержавеющая сталь с по- крытием керамикой Керамика
	Графит с пропиткой баббитом	Фосфористая бронза
96
Продолжение табл. I
Среда	Материал неподвижного уплотнительного кольца	Материал подвижного уплотнительного кольца
Морская вода	Графит с пропиткой баббитом	Алюминиевая бронза
	Нержавеющая сталь с покрытием стеллитом	Алюминиевая бронза 1
	Карбид вольфрама Бронза	. . . ।	Карбид вольфрама . Слоистый пластик
1 i Кислоты	Г рафит	Нержавеющая сталь 316 с упрочненной поверхностью Стеллит Нержавеющая сталь «Car- penter 20» Бориды хрома 	 Керамика Hasteloy А, В, С Тефлон с графитом (для не- окнсляющих сред)
	Керамика	Стеллит, обработанный мно- гими минеральными кислота- ми Тефлон со стекловолокни- стым наполнителем (для окис- ляющих сред) Тефлон
Бензин	Графит	Чугун Тефлон с графитом Тефлон со стекловолокни- стым наполнителем Жаростойкий высоконике- левый чугун (нирезист) Азотируемая сталь Керамика Нержавеющая сталь с по- , крытием стеллитом Нержавеющая сталь 400
Масло	Графит	Бронза (для некоторых при- менений) Жаростойкий высоконике- левый чугун Чугун Керамика .1
7 Дж. Л. Паркс и др.
97
Продолжение табл. 1
Среда	Материал неподвижного уплотнительного кольца	Материал подвижного уплотнительного кольца
Масло	Графит	Нержавеющая сталь 316 с покрытием стеллитом (особен- но для высоких давлений и больших скоростей) Карбид вольфрама Тефлон с графитом Тефлон со стекловолокни- стым наполнителем Порошковые кольца из чу- гуна и бронзы Азотируемая сталь,закален- ная Инструментальная сталь, за- каленная Сталь SAE-1040 Нержавеющая сталь 400, закалка до твердости по Рок- веллу 50 (нержавеющая сталь 316 закалке не подвергается)
	Чугун	Бронза
	Графит с молибденом	Бронза
тельной загрязненности пригодны никелевые сплавы (нирезист).
В системах высокого давления оправдано применение стеллита и
карбида вольфрама. Однако в уплотнениях питательных систем
паровых котлов высокого давления предпочтение отдают карбиду
вольфрама, поскольку стеллит склонен растрескиваться в усло-
виях ограниченной смазки.
Бензин. Для этой среды идеальной парой уплотнительных ма-
териалов является графит и чугун. При наличии агрессивных ком-
понентов в рабочей жидкости следует применять более стойкие
по отношению к коррозии материалы.
Масло. В масляной среде применение графита в сочетании с лк>-
бым другим качественным материалом вызывает меньшие опасения
с точки зрения их антикоррозионных свойств, чем в большинстве
иных случаев. Обычно сочетание графита с высококачественным'
чугуном оказывается наилучшей и наиболее экономичной комби-
нацией.
Кислотная среда. Для правильного подбора материалов тор-
цовых поверхностей в этом случае необходим точный химический
анализ рабочей среды. Для ряда кислот, например серной, должна
быть уточнена концентрация, прежде чем принять окончательное
решение. Для сравнительно слабых растворов можно рекомендо-
98
йаТь графит. Однако в сильно окислительных средах применение
графита ограничено. В этом случае более пригодны такие мате-
риалы, как тефлон со стекловолокнистым наполнением, керамика
по керамике и другие подобные комбинации. Но фтористоводород-
ная кислота не допускает применения даже этих материалов. Сле-
дует рассмотреть возможность использования новых структур,
например карбида бора.
Крышки торцовых уплотнений. Крышка, жестко соединяемая
с корпусом изделия, несет на себе неподвижную уплотнительную
поверхность торцового уплотнения (табл. 2).
Иногда, чтобы гарантировать достаточность смазки торцовых
поверхностей, в крышке предусматривается отверстие для подачи
жидкости. Важно организовать постоянный приток свежей жид-
кости к трущимся поверхностям, особенно когда рабочую среду
составляют легкие углеводородные соединения. Удельный вес
последних очень низок, в связи с чем для обеспечения надежной
смазки необходима непосредственная струйная подача жидкости
на уплотнительный стык. В крышках блокирующего типа ввод
жидкости осуществлен с внешней стороны уплотнительных по-
верхностей. Благодаря этому приобретаются два важных каче-
ства: при разгерметизации уплотнительного стыка утечки рабочей
жидкости ограничиваются по причине ее дросселирования, утечки
токсичной среды могут быть отведены в заранее предусмотренное
место.
Если конструкция крышки выбирается исходя из требования
безопасности для персонала, то набивочные кольца в крышке
блокирующего типа могут быть заменены гладкими дроссельными
втулками. Такие втулки выполняются с минимальным зазором
по валу из материалов, не способных вызвать искрение при каса-
нии, и служат как аварийное уплотнение при выходе из строя
основного уплотнения.
В соответствии с более широкими требованиями, которые под-
час предъявляются к уплотнениям, могут применяться комбини-
рованные блокирующие крышки со струйной подачей жидкости.
Комбинированные блокирующие крышки со струйной подачей
жидкости на уплотнительный стык и охлаждением седла обеспечи-
вают равномерность охлаждения основных деталей уплотнения.
Подвод смазки через сверления в крышке и седле к трущимся
торцовым поверхностям может быть применен при низких ра-
бочих давлениях и только в том случае, если добавочного дав-
ления подвода достаточно для обеспечения нормальной работы
узла.
Сводная таблица. В этой главе были рассмотрены вопросы
подбора и применения торцовых уплотнений. В табл. 3 в сжатой
форме представлены основные сведения о взаимосвязи факто-
ров, играющих роль при выборе наиболее рационального уплот-
нения.
7*
99
Таблица 2"
Различные конструкции сальниковых крышек
Тип сальниковой
крышки и тип
конструкции
Крышка с притертым
уплотнительным
буртом. Может быть
использована как
седло торцового уп-
лотнения. Находит
применение при ог-
раниченном осевом
I габарите. Обеспечи-
вает герметизацию
таких газов, как
фреоны
Седло с одним О-об-
разным кольцом.
Применяется там,
где выполнение седла
заодно с крышкой
непрактично с точки
зрения стоимости его
замены, или там,
где материал седла
выбран более высо-
кокачественным, чем
материал крышки
Седло с двумя О-об-
разными кольцами.
Конструкция анало-
гична предыдущим
двум типам и отли-
чается лишь числом
колец. Применяется
там, где от седла
требуется большое
сопротивление кру-
тящему моменту
Седло запрессовано
в крышку. Исклю-
чает необходимость
применения О-образ-
ных колец, но
требует жестких до-
пусков на посадоч-
ные размеры. Эта
конструкция исполь-
зуется там, где за-
траты на ремонт и
замену седла не яв-
ляются чрезмерными.
Седло с фланцевым
креплением. Для •
устранения недостат-i
ков предыдущей !
конструкции приме- i
няется фланцевое '
крепление седла с j
использованием 
уплотнительных !
прокладок
Простая крышка
Крышка со струпной
подачей жидкости
|
Блокирующая крыш-
ка
I
Крышка с охлаждае-
мым седлом
			
Блокирующая крыш- ка со струйной подачей жидкости		ВЦ	
Крышка со струйной подачей жидкости и ох- лаждаемым седлом			
Блокирующая крыш- ка с охлаждаемым сед- лом			
Блокирующая крыш; ка со струйной подачей жидкости и охлаждае- мым седлом			

Крышка с подводом
смазки к трущимся по-
верхностям

Т аблица.
Схема связи наиболее важных параметров, учитываемых при выборе рационального типа торцового уплотнения
Осевые механические уплотнения.
Принципиальная конструкция включает основной узел торцового
уплотнения и его седло (фиг. 1)
Поджимные элементы
Сильфонные элементы
Уплотнение по валу (фиг. 4)
Гибкость. О-, V-и
U-образные кольца обладают
хорошей способностью ком-
пенсировать появляющийся
износ. Уплотняющая кромка
обеспечивает плотное приле-
гание. По мере износа кром-
ки эти элементы нуждаются
в поджатии с помощью ме-
ханических или гидравличе-
{ ских усилий
X аракте р и с тика
уплотнения. Для О-
образных колец уплотняю-
' щее усилие создается за счет
разности давлений или уп-
I ругости эластичных элемен-
। тов. Для V-. U-образных
г колец и других манжетных
уплотнений уплотняющее
усилие создается разностью
давлений и пружинами
.1
I
I
Гибкость. Сильфон-
ные элементы образуют не-
подвижное уплотнение по
валу.
Сильфон не требует осе-
вых перемещений при износе
торцовых поверхностей
(только в гофрах)
Характеристика
уплотнения: гармоники
из резины уплотняются по
валу благодаря химической
I адгезии и механическому об-
жатию дополнительными эле-
ментами.
Металлические сильфоны
уплотняются по валу с по-
мощью сварки или прокла-
док.
Пластиковые сильфоны
j уплотняются по валу обжа-
тием дополнительными эле-
I ментами
Уплотняющее усилие (фиг. 5)
I
) Одна пружина.
j Сильная витая пружина об-
ладает большой антикорро-
зионной стойкостью. для
создания равномерных на-
грузок по уплотнительному
торцу необходима хорошо
продуманная конструкция.
Конструкция должна огра-
ничить раскручивание пру-
। жины под влиянием центро-
бежных сил. Применение
одной пружины обусловли-
» вает большую длину уплот-
нения по сравнению с дру-
: гимн исполнениями
Многопружинные
уплотнения. Равномерное
распределение уплотняющего
усилия. Одни и те же пружины
в различном количестве могут
быть использованы в различных
типоразмерах уплотнения (вы-
годно в смысле хранения на
складе, экономично и надежно).
Возможность регулирования ве-
личины уплотнмющего усилия
увеличением или уменьшением
числа пружин. Малое влияние
центробежных сил на характе-
ристики пружин. Малый диа-
метр проволоки пружин приво-
дит к их более быстрому выходу
из строя из-за коррозии (при-
менение пружин из нержавею-
щих сталей устраняет этот не-
достаток)
Волнистые
пружины. Занимают
мало места (по оси). Мо-
гут изготовляться из ог-
раниченного числа мате-
риалов (большинство
стойких по отношению к
коррозии материалов и
нержавеющих сталей не-
применимо). Большие из-
менения величины на-
грузки при незначитель-
ных деформациях пру-
жин.
Электромагиит-
ное поджатие. Элек-
тромагнитный способ нагру-
жения торцовых поверхно-
стей может полностью иск-
лючить необходимость при-
менения пружин. Необходи-
мо обеспечить отсутствие
грязи и посторонних частиц,
обладающих магнитными
свойствами.
Для лучшего прижатия
уплотнительных поверхно-
стей осевой размер кольца
следует делать малым. Од-
нако это может привести к
уменьшению срока службы
уплотнения.
Способы обеспечения передачи крутящего момента (фиксации от проворачивания).
Применяются с целью исключить излишние напряжения в поджимных резиновых и пластиковых элементах и обеспечить меха-
ническое сцепление между прочными деталями уплотнения или между уплотнительным элементом и самим изделием.
Кернение (местное вдавливание *тулки во впадину на валу) — простой и экономичный способ.
фиксация шпонкой. Весьма простая. Хороша при больших крутящих моментах.
j	Установочные винты. Простой и экономичный способ, не требует специальной’ конструкции вала.
|	Стопорные штифты и шпонки. Применяются для связи деталей уплотнения или седла и обоймы.
i	Стопорное кольцо. Простой способ. Применяется в тех случаях, когда на валу допускается канавка. Занимает мало
места по оси.
|	Шлицы. Надежное соединение двух металлических деталей, сохраняющее свободу их относительного движения в осевом
’ направлении. Конструкция весьма гибка (допускает компенсацию значительного износа).
1	Передача момента резиновыми деталями. Резина служит одновременно и уплотняющим средством. Досто-
I инства этого метода обусловлены свойствами резины.
Передача момента пружиной. Требуются сравнительно массивные пружины, что вызывает нежелательные харак-
; теристики (малые прогибы). На эффективности метода может отрицательно сказаться коррозия.
Прессовая посадка. Необходимо проследить, чтобы натяг сохранился при всех температурных режимах эксплу-
атации.
Следует обратить внимание на возможность деформации деталей от усилия при запрессовке. Не всегда удается применить
обычные методы удаления и замены напрессованной детали
;---------Выбор уплотнении
Продолжение табл. 3
i
I
Рабочие температуры и химические фак-
торы. Уплотнительные материалы должны противостоять кор-
розионному воздействию рабочей среды в условиях рабочих
температур.
Резиновые уплотнительные элементы применимы до 105° С,
некоторые синтетические материалы допускают температуру
I Тефлоновые уплотнения применяются при температурах до
250° С, металлические сильфоны — до 540° С.
Внешнее охлаждение обеспечивает надежность н длитель-
ность службы уплотнения. К тому же с уменьшением темпера-
туры уменьшается коррозия деталей. Внешнее охлаждение мо-
жет выполняться различными методами (см. табл. 2): использо-
। ванием теплообменника и насосного кольца, применением водя-
? ной рубашки, охлаждением седла, крышки или струйной пода-
i чей охлаждающей жидкости в сдвоенное уплотнение.
Износостойкость. Материалы уплотнения должны
переносить все напряжения и деформации, возникающие при
работе. Жидкость на уплотнительных поверхностях должна об-
ладать хорошими смазочными свойствами при рабочих скоро-
стях, температуре и давлении. При плохой смазке торцовых
поверхностей и повышенных давлениях применяются разгру-
женные уплотнения.
Попадание абразивных частиц в уплотнения может быть
исключено: подачей нейтральной жидкости в камеру уплотне-
ния, снабженную дроссельной втулкой (или в более критиче-
ских случаях — втулкой с V-образными манжетными кольцами);
применением сдвоенных уплотнений с циркуляцией жидкости
между ними и использованием блокирующей крышки, особенно
там, где при соприкосновении с воздухом возможна кристалли-
зация просочившейся через уплотнение жидкости
ТОРЦОВЫЕ СИЛЬФОННЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
(Justus В. Stevens')
Основным назначением металлического сильфона в торцовом
уплотнении является исполнение функций неподвижного уплот-
нительного элемента. К достоинствам сильфонов следует отнести
то обстоятельство, что с их помощью возможно изготовление пол-
ностью металлических уплотнений, необходимых в некоторых
специфических условиях применения. Такими условиями могут
быть и высокие температуры, и вредное воздействие рабочих жид-
костей или газов на органические матери-
Фиг. 2. Неподвиж-
ное сильфонное
уплотнение.
Фиг. 1. Типичное силь-
фонное уплотнение:
1 — торцы поверхности
уплотнения; 2—пружина.
алы уплотнения.
Кроме того, металличе-
ский сильфон может быть
Средний диаметр сильфона
Фиг. 3. Размещение торцовых по-
верхностей относительно эффектив-
ного диаметра сильфона.
одновременно использован и в качестве пружины для создания
уплотняющего усилия в осевом направлении, чтобы обеспечить
плотный контакт торцовых поверхностей. В некоторых конструк-
циях уплотнений осевое усилие создается совместным действием
сильфонаидополнительнойцилиндрическойвитойпружины (фиг. 1).
Сильфон заменяет уплотнительные элементы из органических мате-
риалов в осевом механическом уплотнении, которое предназначено
для работы в условиях высоких температур и давлений. В других
уплотнениях создание уплотняющего усилия обеспечивается при-
менением одних лишь сильфонов (фиг. 2). Неподвижное сильфон-
ное уплотнение спроектировано под запрессовку по наруж-
ному диаметру. Уплотнительная поверхность находится в сопри-
косновении с подвижным уплотнительным кольцом. Сильфон
создает уплотняющее усилие, прижимая поверхности друг к другу.
Сильфонные уплотнения могут быть выполнены таким обра-
зом, что величина контактных давлений на торцовых уплотни-
тельных поверхностях будет зависеть от рабочего давления уплот-
няемой среды. Этого легко добиться надлежащим размещением
торцовых поверхностей относительно эффективного диаметра силь-
фона (фиг. 3). Эффективный диаметр сильфона приблизительно
105
равен его среднему диаметру. Увеличение диаметра уплотнитель-
ных торцов приводит к большей зависимости уплотняющего уси-
лия от рабочего давления среды.
Конструкция сильфонов. Сильфоны изготовляются двумя спо-
собами. Они или штампуются из тонкостенных труб, или свари-
ваются из набора фасонных колец (фиг. 4). Сварные сильфоны бо-
лее подходят для применения в торцовых уплотнениях, особенно
при тяжелых условиях работы, так как:
1) конструкция колец может быть легко изменена для полу-
чения необходимых
характеристик сильфона; высота гофров не
лимитируется допустимой по условиям места
величиной вытяжки или способностью ме-
талла подвергаться ей;
2)	для сварных сильфонов может быть
использован более широкий перечень мате-
риалов;
3)	сварные сильфоны допускают большие
величины деформаций на один гофр из-за
отсутствия остаточных напряжений по на-
ружному и внутреннему диаметрам;
4)	при равной длине сварной сильфон
допускает большую величину деформации,
чем сильфон штампованный, так как в первом
случае гофрам можно придать такую форму,
чтобы они входили одна в другую.
Штампованные сильфоны по сравнению со
сварными при серийном изготовлении де-
шевле. Однако большинство проблем уплот-
нения валов, требующих применения метал-
Фиг. 4. Два основных
типа сильфонов: с U-об-
разными гофрами (из-
готавливаются из труб)
и сильфоны, сварен-
ные из дисков.
лических сильфонов, решается лучше, если использовать силь-
фоны сварной конструкции.
Выбор уплотнения. Выбор уплотнения для конкретных усло-
вий применения требует рассмотрения ряда факторов. Поскольку
сильфонные торцовые уплотнения применяются при возникнове-
нии сложных проблем, недоступных для решения с помощью обыч-
ных осевых механических уплотнений, то и условия работы носят
более критический характер. Следует принимать во внимание
такие факторы, как окружающую среду, температуру, давление,
скорость скольжения, наличие вибрации, располагаемое место
для размещения, необходимую длительность службы.
Тип сильфона, конструкция уплотнения и марки материалов
зависят от каждого из этих параметров. Но все они взаимосвя-
заны. Иногда жесткие требования по нескольким из этих пара-
метров не могут быть удовлетворены одновременно каким-либо
одним уплотнением.
Под окружающей средой понимается жидкость или газ, воз-
действующие на элементы уплотнения. Поскольку металлические
106
сильфоны исключают необходимость применения органических
уплотнительных элементов, способность сильфонных уплотнений
противостоять воздействию окружающей среды полностью опре-
деляется антикоррозионными свойствами примененных сплавов.
Металлические сильфоны способны работать в таких средах,
как криогенные жидкости — жидкий кислород, жидкий фтор,
водород и гелий, или в таких, как топлива и окислители —гидра-
зин, перекись водорода, концентрированная азотная кислота,
а также различные другие химические вещества.
Рабочую температуру уплотнения следует оценивать с точки
зрения ее воздействия на свойства материала сильфона. Мате-
риалы, обладающие достаточной упругостью в диапазоне темпе-
ратур от —55° до +315° С, могут терять это свойство при темпе-
ратурах ниже —55° и выше +315° С. Повышение температуры
трущихся поверхностей оказывает на выбор материала торцовых
уплотнительных поверхностей такое же влияние, как и темпера-
тура окружающей среды.
Сильфонные уплотнения могут применяться в более широком
диапазоне температур, чем принятый для обычных торцовых уплот-
нений и равный —55° + 260° С. Максимальный диапазон рабочих
температур металлических сильфонов заключен между темпера-
турами —240° и +650° С.
Металлические сильфоны сами по себе способны выдерживать
достаточно высокие давления. Но следует обращать внимание
на величину осевого усилия, возникающего в результате разности
давлений по обеим сторонам уплотнения. Допускаются перепады
давлений до 70 ат.
В обычных осевых механических уплотнениях выделение
тепла трения на торцовых поверхностях и вредное воздействие
его на неметаллические уплотнительные элементы определяют
величину предельно допустимой скорости скольжения. Примене-
ние металлических сильфонов позволяет повысить скорость
скольжения до 100 м!сек.
Необходимо принимать во внимание вибрацию, в условиях
которой должно будет работать уплотнение, поскольку каждое
уплотнение обладает вполне определенной частотой собственных
колебаний. Если известно, что вибрация существует, то следует
заранее определить все ее параметры, чтобы при конструировании
уплотнения исключить возможность возникновения резонансных
явлений в сильфонах.
Металлические сильфоны торцовых уплотнений могут подвер-
гаться как осевым, так и крутильным колебаниям. Осевые колеба-
ния возникают при перемещениях вала в осевом направлении,
крутильные колебания обычно вызываются силами трения между
уплотнительными поверхностями. Эта сила стремится скрутить
сильфон до тех пор, пока его сопротивление кручению не превысит
силу трения. Тогда подвижное кольцо проскальзывает и сильфон
107
переходит в менее напряженное состояние; цикл начинается снова.
Вибрация может возникать и при уровне звукового давления
в 130 дб или выше.
Способ установки уплотнения может сказаться на чувстви-
тельности его к вибрациям. Для уменьшения влияния вибрации
на работу уплотнения иногда используются демпфирующие уст-
ройства.
Следует избегать применения сильфонов с частотой собствен-
ных колебаний, не превышающей основную частоту вынужденной
вибрации агрегата, в котором установлено уплотнение. В большин-
стве машин и устройств при запуске частота вибрации возрастает
от нуля до максимального значения на рабочем режиме. Поэтому
сильфонные уплотнения обычно конструируются таким образом,
чтобы частота их собственных колебаний лежала выше частоты
вынужденных колебаний на рабочем режиме.
Габариты сильфонного уплотнения определяются типом при-
мененного сильфона. Штампованные сильфоны занимают гораздо
больше места в осевом направлении, чем сильфоны сварной конст-
рукции. Сварной сильфон может иметь входящие одна в другую
гофры, и в этом случае сильфонное уплотнение имеет ряд преиму-
ществ перед обычными торцовыми уплотнениями. На валах боль-
ших диаметров сильфонные конструкции оказываются более ком-
пактными, чем другие типы осевых механических уплотнений.
Срок службы сильфонного уплотнения оценивают с двух точек
зрения: общий срок службы сильфона, включая хранение и дли-
тельность работы уплотнения. Длительность работы торцовых
уплотнений с металлическими сильфонами выше, чем у обычных
конструкций с органическими уплотнительными элементами.
Срок хранения сильфона на складе практически не ограничен.
Длительность эксплуатации уплотнения зависит от конструкции
и материалов. Естественно, что в условиях повышенных темпера-
тур, давлений и больших скоростей скольжения длительность
работы сильфонного уплотнения сократится. Металлические силь-
фонные уплотнения применяются, как правило, в особо тяжелых
условиях.
Расчет характеристик сильфона. Между сильфоном и пружи-
ной можно провести некоторую аналогию.
Резонансные частоты являются функцией массы и жесткости
сильфона. Чем выше жесткость сильфона и чем меньше его масса,
тем выше частота собственных (и следовательно, резонансных)
колебаний.
Металлические сильфоны торцовых уплотнений при работе
обычно не подвергаются дополнительным деформациям, если не
принимать во внимание компенсацию температурного расшире-
ния деталей и изменения их линейных размеров в работающей ма-
шине. Поэтому расчет этих сильфонов более прост, чем в случае
периодических осевых деформаций или изгибов.
108
Вес уплотнительного кольца, консольно закрепленного на
сильфоне, обусловливает появление изгибающего момента. При
большой величине этого момента у сильфона может возникнуть
тенденция к потере устойчивости (боковой прогиб). Но во многих
конструкциях сильфон поддерживается дополнительной пружи-
ной. Обычно во избежание потери устойчивости принято назна-
чать рабочую длину сравнительно гибкого и не усиленного пружи-
ной сильфона, не превышающую его наружный диаметр.
Жесткость сильфона. Если упругость сильфона используется
для создания уплотняющего усилия, то необходимо знать жест-
кость эквивалентной пружины Ks. Тогда можно будет определить
свободную длину сильфона, которая несколько больше рабочей.
Жесткость сварных сильфонов в кГ:см можно определить по фор-
муле
к лЕО ( t \з
К ~ ’
где Е — модуль упругости в кГ/см2;
D — средний диаметр сильфона в см;
Nd — число дисков;
t — толщина диска в см;
w — ширина диска в см.
Для сильфонов с ^-образным гофром жесткость приближенно
равна
к 4ED13
* ~ за0,5 <Л51У/
где /г — половина шага гофров в см.
Влияние рабочего давления. Пуски и остановки машин, в ко-
торых установлены сильфонные уплотнения, могут приводить
к изменению давления, воздействующего на сильфон. Если мак-
симальное давление невелико, то можно пренебречь его измене-
нием.
Для сварных сильфонов влияние рабочего давления оцени-
вается по формуле
_ 3Etb р&2
~ a)2Nd ' 2t2 ’
где — размах напряжения (от максимума до минимума) в кГ/см2;
р — максимальное внутреннее давление в кПсм2;
& — общая деформация сильфона (сжатие от свободной
длины до рабочей, чтобы создать усилие на торцовых
поверхностях, плюс прогиб от момента) в см.
Для штампованных сильфонов
„ _	1,5 Ett\ ( pw2
1 ~ Л°'5 гД’5 ЛГ, ' 2Р ‘
109
Характеристики материалов, применяемых
Характеристика	Нержавею- щая сталь 321. норма- лизована	Нержавею- щая сталь 347, норма- лизована	Сталь А-286	
Плотность в Г/см2 Коэффициент линей- ного расширения в СЛ1/'СЛ!-аС	8,03 13,5-10'® (—196—(-20° С) 16,8-10"® (0—[-100° С) 17,1-10"® (0—(-315°G)	8,03 13,5-10'® ( -196	(-20° С) 16,8-10"® (0—Н00°С) 17,1-10"® (0—1-315° С) 19,1-10"® (0—1-650° С)	7,98 14,9-10'® (—196—+20° С) 16,9-10'® (20—1-100° С) 17,4-10'® (20—[-650° С)	
Предел текучести в кГ/смг\ при 21° С при —196° С при +650° С	2 450	2 800	6 250	
	2 940	3 780	9 450	
	1 540	1 540	4 380	
Предел прочности в кГ/см2: при 21° С при —196° С при 4*650° С	6 300	6 650	7 350	- -
	14 000	13 650	14 000	
	3 500	3 500	7 250	
Модуль упругости в &Г/см2	19,6-10»	19,3-10» (—196° С) 17,5-10“ (+20° С) 15,8-10» (+540° С)	20,4  I06	—
Примечания	Пригодна для при- менения при высо- ких и низких тем- пературах. Невысо- кая стоимость, до- ступность	Пригодна для применения при вы- соких и низких температурах. Не- высокая стоимость, доступность	Механические свойства зависят от термообработки	
ПО
Таблица 1
Для изготовления сильфонов
	Сталь АМ350 термообра- ботанная	Инконель X, нормализо- ван , упрочнен старением	Сталь 17-7 PH, TH 1050	Титан	Алюминий 6061Т-6
	7,75 11,9-10~в (20—1-100° С) 12,4-10~в (20—(300°С)	8,31 10,3-10“в (—196— 4-20° С) 13,7-10~в (4-38° С) 15,1-Ю-6 (4-650° С)	7,64 10,1•10“" (20	(93° С) 11,3-10~6 (20—(315° С)	4,43 6,93-10“в (-196—1-20° С) 10,2-10~6 (20—(540° С)	2,72 18,0-1О’в (—196—(-20) 23,4-10“в (20—(-100° С) 25,4-10“а (20—(-300° С)
	11 900 3 640 5' (нормализована) 15 200	6 440	12 700 2 800 (А)	8 400	2 800
	9 800 (370° С)	8 320	15 100	—	3 290
	-	5 740	11 200	4 400 (540° С)	490 (260° С)
	14 200 10 900 (нормализована) 17 400	11 350	13 700 9 100 (А)	9 100	3 150
	14 700 (370° С)	13 450	16 600	16 500	4 800
	—	5 740	16 100	5 460 (540° С)	560 (260° С)
	21.3-106 (26° С) 17,8'10» (315° С)	21,710s (26° С) 16,1-10° (650° С)	20,310й (20° С)	13,3-10s (—196° С) 10,6-10° (4-24° С) 7,1-10° (540° С)	7,15-10° (—196—1-20° С) 6,86-10° (4-100° С) 5,60-10° (4-260° С)
	Хрупка при низ- ких температурах	Пригоден для применения при высоких темпе- ратурах	Хрупка при низких темпера- турах	--	—
111
Если известен размах напряжения в кПслГ', то можно опре-
делить долговечность сильфона
/112000\з.5
где N — число циклов до поломки.
Даже при отсутствии деформаций сильфона цикличное измене-
ние давления вызывает переменные напряжения и усталостное
разрушение уплотнения.
Фиг. 5. Фотография макрошлифа двух сварных сильфонов.
Слева—правильно подобранные материалы; справа—сильфон после поломки.
Материалы сильфонов. Материалы для сильфонов с U-образ-
ным гофром должны обладать хорошими механическими характе-
ристиками и быть достаточно пластичными для штамповки. Свар-
ные сильфоны требуют наряду с хорошими механическими свойст-
вами хорошей свариваемости материалов (фиг. 5).
Высокоуглеродистая сталь (фиг. 5) была приварена к стали
с низким содержанием углерода, в результате чего произошло
выпадение карбида по границам зерна и обусловленное этим раз-
рушение под действием напряжений.
Основные характеристики обычно применяемых материалов
приведены в табл. 1.
Химическая стойкость и технологичность отражены в табл. 2.
Приведенные в таблице величины показывают, что предел
текучести и предел прочности всех этих материалов увеличивается
с уменьшением температуры. Это важно для техники низких тем-
ператур. Однако некоторые материалы, такие, как нержавеющие
112
Таблица 2
Материалы, применяемые для изготовления сильфонов
Материал	Коррозионная стойкость	Максималь- ная темпера- тура в °C	Технологичность	Стои- мость относи- тельная
Латунь	Удовлетвори- тельная	175	Отличная	1
Латунь, плаки- рованная сереб- ром	Отличная	175	»	3
Бронза	Удовлетвори- тельная	175	»	2
Монель	Хорошая	480	Удовлетвори- тельная	4
Нержавеющая сталь	Отличная	590	То же	5
Инконель	То же	815	»	6
стали 17-7РН и АМ350, становятся хрупкими при низких темпера-
турах и не могут быть использованы. Для нержавеющей стали 321
долговечность при действии переменных напряжений при
—196° С (температура жидкого азота) значительно больше, чем
при комнатной температуре.
При повышенных температурах все перечисленные материалы,
кроме алюминия, сохраняют в достаточной мере свою прочность
вплоть до 650° С. При температурах до 1100 С приходится приме-
нять более редкие материалы.
8 Дж. А. Паркс и др
ГЛАВА 8
КОЛЬЦЕВЫЕ КОНТАКТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
(Ernest Taschenberg, Ward Pearson)
Контактные уплотнения с разрезными кольцами обладают
хорошими характеристиками, высокой плотностью и применяются
в тяжелых условиях работы. Этот тип уплотнений допускает вы-
сокие скорости скольжения на уплотнительных поверхностях и
Фиг.
Кольцевое контактное
уплотнение:
1 — боковое кольца; 2 — обжимные
пружины; 3 — уплотнительное кольцо;
4 — внешнее кольцо; 5—уплотнитель-
ный поясок.
неограниченные относительные пе-
ремещения в осевом направлении
между подвижными и неподвиж-
ными деталями, обеспечивая при
этом высокое качество уплотнения .
Кольцевые уплотнения, описан-
ные здесь , представляют собой , по
существу, усложненные варианты
уплотнений штоков и поршневых
колец.
Основные особенности кон-
струкций. Уплотнение вращающих-
ся деталей может быть выполнено
с помощью одного разрезного
кольца или многокольцевых кон-
струкций. Основные характерно -
утечек, срок службы и потери на
тики уплотнения — величину
трение — в равной мере важно учитывать как в случае уплотне-
ния валов с возвратно-поступательным движением, так и при у плот-
нении вращающихся деталей. Поэтому вопрос о разгруженных
конструкциях решается в обоих случаях в основном с одинаковых
позиций.
Кольцевое контактное уплотнение состоит из одного или не-
скольких сравнительно неподвижных упругих разрезных или
сегментных колец, которые соприкасаются с поверхностью вра-
щающейся детали по внутреннему или, как в случае распорных
конструкций, по внешнему диаметру (фиг. 1). С неподвижной де-
талью кольца жестко не соединяются, производится лишь их фик-
сация от проворачивания.
114
Простое кольцо выполняется с прямым Замком или для огра-
ничения утечек со ступенчатым замком внахлестку (фиг. 2). В раз-
резном кольце важно правильно выбрать место расположения
фиксатора (от проворачивания) относительно замка. Силы трения
на кольце в сочетании с усилием, возникающим на фиксаторе, мо-
гут привести к скручиванию или раскручиванию кольца. Раскру-
чивание ухудшает плотность прилегания поверхностей и вызы-
вает увеличение утечек. Скручивание увеличивает контактное
усилие и может привести к повышенному местному износу. Если
в сегментном кольце от проворачивания фиксируется каждый
элемент, то от расположения
фиксатора зависит возможность
появления «тормозного» эф-
фекта.
Более широко распростра-
нены многокольцевые конструк-
Фиг. 2. Кольцо для одноколь- Фиг. 3. Многокольцевые кон-
цевого уплотнения.
струкции.
ции (фиг. 3), поскольку они позволяют выдержать более жесткие
допуски при изготовлении элементов, а следовательно, и снизить
утечки по сравнению с одним разрезным кольцом со ступенчатым
замком под углом. В двухкольцевом уплотнении радиальный сту-
пенчатый замок на уплотнительном кольце предназначен для
ограничения утечек в осевом направлении; радиальные же утечки
ограничиваются вторым кольцом. В трехкольцевом уплотнении
замки выполняются прямыми, причем третье, боковое, кольцо
ограничивает утечки в осевом направлении.
Конструкция двух- и трехкольцевых уплотнений обеспечивает
высокую прочность замка в кольце, в то время как замок, выпол-
ненный внахлестку под углом, менее прочен из-за утонения концов.
Двухкольцевая конструкция уплотнения позволяет найти оп-
тимальное расположение поверхностей замка, при котором умень-
шается радиальная составляющая сил давления в нем.
Поверхность контакта. В уплотнениях с сегментными коль-
цами для поддержания контакта сегментов с поверхностью вала
(ротора) при небольших перепадах давления применяются осевые
и кольцевые витые пружины.
С целью уменьшения контактных давлений, а следовательно,
и износа рабочих поверхностей могут применяться конструкции
8*	115
разгруженных уплотнений. Так как износ трущихся поверхностей
при высоких скоростях скольжения зависит от совместимости ма-
териалов и их свойств в отношении теплопередачи, вращающаяся
деталь обычно несет на себе вспомогательную втулку, которая
может быть изготовлена из совершенно другого материала, чем
вал. В некоторых случаях предусматривают охлаждение уплотне-
ния.
Таким образом, в большинстве обычных конструкций уплот-
нительное кольцо не соприкасается непосредственно с поверх-
ностью вала. Общепринятым является использование вспомога-
тельных втулок, которые монтируются на вал.
Утечки. Кольцевые уплотнения, как и сальники штоков с воз-
вратно-поступательным движением, ограничивают утечки по двум
направлениям. Прежде всего создается уплотняющий контакт
по цилиндрическим поверхностям, между которыми существует
относительное движение с высокой скоростью. Другим возможным
путем утечек служит стык торцовых поверхностей колец со стен-
кой корпуса. Если между уплотняющими усилиями в осевом и
радиальном направлениях соблюдается правильное соотношение,
то никаких «зависаний» колец, обусловленных силами трения,
наблюдаться не будет.
Торцовой уплотняющий стык образован плоскими поверхно-
стями, в точности соответствующими друг другу.
Такие поверхности можно подвергнуть шлифованию и притирке
и довести их до любой степени плоскостности. Поэтому утечки
через этот стык могут стать проблемой лишь в том случае, если
уплотнительные поверхности деформируются в процессе монтажа,
или при релаксации неравномерных остаточных напряжений под
действием высоких рабочих температур, или же искажаются от
воздействия напряжений от давления.
Вероятность деформации при монтаже возрастает с примене-
нием фланцевых соединений. Необходимо позаботиться о том,
чтобы средняя окружность фланцевых болтов была достаточно
удалена от внешней окружности уплотнительных колец или чтобы
местные деформации при затяжке болтов не передавались на
них. Если фланец прижимается болтами в осевом направлении,
то нужно проследить за качеством обработки поверхностей фланца
и корпуса, чтобы волнистость их не привела к местным напряже-
ниям в ответственных местах корпуса. Перед окончательной обра-
боткой деталей необходимо снять остаточные напряжения. Вред-
ное влияние напряжений, возникающих под воздействием темпе-
ратур и давлений, может быть уменьшено в тщательно продуман-
ных конструкциях.
Идеальными поверхностями основного радиального уплотняю-
щего контакта в кольцевых уплотнениях являются правильные
круглые цилиндры без какой-либо конусности. В целях сниже-
ния величины утечек было бы желательно изготовить именно такие
116
цилиндрические поверхности, однако сделать это в промышленном
производстве практически невозможно. Требуемая точность
соблюдения геометрии уплотнения превышает обычные возмож-
ности производства.
Сохранение цилиндричностн и отсутствие чрезмерной конус-
ности на основных уплотнительных поверхностях кольцевых уп-
лотнений в период эксплуатации зависит от условий работы.
Наличие температурного градиента в осевом направлении порож-
дает конусность втулки.
Охлаждаемые втулки не должны иметь на своей цилиндриче-
ской или конической поверхности прорезей или пазов. В про-
тивном случае тепловое расширение может привести к деформи-
рованию поверхности и сделать ее волнистой в окружном направ-
лении.
Причиной деформаций могут служить и неправильно прове-
денная термообработка для снятия остаточных напряжений и
появление термических напряжений. В большинстве случаев
трудности возникают от деформирования втулок; этот вопрос рас-
сматривается ниже, в разделе о конструкции втулок.
Погрешность формы цилиндрических поверхностей и их конус-
ность сказываются на увеличении утечек и интенсивности износа.
Кроме того, для сохранения уплотняющего контакта при появле-
нии износа кольцо должно перемещаться в радиальном направле-
нии. Требуемое перемещение может и не быть строго равномерным
по всей периферии кольца из-за неоднородности распределения
неуравновешенных сил давления, имеющих большее значение
вблизи замка. Это обстоятельство наряду с неоднородностью теп-
лового расширения и начальной нецилиндричностью уплотни-
тельных поверхностей усложняет проблему постоянного поддер-
жания плотного контакта рабочих поверхностей на протяжении
всего срока службы уплотнения. Решение ее может быть найдено
с помощью увеличения удельных нагрузок или повышения при-
способляемости конструкции. В связи с тем, что для уменьшения
износа желательны минимально допустимые нагрузки, улучшение
приспособляемости конструкции является единственным путем
повышения эффективности уплотнения. С этой целью изготовляют
элементы с очень небольшой толщиной и применяют материалы
с низким модулем упругости. Хрупкость таких материалов делает
необходимым выполнение колец составными из нескольких
сегментов.
Вязкие жидкости трудно уплотнить кольцевыми контактными
уплотнениями вследствие наличия зазоров в замках. Проникаю-
щая на уплотнительные трущиеся поверхности жидкость образует
гидродинамический слой. Так как разрезное или составное кольцо
не может оказать существенного сопротивления гидродинамиче-
ской нагрузке, то рабочие зазоры увеличиваются, а с ними растут
и утечки. Поэтому кольцевые уплотнения успешно применяются
I 17
для разграничения газовых сред, но менее эффективны при уплот-
нении жидкостей.
Некоторого улучшения характеристик можно добиться вве-
дением дополнительных канавок на цилиндрических рабочих по-
верхностях для уменьшения гидродинамического эффекта.
При уплотнении жидких сред иногда допускается применение
усиленных кольцевых пружин — тоже с целью противодействия
гидродинамическому эффекту.
Уплотняющее усилие и разгруженные конструкции. Будучи
весьма эффективным, кольцевое контактное уплотнение не может
быть идеальным, так как его нельзя выполнить полностью разгру-
женным. При низких рабочих дав-
Фиг. 4. Канавка А предназначена
для отвода радиальных утечек, про-
шедших через уплотнительный по-
ясок С.
лениях это не играет существен-
ной роли. Однако применение кон-
тактных уплотнений при очень вы-
соких температурах и скоростях
возможно лишь до определенной
величины рабочего давления.
Уравновешивание сил давле-
ний, действующих на кольцо. На
фиг. 4 дан продольный разрез
частично разгруженного трехколь-
цевого уплотнения. Из-за малости
редких радиальных перемещений уплотнения относительно кор-
пуса износ торцовой поверхности невелик. Следовательно, глу-
бину А радиальной канавки можно назначить с соблюдением лишь
одного условия: все утечки, прошедшие через уплотнительный
торец С, должны иметь возможность вытечь по канавке. Размер В
(зазор между валом и корпусом) выбирается исходя из максималь-
ной величины эксцентрицитета и биения. Высота уплотнитель-
ного торца С должна быть равна 2В + D плюс допуск на ра-
диальный износ. Размеры С и £ уплотнительного пояска опре-
деляются после выбора размеров А, В и D.
Стремление максимально уравновесить силы давления побуж-
дает уменьшать ширину уплотнительного пояска на цилиндриче-
ской поверхности. Длительность работы уплотнения вплоть до
выхода его из строя в результате износа определяется и глубиной
канавки D и величиной неуравновешенной составляющей радиаль-
ных сил давления. Вследствие этого для получения максимального
срока службы уплотнения надо найти компромиссные, оптималь-
ные, малые размеры пояска и достаточно глубокой канавки. При
этом необходимо обращать внимание на прочность уплотнитель-
ного пояска в самом слабом сечении и в то же время при надобности
корректировать соотношение уплотняющих радиальных и осевых
усилий для предотвращения зависания кольца.
Такие материалы, как графит, обладающие низким модулем
упругости и хорошей приспособляемостью при невысоких нагруз-
118
ках, чаще используются для изготовления уплотнительных колец.
Однако низкое сопротивление удару и невысокий предел проч-
ности графита обусловливают нижний предел ширины уплотни-
тельного пояска. Учитывая эту величину, требуемый срок службы
уплотнения и максимальный эксцентрицитет втулки относительно
корпуса, можно окончательно определить геометрию уплотни-
тельного пояска. Основные характеристики графита приведены
ниже.
Характеристики графита
Предел прочности в кПс^\ при сжатии 	 при растяжении 	 при изгибе	 Твердость по Шору 	 Удельный вес 	 Удельный вес: действительный	 кажущийся 	 Коэффициент линейного расширения в см/см. °C . . . Коэффициент трения по стали: со смазкой 	 без смазки	 Пористость (в % к весу): для стандартных непропитанных марок 	 для графитов с пропиткой, в среднем 	 Удельная электропроводность 	 Предельные рабочие температуры	 Графит не плавится, испаряется при 3500° С ...	1260—2590 70—210 263—910 От 30 до 100 1,7 2,00—2,26 1,65—1,86 2,7-10"в 0,04 0,23 От 4 до 8 0,25 0,0018 315—340° С
В случае сжимаемых сред, для уплотнения которых обычно
и применяются кольцевые контактные конструкции, эпюра давле-
ний по ширине пояска не является линейной (если не принимать
во внимание очень низкие перепады давлений). Поэтому доля
неуравновешенных сил давления не так уж велика.
При небольших перепадах давлений, недостаточных для
создания уплотняющего усилия, требуется применение дополни-
тельных пружин. Контактные давления, развиваемые пружинами,
обычно составляют несколько сотых килограмма на сантиметр
длины окружности кольца.
У равновеишвание сил, действующих на кольцо в замке. Необ-
ходимость сохранить непрерывность уплотнительного пояска на
цилиндрической поверхности колец заставляет иначе подходить
к вопросу о разгрузке кольца от давления вблизи замка. В раз-
груженном кольце с прямым замком равнодействующая неурав-
новешенных радиальных сил давления в среднем сечении замка
значительно выше, чем в любом другом сечении. Разгруженные
кольца со ступенчатым замком позволяют при соответствующей
конструкции замка на каждом конце сегментов кольца уменьшить
119
Фиг. 5. Струйное внешнее
охлаждение втулки.
это различие. Благодаря этому снижается износ и резко увели-
чивается длительность работы уплотнения. Геометрия ступенча-
того замка, выполненного внахлестку под углом, не позволяет
без существенного снижения прочности уменьшить максималь-
ный небаланс на замке кольца до величин, достижимых в конструк-
циях с простым ступенчатым замком (с прямоугольными концами).
Нагрузки, действующие на кольцо, выражаются в килограм-
мах на единицу длины окружности уплотнительного пояска. Хотя
обычно принято связывать контактное давление и скорость сколь-
жения в один параметр pv, более оправдано употребление именно
удельной нагрузки, отнесенной к единице длины уплотнительного
пояска, так как параметр давле-
ние — скорость не может достаточно
достоверно отражать предельные воз-
можности материалов при высоких
рабочих температурах.
Конструкции втулок. Применение
контактных уплотнений в условиях
высоких температур и скоростей
скольжения связано с одной тепло-
технической проблемой. Требуется
обеспечить эффективный отвод тепла
от трущихся рабочих поверхностей
уплотнения с тем, чтобы повышение
температуры не было чрезмерным.
Ротор обычно стремятся делать теплоотводящим. При выборе
материала втулки обращается внимание не только на прочност-
ные свойства в диапазоне рабочих температур, но и на величину
коэффициента теплопроводности. Даже при низких температурах
и сравнительно несложных условиях работы желательно изгото-
вить втулку из материала с высокой теплопроводностью.
Иногда на втулку наносится поверхностное покрытие для полу-
чения лучшей совместимости (в отношении износа) с материалом
уплотнительного кольца.
Охлаждение. Задача создания надежной конструкции втулки
значительно усложняется, если уплотнение работает при высоких
температурах окружающей среды. Во многих случаях, например
в авиационных газовых турбинах, вал скорее будет подводить
тепло, чем отводить его. Если в результате повышенной темпера-
туры среды и тепловыделения от трения на рабочей поверхности
уплотнения создается температура, при которой начинается интен-
сивное окисление или износ, то необходимо предусмотреть искус-
ственное охлаждение.
На фнг. 5 показан самый простой способ: струйное внешнее
охлаждение. Поток масла направляется на втулку в непосредст-
венной близости к поверхности трения; расход масла устанавли-
вается в зависимости от требований охлаждения; между рабочей
120
поверхностью и местом подвода охлаждающей жидкости возникает
интенсивный тепловой поток в основном в осевом направлении.
При таком устройстве действию охлаждающей струи подвер-
гается лишь небольшой участок втулки. При вращении вала
с высокой скоростью часть масла не достигает поверхности втулки
и используется неэффективно.
Для организации отвода тепла в радиальном направлении и
увеличения поверхности контакта втулки с охлаждающей жид-
костью применяется конструкция с внутренним охлаждением
(фиг. 6). Подаваемое масло заполняет внутреннюю полость втулки
через ряд выфрезерованных пазов, равномерно распределенных
Подача
масла
Фиг. 6. Внутреннее охлаждение
втулки.
Подача
масла
Фиг. 7. Консольная втулка
с внутренним охлаждением.
но всей окружности. Втулка выполняется в виде двух гильз
с кольцевыми выточками, соединенных между собой горячей по-
садкой или сваркой. Такая конструкция применима до температур
порядка +500° С. При более высоких температурах среды плохо
организованное движение масла во внутренней полости может при-
вести к образованию застойных зон, коксованию масла, снижению
коэффициента теплоотдачи. Дискретность пазов может вызвать
неравномерность охлаждения и образование волнистости наружной
поверхности втулки, в связи с чем увеличится утечка.
Третий тип конструкции (фиг. 7) назван «консольной втулкой
с внутренним охлаждением». Охлаждающее масло впрыскивается
под верхнюю часть втулки, где оно под действием центробежных
и вихревых сил активно омывает консоль с внутренней стороны.
Хорошие результаты получаются также при строго радиальной
подаче масла на консольную втулку. Консольная конструкция
втулки исключает возникновение волнистости, а изменением
угла наклона подающего сопла и геометрии консоли можно до-
биться хорошего перемешивания масла. Здесь также сильно
уменьшается конусность втулки, возникающая под действием
градиента температуры, в осевом направлении между горячей
стороной высокого давления и более холодной областью, омывае-
мой маслом.
121
Конструкция втулок с внутренним охлаждением имеет один
недостаток. В некоторых случаях закрепление сопла подачи
в строго определенном месте может ограничить свободу осевых
перемещений подвижных деталей относительно неподвижных.
Однако, где это необходимо, можно расположить вдоль пути,
проходимого при осевоем перемещении вала, два или более
сопла.
Материалы. Износ графитовых контактных уплотнений во мно-
гом зависит от рабочей температуры. Однако важную роль играют
также скорость скольжения и величина удельных нагрузок.
Лучшим материалом для разрезных уплотнительных контакт-
ных колец является графит, имеющий превосходную износостой-
кость, сравнительно низкие коэффициенты трения по большинству
металлов и керамике, достаточную пластичность (модуль Юнга
равен 1-105— 2-Ю5 кГ/см2). Хотя большинство графитов под-
вержены окислению при температурах выше 300° С, существуют
марки графита с превосходной износостойкостью в окислитель-
ной среде при температурах до +540° С. Понятно, что при проек-
тировании втулок, работающих в тяжелых температурных усло-
виях, применяются легированные стали с высокой теплопровод-
ностью и обращается серьезное внимание на выбор наиболее
рациональной геометрии. Замена обычного хромирования, так
успешно применяемого при низких температурах, наплавкой
карбидом вольфрама или окисью алюминия также дает отличные
результаты при работе с пропитанным графитом вплоть до 540° С.
ГЛАВА 9
ПРОСТЫЕ НАБИВОЧНЫЕ САЛЬНИКИ
(М. М. Main, Е. Н. Stubenrauch)
В набивочных сальниках уплотняющий контакт создается при
сдавливании набивки нажимной буксой. Под влиянием усилия
сжатия набивочный материал течет в радиальном направлении,
образуя уплотняющий контакт между камерой сальника и набив-
кой с одной стороны и подвижной деталью (валом или штоком)
и набивкой — с другой. Набивочные сальники требуют частой
подтяжки для компенсации износа и потери объема.
Плотность таких уплотнений зависит от скорости, темпера-
туры, давления и химических свойств жидкой или газообразной
рабочей среды. Биения или эксцентрицитет вала и несоосность
штока также оказывают влияние на выбор набивочного мате-
риала и конструкции сальника.
Набивка должна быть достаточно пластичной для плотного
прилегания к поверхностям вала и камеры сальника под созда-
ваемым буксой усилием нажатия; быть способной противостоять
воздействию рабочей среды или смазки — не содержать ничего,
что могло бы растворяться, набухать или размягчаться в рабо-
чей среде или смазочной жидкости; быть достаточно упругой,
чтобы компенсировать те биения вала, которые нельзя исклю-
чить конструктивными мерами; обладать способностью самолик-
видации случайных перетяжек без появления чрезмерных тепло-
выделений и трения; не вызывать на поверхности вала задиров
или коррозии; длительное время сохранять свой объем, что позво-
ляет проводить поджатие и замену набивки через большие периоды
времени.
Конструкции набивочных сальников. Для набивки сальников
обычно применяют уплотнительные шнуры с прямоугольным или
квадратным сечением. В табл. 1, 2 приведены характеристики
основных трех типов набивок: волокнистых (плетеных), метал-
лических и пластических (гибких). Возможны и другие формы
сечения (фиг. 1).
Клиновая набивка состоит из двух колец с треугольным
сечением, одно из которых выполнено коническим, а другое
123
Таблица 1
Сальниковые набивки
Скрученные. Эта простая шнуровая набивка
обычно изготовляется из скрученных хлопковых
или асбестовых нитей, пропитанных минеральным
маслом и графитом. Крученые набивки не так проч-
ны, как плетеные, но просты в употреблении. Шнур
одного и того же размера применим для набивки
сальников различных типоразмеров. Крученый
шнур большого диаметра может быть использован
для набивки малых сальниковых камер простым
снятием ряда нитей. Этот тип набивки обычно при-
меняется в сальниках клапанов на низкое и сред-
нее давления
Оплеточные шнуры состоят из нескольких спле-
тенных чулок, надетых друг на друга, но не свя-
занных между собой. Изготовляются из белого
асбеста, хлопка, тефлона и других волокон. Лени
джут применяются редко. Асбест может использо-
ваться в чистом виде или усиливаться проволокой
из латуни, меди, монеля или инконеля. Оплеточ-
ные набивки иногда изготовляются в виде колец
со свинцовым сердечником, — так лучше сохра-
няется форма. Но этим самым обычно снижается
упругость набивки, особенно при небольших диа-
метрах.
Оплеточные шнуры или пропитываются маслами
и консистентными смазками (в некоторых слу-
чаях прографичиваются), или каждый чулок про-
питывается и соединяется с другими различными
связующими смесями
В последнем случае графит наносится только
снаружи.
Очень важно выбрать правильный тип и коли-
чество смазки. Излишняя смазка будет выдавлена
в процессе первой затяжки сальника и израсходо-
вана почти немедленно. Большинство набивок
содержит 30?6 смазки по весу. Оплеточные шнуры
чаще применяются для уплотнения штоков и в
’сальниках паровых клапанов. Упрочненные на-
бивки устанавливаются в центробежных насосах
для перекачки горячих масел и в котельных пита-
тельных насосах
Продолжение табл. 1
Сплетенные шнуры с квадратным и прямоуголь-
ным сечением. Эти набивки делаются из льна, голу-
бого и белого асбеста, хлопка, рами (китайской
крапивы), джута, тефлона, кожи и некоторых ме-
таллов — свинца или меди. Они пропитываются
маслом или промазываются консистентными смаз-
ками. Набивки упруги, легко поддаются регули-
ровке. Квадратные сплетенные шнуры размером
от 6 X 6 мм и выше, как правило, применяются
на вращающихся валах. При смазке графитом они
прографичиваются полностью. Медная или латун-
ная проволока используется в качестве сердеч-
ника или в исключительных случаях во всех нитях
для придания прочности набивке
Шнуры сквозного плетения обладают некоторы-
ми характеристиками оплеточных и сплетенных
шнуров. Оплетка не позволяет изготовлять их со
связующим из резины. Наиболее часто пропиты-
ваются маслами и тефлоновой суспензией. В таких
шнурах используют также тефлоновые ленты и
нити
Свернутые шнуры — наиболее простые, из клас-
са тканевых набивок. Они изготовляются из проре-
зиненных с одной стороны асбестовых или хлоп-
ковых тканей. Ткань надрезана наискось полоса-
ми для придания шнуру эластичности. Свернутые
шнуры обычно имеют мягкий резиновый сердеч-
ник и изготовляются в виде спиралей или колец
Сложенные шнуры изготовляются из асбестовой
или хлопковой тканей и по конструкции напоми-
нают свернутые шнуры. Отличие лишь в том, что
сложенный шнур состоит из тканевых складок
(гармоник). Получающаяся полоска заверты-
вается в кусок ткани. По наружной поверхности
кольца из такой набивки обычно идет резиновая
прокладочная полоска
Слоистые шнуры. Этот тип набивки изготовляет-
ся из слоев полотна и резины. Хлопковая ткань
имеет тонкое плетение, а слой резины между слоя-
ми ткани очень тонок, что делает набивку срав-
нительно жесткой и твердой. Некоторые разновид-
ности слоистых шнуров применяются в качестве
поршневых колец водяных насосов. Толстые ткани
в сочетании с утолщенными слоями резины при-
меняются для более мягких и податливых наби-
вок. Вообще эти набивки используются для што-
ков паровых двигателей, водяных насосов и гид-
равлических таранов. Снаружи слоистые шнуры
прографичиваются и могут смазываться. Более
мягкие и податливые набивки применяют в ста-
рых, изношенных механизмах
125
Таблица 2
I
Металлические набивки
шнур со спиральной шнур со соинцооым шнур си сшкнкннып Сниженные и скоичен-
наЬидкой	сердечником	сердечником те набивки
Эластичный полностью металлический шнур со спиральной набивкой полу-
чают, навивая слой на слой тонких лент мягкой металлической фольги, кон-
цы обрезаются под прямым углом и каждая лента промазывается маслом или
графитом. Фольга обычно свинцовая, медная или алюминиевая. Эти набивки
прочны, но не упруги. Применяются и комбинированные набивки, получаемые
навивкой металлической, свинцовой, медной или алюминиевой фольги на спле-
тенный или скрученный асбестовый или сплетенный льняной шнур. Комбини-
рованные пластикометаллические набивки изготовляются из свинцовой ленты,
навернутой на пластиковый сердечник, или обертыванием пластика сплетен-
ными металлическими проволочками. В желобковых шнурах с сердечником
металл и упругие волокна комбинируются только с одной стороны. Металли-
ческие сердечники могут быть свинцовыми или медными. Свинцовые сердечни-
ки обычно навиваются спирально из лент, медные употребляются в виде спле-
тенных шнуров
Сложенные и скрученные набивки изготовляются из длинных тонких лент
фольги, спирально навитых, сложенных и отформованных под заданную гео-
метрию. Каждая лента смазывается маслом, так что пустоты служат емко-
стями для смазки. Наиболее часто употребляемые материалы для таких наби-
вок: свинец, медь, алюминий, фосфористая бронза и никель
Набивки из пластических материалов
Смазываемые набивки содержат асбестовые волокна, графит или слюду,
масло или консистентную смазку. Иногда добавляются металлические включе-
ния. В некоторые набивки для увеличения маслоемкости вводятся древесные
опилки. Такие набивки встречаются в виде паст и стержней, укладываемых
в камеру сальника с помощью винтовых приспособлений, или же в сплетен-
ных защитных чехлах. Удобны для применения в условиях ограниченной
смазки. При средних и высоких скоростях вращения ротора обычно необходи-
ма дополнительная смазка или охлаждение.
Сухие набивки имеют сходный состав со смазываемыми набивками и отли-
чаются лишь тем, что вместо смазки используются связующие вещества из
класса резин. Асбестовые волокна с графитом или слюдой с добавкой (или без)
металлического порошка связываются естественным каучуком, буна-S или
неопреном
__________________________________________________________________________
126
Прод олжение табл. 2
Вводится небольшое количество смазки, но лишь для размягчения набивки,
поскольку при работе смазка не достигает поверхности вала. Сухие набивки
применяются в нескольких модификациях. Паста включает асбестовые волокна
и графит. При набивке сальника ей может быть придана произвольная форма.
Чаще применяется белый асбест, хотя в кислотной среде используется и голу-
бой асбест. Иногда пасту помещают в легкий хлопковый чехол.
Плоские бухты или спирали применяются для изготовления колец на валы
и штоки различных диаметров. Некоторые такие набивки употребляются без
чехлов, но для удобства обращения с ними по тыльной стороне крепится упроч-
няющая тесьма. Готовые формованные кольца в большинстве случаев наилуч-
шим образом обеспечивают заменяемость набивок сальников. Изготовленные
кольца имеют требуемый размер; тщательно выполнена стыковка концов и осу-
ществлено предварительное поджатие набивки, что упрощает регулировку
сальника в эксплуатации. Закрытые набивки, выполняемые с чехлами из чисто-
го или усиленного металлическими проволочками асбеста, находят широкое
применение, например, для уплотнения растворителей в условиях низких >
и средних температур и давлений, так как открытые кольца из пластических
материалов сильно размягчаются и могут вытечь из сальниковой камеры. Пла-
стичные кольца в асбестовых чехлах позволяют обойтись одним типом набивки
в сальниках высокого давления. Сухие пластичные набивки, применяемые на
вращающихся валах при не очень низких скоростях, нуждаются в охлаждении
посредством утечек или подводимой смазки. Пастообразные набивки в чехлах,
усиленных металлической оплеткой, успешно применяются при высоких
давлениях, высоких температурах пара и газов.
Формованные спиральные кольца используются для набивки сальников
клапанов в широком диапазоне рабочих условий. Они удобны для замены на-
бивки и ее первоначальной установки во всех конструкциях клапанов, где
доступ в камеру сальника открывается после удаления маховичка и нажимной ,
буксы
имеет форму обратного конуса. Вариантом клиновой набивки
является набор двояковогнутых и двояковыпуклых конических
колец. Углы поверхностей подобраны так, чтобы при затяжке
буксы усилия нажатия выгодно преобразовались в уплотняющие.
Применяются также сальники, набивка которых набирается из
колпачковых колец. В последнем случае острые кромки колец
позволяют сальнику подобно язычковым манжетным уплотне-
ниям отчасти компенсировать биения вала или штока.
Конструкция набивочного шнура должна обеспечивать некото-
рые необходимые характеристики: упругость, эластичность. С этой
целью, например, в шнур из свинцовой фольги вводится неопре-
новый сердечник, придающий ему упругость. Некоторые пласти-
ческие набивки включают в себя резиновые вплетения, которые
делают возможными регулировку и подтяжку сальников. Неко-
торые конструкции плетеных шнуров изготовляются с дополни-
тельными элементами, повышающими их упругость (фиг. 2).
Для набивочных колец важно правильно выбрать способ
соединения стыков. Диагональная обрезка концов кольца обеспе-
чивает хорошее перекрытие в стыке и возможность уплотнения
127
его под воздействием давления рабочей среды и усилия, разви-
ваемого нажимной буксой. Она позволяет также кольцу при необ-
ходимости увеличивать свой диаметр без нарушения плотности
стыка. В обычном многокольцевом сальнике кольца распола-
гаются с обязательным перекрытием стыков.
а)
е)	ж)	з)
Фиг. 1. Конструкции сальниковых
набивок:
а — клиновая; б — двояковыпуклые и
двояковогнутые кольца; е — колпачко-
вые кольца.
Фиг. 2. Типичные волокнистые набивки
с упругими элементами:
а —полые; б—с мягким сердечником; в—с пле-
теным сердечником; г—плетеный шнур с мяг-
кой лентой; д — с мягким сердечником; е—с диа-
гональными слоями; ж — слоистая клиновая
набивка; з —с клиновым мягким сердечником.
Характеристика набивки. Смазка. В некотором смысле наби-
вочный сальник аналогичен подшипнику скольжения, для работы
которого необходима смазка. Принцип действия набивочного
сальника основан на простом дросселировании рабочей жидкости
в кольцевом зазоре. Он не должен обладать абсолютной плот-
ностью во избежание повреждения устройства.
В типичных конструкциях сальников набивка уплотняется
нажимной буксой (фиг. 3). При нормальной работе сальника
смазкой служат те утечки рабочей среды, которые проходят
через небольшой зазор между подвижными деталями узла и на-
бивкой.
Если сальник перетянут, то утечки будут исключены и про-
изойдет интенсивное выделение тепла. В результате этого рас-
128
плавляется и вытекает вещество, которым пропитана набивка;
оно и обеспечивает необходимую смазку для предотвращения
сгорания набивки или появления на поверхности штоков и валов
задиров. Затем при работе набивка теряет часть своего объема
и восстанавливается нормальная величина утечек.
Если перетяжка сальника происходит неоднократно, то рано
или поздно в набивке совсем не останется смазки, и она сгорит
или вызовет задиры на поверхности вала. Плетеные волокнистые
набивки плохо переносят чрезмерные и повторяющиеся нагрузки
от затяжки буксы. Пластиче-
ские и металлические набивки
еще менее стойки в этом отно-
шении, поскольку обладают
большей плотностью и содержат
меньшее количество смазки.
Однако они обладают другими
ценными качествами, благодаря
которым во многих случаях им
отдается предпочтение.
В условиях высоких рабочих
температур или там, где высокие
давления приводят к большим
тепловыделениям по причине
малости зазоров между набив-
кой и движущимися деталями,
необходимо применять какие-
либо средства принудительного
охлаждения и смазки. Подвод
смазки требуется и в тех слу-
чаях, когда рабочая среда сама по себе не обладает достаточными
смазочными качествами. Смазка сальника производится через
фонарь, обычно размещаемый в середине набивки. Точное его
расположение зависит от вязкости и смазывающих свойств подво-
димой смазки, а также от того, работает ли сальник под избыточ-
ным давлением, или под разрежением.
Способ ввода смазки меняется в зависимости от конкретных
условий применения. Могут понадобиться любые устройства, от
простой тавотницы до особой насосной системы. Непрерывная
подача смазки дает лучшие результаты, чем периодическая.
Часто через фонарь в сальник подается сама рабочая среда,
как правило, со стороны нагнетания (фиг. 4). Если рабочая
жидкость (или газ) содержит абразивные частички, то на трубо-
проводе можно установить фильтр. При высоких температурах
применяются теплообменники (холодильники). Обычно органи-
зована только подача смазки в сальник. Выпуск ее из сальника
производится или внутрь машины, или через дренажные отвер-
стия. В этом случае смазка является также и охлаждающим
9 Дж. А. Паркс и др.	129
6)	г)
Фиг. 3. Последовательность операций
при затяжке сальника:
а — новая набивка; б—утечки отсутствуют,
выдавливается пропитка; в—смазка пропи-
тывающим веществом; г — смазка отсут-
ствует.
средством. Но неизвестно, какое количество тепла отводится при
этом. При нерегулируемом расходе жидкости смазка сальника
может оказаться неэффективной, если давление подаваемой
жидкости резко снижается.
При принудительной смазке набивочных сальников смазку
следует подавать под давлением, на 0,35—0,7 кПсм.2 превышаю-
щим рабочее. Эго обеспечит ток жидкости в кольцевом зазоре
между набивкой и подвижными деталями, а также создастжидко-
стное уплотнение для рабочей среды.
Если рабочая среда обладает хорошими смазывающими свой-
ствами, но является агрессивной или пожароопасной, то при-
Фиг. 4. Метод использования
рабочей среды для смазки
сальника:
/—фонарь; 2—набивка.
меняют предсальниковые камеры. По-
следние постоянно промываются под-
ходящей жидкостью, смесь которой
с утечками через сальник отводится
в безопасное место. Предсальники ис-
пользуются и там, где утечки при выходе
наружу бурно превращаются в газ или,
как в случае котельных насосов, в пар.
Поскольку излишний приток тепла
усложняет проблемы уплотнения, жела-
тельно снабжать насосы охлаждающими
рубашками, в которых циркулирует
вода или другая жидкость.
Наличие в рабочей среде абразивных
частиц требует введения в конструкцию
сальника защитных уплотнений. Для смыва абразивных частиц
или коррозионных материалов и предотвращения их попадания
в набивку применяются фонари. Защитный фонарь размещается
в начале сальниковой камеры, а промывающая жидкость вво-
дится в него под давлением, на 0,3—0,7 кПсм2 большим, чем ра-
бочее. Такие устройства можно использовать только там, где
допустимо незначительное загрязнение рабочей среды промываю-
щей жидкостью.
Другим средством может служить выдавливаемое в зазор
уплотнительное кольцо из мягкой резины, играющее в этом
случае роль защитного уплотнения. Такой метод имеет ряд пре-
имуществ, хотя не исключена возможность, что захваченные
кольцом абразивные частички будут оставлять следы на по-
верхности подвижной детали, подобно шлифовальному
диску.
Обработка поверхности. Длительность эффективной работы
сальниковой набивки непосредственно зависит от чистоты обра-
ботки поверхности вала и расточки камеры сальника. Вал обра-
батывается до чистоты поверхности, соответствующей средне-
квадратичной величине микронеровностей 0,4—0,5 мк. При более
грубой чистоте поверхности набивка в первое время будет быстро
130
изнашиваться, полируя рабочие поверхности, что скажется на
сокращении общей длительности службы уплотнения.
Набивка неподвижна относительно расточки камеры сальника,
и ее поверхность может быть обработана с меньшей чистотой.
Однако величина микронеровностей не должна превышать 1,25—
1,9 мк. При более грубой обработке поверхности могут потребо-
ваться значительные усилия поджатия набивки для создания
плотности неподвижного контакта. Это, однако, приведет к силь-
ному обжатию вала и повысит вероятность прихватывания и сго-
рания набивки. В коррозионных условиях у хорошо обработан-
ной камеры качество поверхности может ухудшиться и сальник
а.]	61	S)
Фиг. 5. Конструкции грундбуксы:
а — конусное дно; б — прямое дно; в — колпачковые кольца, конусное дно.
начнет течь по наружному диаметру набивки. Введение вкла-
дыша с треугольным сечением из пластических материалов или
О-образных колец, размещенных по наружному диаметру набивки,
может ликвидировать эту опасность. Вкладыш изготовляется
из более мягкого материала, чем оба примыкающих к нему кони-
ческих кольца, и вследствие этого он течет в радиальном напра-
влении, устраняя все утечки через стык набивки с расточкой
камеры сальника.
С помощью конических колец и нажимной буксы можно до-
биться не только уплотнения набивки в осевом направлении,
но и плотного обжатия ею вала или штока (фиг. 5). Однако тре-
буется тщательно разработанная конструкция, чтобы избежать
чрезмерного эффекта сдавливания, который может проявиться
в непосредственной близости от торцов буксы в виде прихваты-
вания набивки к валу. Если угол слишком острый, то набивка
будет выдавливаться из-под нажимной буксы.
Обычно применяются конусные срезы под углом 30°. Для
некоторых сальников подвижных соединений лучшие результаты
могут дать углы 11—12°. Набивка из конических колец и кониче-
ские нажимные кольца чаще применяются в камерах сальников
с плоским дном.
Зазоры. Для успешной работы сальника необходимо правильно
назначить величину радиальных зазоров между валом и камерой
9*	131
сальника, между буксой и фонарем. С увеличением давлений
этот вопрос становится все более важным. При малых зазорах
лучше фиксируется набивка и с большей эффективностью ограни-
чивается дросселирование утечек рабочей среды. Большие зазоры
приводят к выдавливанию набивки, особенно мягкой, из-под
буксы и дна камеры сальника. Выдавливание набивки из саль-
ника дезорганизует поток утечек, необходимых для ее смазки,
и в результате обильных выделений может произойти поврежде-
ние уплотнения или вала.
Зазоры обычно лежат в пределах 0,2—0,8 мм для отверстия
дна камеры, 0,5—2 мм для внутреннего диаметра нажимной буксы.
Зазор по внешнему диаметру
Таблица з нажимной буксы между нею и
Рекомендуемые размеры набивок для различных диаметров вала в мм		расточкой камеры сальника на- значается в более жестких пре-
Диаметр вала	Радиальная толщина набинки	делах для того, чтобы обеспе- чить центрирование буксы и пре- дотвратить ее касание о поверх- ность вала.. Величина его коле- блется от 0,25 до 1,2 мм. Твердость поверхности вала и штока также оказывает влия- ние на продолжительность ра- боты набивки. Набивки, изго- товленные из алюминия, или
От 12,7 до 16 » 17,5 » 38 » 40	»	50 » 52	»	64 » 65	»	76 » 78	»	100	8,0 9,5 11,0 12,7 14,3 16,0	
		армированные металлической
проволокой из монеля или инконеля, должны применяться при
минимальной твердости поверхности вала НВ 500. В случае при-
менения таких набивок для работы с мягкими металлами неиз-
бежны задиры на валу с прогрессирующим износом набивки.
Выбор набивки. Поперечное сечение набивки сальника опре-
деляется размерами вала или штока, на котором он устанавли-
вается. Рекомендуемые размеры набивки в зависимости от разме-
ров вала приведены в табл. 3.
Для плотного заполнения камеры сальника необходимо пра-
вильно выбрать размеры поперечного сечения. Если набивка
взята несколько меньших размеров, чем требовалось, то для
затяжки сальника потребуются чрезмерные усилия. К тому же
уменьшается возможность подтягивания сальника в процессе
эксплуатации.
С другой стороны, набивку с большим, чем нужно, поперечным
сечением приходится сплющивать или прокатывать, чтобы ее
можно было заложить в камеру сальника. Это приводит к дефор-
мированию набивки и увеличению тепловыделения.
Обычно длительность службы сальников достигается приме-
нением комбинированных набивок. Для несложных условий
работы и низких давлений успешно может быть использована
132
и простая мягкая набивка из пластических материалов или даже
волокнистые (плетеные) набивки.
При высоких давлениях для подкрепления мягких пластич-
ных колец следует вводить кольца из более плотных набивок,
например металлических или из сплетенного асбеста. Одно
кольцо из такого материала кладется на грундбуксу, другое —
под нажимную буксу. Этим исключается выдавливание мягких
набивок в наиболее опасных местах. Если в конструкцию саль-
ника вводится фонарь, то по тем же самым причинам с обеих его
сторон ставится по одному кольцу из плотной набивки.
Фиг. 6. Распределение нагрузки по валу в многокольцевом
сальнике.
С увеличением рабочего давления следует увеличивать число
таких колец за счет мягкой набивки.
В любом сальнике, набранном из некоторого числа колец
и установленном на валу или штоке, большая часть нагрузки
воспринимается первыми кольцами, расположенными непосред-
ственно за нажимной буксой. Именно эти кольца выполняют
в основном уплотнительные функции (фиг. 6).
На неравномерность -распределения нагрузки по кольцам
влияет ряд факторов: неправильная установка какого-либо кольца
при монтаже, грубая поверхность расточки камеры сальника,
не дающая набивке свободно скользить в осевом направлении,
неправильно выбранные материалы.
В какой-то степени возможно сконструировать сальник так,
чтобы все кольца выполняли уплотняющие функции примерно
в равной мере. Комбинируя набивочные кольца разной плотности,
можно добиться более равномерного распределения усилия под-
жатия по всему сальнику.
В табл. 4 даны типы набивок, которые рекомендуется при-
менять и различных условиях работы и средах.
133
Таблица 4
Набивки для различных условий работы
1 Рабочая среда	Условия работы			
	Штоки с возвратно- поступательным движением	Вращающиеся валы	Поршни и цилиндры	Штоки клапанов
Кислоты и ще- лочи	Асбестовые (голубой) Металлические Пластичные Полуметаллические Тефлоновые	Асбестовые (голубой) Пластичные Полуметаллические Тефлоновые	Тефлоновые	Асбестовые (голубой) Пластичные Полуметаллические Тефлоновые
Воздух	Асбестовые Металлические Пластичные Полуметаллические	Асбестовые Пластичные Полуметаллические	Кожаные Металлические	Асбестовые Пластичные Полуметаллические
Аммиак	Тканевые и резино- вые Металлические Полуметаллические	Асбестовые Полуметаллические	Тканевые и резино- вые	Асбестовые Тканевые и резино- вые Полуметаллические
Газ	Асбестовые Металлические Полуметаллические	Асбестовые Полуметаллические	Кожаные Металлические	Асбестовые Полуметаллические
Холодные бен- зин и масла	Асбестовые Пластичные Полуметаллические	Асбестовые Пластичные Полуметаллические	Кожаные	Асбестовые Пластичные Полуметаллические
Горячие бен- зин и масла	Асбестовые Пластичные Полуметаллические	Асбестовые Пластичные Полуметаллические	—	Асбестовые Пластичные Полуметаллические
Продолжение табл. 4
Рабочая среда	Условия работы			
	Штоки с возвратно- поступательным движением	Вращающиеся валы	Поршни и цилиндры	Штоки клапанов
Пар под низ- ким давлением	Асбестовые Тканевые и резино- вые Металлические Пластичные Полуметаллические	Асбестовые Металлические Пластичные Полуметаллические	Тканевые и резино- вые Металлические	Асбестовые Тканевые и резино- вые Пластичные Полуметаллические
Пар под высо- ким давлением	Асбестовые Металлические Пластичные Полуметаллические	Асбестовые Металлические Пластичные Полуметаллические	Металлические	Асбестовые Металлические Пластичные Полуметаллические
Холодная вода	Тканевые и резино- вые (лен, джут или рами) Кожаные Пластичные Полуметаллические	Асбестовые Хлопок или вискоза Лен, джут или рами Пластичные Полуметаллические	Тканевые и резино- вые	Асбестовые Тканевые и резино- вые Лен или хлопок Пластичные Полуметаллические
Горячая вода	Тканевые и резино- вые Кожаные Пластичные Полуметаллические	Асбестовые Пластичные Полуметаллические	Тканевые и резино- вые	Асбестовые Т каневые и резино- вые Пластичные Полуметаллические
Материалы сальниковых набивок. Разнообразные условия при-
менения набивочных сальников требуют использования различ-
ных материалов, таких как: ткани (из растительных, животных,
минеральных и синтетических волокон), металлы (шнуры,
фольга и другие формы), смазочные и связующие вещества,
резины (табл. 5).
Растительные волокна. Это — лен, джут, рами и хлопок.
Первые три используются главным образом в плетеном виде
для сальников, работающих в холодной воде, так как имеют
высокую прочность во влажном состоянии. Хлопок тоже спле-
тается в шнуры, но чаще применяется в виде тканей. Все расти-
тельные волокна обладают низкой теплостойкостью.
Минеральные волокна. Асбест является наиболее гибким из
всех минеральных волокон в смысле разнообразия применения
и характеризуется уникальной волокнистой структурой и способ-
ностью противостоять температурам, от которых другие волокна
разрушаются.
Канадский хризотил — весьма важный текстильный мате-
риал, так как длина, прочность и упругость его волокон позво-
ляют изготовлять пряжу, нитки и чесаное волокно. Хризотило-
вый асбест начинает терять прочность и упругость при температуре
около 430° С. Хризотило-асбестовая пряжа, применяемая в саль-
никах, содержит некоторое количество хлопкового волокна,
добавляемого для облегчения прядения и повышения прочности
пряжи.
В табл. 6 приведены марки асбестовых смесей для тканей
в соответствии со стандартом ASTM.
Крокидолит, или голубой асбест, также может выпускаться
в виде нитей и тканей. Он отличается большей жесткостью и абра-
зивностью по сравнению с хризотилом и меньшей теплоемкостью.
Обладает повышенной стойкостью в среде сильнодействующих
минеральных кислот.
Животные продукты. Шерсть и волос находят некоторое
применение в качестве набивочного материала, главным образом
в виде войлока для грязезащитных и пылезащитных уплотнений,
предназначенных для удержания вязких или тестообразных
жидкостей при малых рабочих давлениях.
В качестве набивок широко применяется кожа, пропитанная
синтетическими веществами, например тиоколом или буна-N.
Этот волокнистый по структуре материал встречается в виде
шнуров, сплетенных из полосок. Многие кожаные набивки про-
питываются маслами или воском, чтобы уменьшить коэффициент
трения, заполнить промежутки между волокнами и сохранить
упругость кожи.
Искусственные волокна. Для изготовления сальниковых на-
бивок используются некоторые виды искусственных, синтетиче-
ских, материалов. Плетеные шнуры из искусственного шелка
136
Таблица 5
Набивочные материалы
Волокна	Металлы	Смазка	Сухая смазка	Связующие вещества
Животные: [ Шерсть < Волосы ( Кожа	Свинец Медь Латунь Бронза	Животные жиры Глицерин, пчелиный воск Лярдовый жир Рыбий жир Мыло	Г рафит Сернистый мо- либден Слюда Тальк Тефлон Углерод	Консистентная смаз- ка Парафины Резиновые смеси Тефлон Смолы
Растительные: Лен Рами Джут Хлопок	Алюминий Железо	Растительная: Касторовое масло Пальмовое масло Хлопковое масло Льняное масло		
Минеральные: Хризотиловый ас- бест Крокидолитовый асбест	Нержавеющая сталь Никель Монель	Минеральная: Смазочное масло, пара- фин Вазелин Консистентная смазка		
Синтетические: Нейлон Вискоза Тефлон	Инконель Цинк	Синтетические масла: Воск Фтороуглеродистая смазка Силиконовая смазка		
и нейлона иногда заменяют лен, джут или рами в сальниках,
предназначенных для удержания воды. Волокна, приготовленные
из тефлона, эластичны, прочны, отличаются той же химической
стойкостью, что и исходный материал. Волокнистость структуры
сохраняется до 230—260° С, хотя наблюдается некоторая усадка
волокон. Тефлоновые нити, сплетенные в шнур, могут приме-
няться в сальниках для уплотнения сильно агрессивных жидко-
стей. Ценность тефлоновых набивок заключается в мягкости
и упругости волокон, достигаемой отнюдь не за счет увеличения
размеров. Они хорошо противостоят тепловому воздействию,
Таблица 6
Марки текстильных набивочных
материалов по ASTM
Марка материала	Содержа- ние асбеста в %	Ориентире* вочные предельные температуры в °C
Обычный	75—80	200
Гарантиро- ванный	80—85	230
А	85—90	290
АА	90—95	315
ААА	95—99	400
АААА	99—100	480
длительно удерживают смазку
или наполнители, достаточно
эластичны, чтобы воспринимать
небольшие биения вала.
Металлы. Для набивок при-
меняются и металлы. Свинец
употребляется для набивок в ви-
де тонких лент шириной от 12
до 140 мм. Ленты шириной до
25 мм применяются для спираль-
ной навивки набивок с целью
повышения их податливости.
Ленты шириной около 130 мм
складывают и скручивают в пря-
моугольные шнуры.
Состав свинца для лент играет
важную роль и зависит от
назначения сальника. Иногда в свинец для лент добавляют сурьму
или олово для повышения твердости и улучшения антифрикцион-
ных свойств. Для сальников высокого давления требуется боль-
шая твердость набивки. В скрученных пакетных набивках леги-
рующих добавок употребляется меньше, чтобы сохранить доста-
точную мягкость и податливость подобных конструкций. Имеются
набивки, сплетенные из тонких лент химически чистого свинца
с целью использования его высоких антикоррозионных свойств.
Сплавы свинца с повышенной твердостью используются для изго-
товления лент с перфорацией канавками или прорезями, которые
применяются совместно с плетеными набивками из мягкого волокна
как уплотнительные пояски или в качестве подкрепляющих ко-
лец с невысоким коэффициентом трения. Свинец применяется
до температуры 230° С.
Медь используется в чистом виде; для обеспечения наибольшей
мягкости и податливости ее отжигают. Медь более жестка, чем
свинец, и поэтому полоски фольги из нее делаются тоньше. Мед-
ная проволока используется для усиления асбестовых шнуров,
а также без асбеста для изготовления плетеных рубашек пласти-
ческих набивок, работающих при высоких температурах. Чтобы
138
уменьшить зазоры между грундбуксой и штоком из медной про-
волоки сплетаются кольца с квадратным поперечным сечением.
Такие кольца могут служить и вкладышами в асбестовых много-
слойных набивках, применяемых в насосах для перекачки горячих
масел, смол, асфальта. Медь применяется до температуры 540° С.
Алюминий, как и медь, употребляется в чистом виде в лентах
из фольги с толщиной около 0,025 мм. Алюминиевые набивки
эквивалентной конструкции более податливы, чем медные. Алю-
миний обладает лучшей стойкостью в среде высокосернистой
нефти при повышенных температурах, но в сальниках котельных
насосов предпочитают применять медь. Для удовлетворительной
работы медных и алюминиевых набивок необходимо обеспечить
твердость поверхности вала или смонтированной на нем втулки
не менее чем 500 по Бринелю. Алюминий применяется при темпе-
ратурах от +20 до +540° С.
Фосфорная бронза заменяет медь в некоторых специальных
случаях, главным образом в тяжелых условиях для питательных
насосов котельных установок.
Чистый никель в виде тонких лент применяется в сальниках
оборудования, обрабатывающего расплавленную едкую щелочь.
Для этой цели могут быть использованы лишь очень немногие
другие набивки.
Проволока из чистого железа применяется для усиления
шнуровых набивок сальников клапанов ртутных бойлеров.Чистое
мягкое железо применяется также в виде тонких лент поверх
асбеста или в более массивных формах для работы в условиях
высоких температур и давлений.
Монель, инконель и нержавеющие стали используются в ка-
честве проволочного усиления асбестовых шнуров сальников,
работающих в условиях высоких температур и давлений и уплот-
няющих газы, пар или масло.
Цинк в набивках применяется главным образом для защиты
от коррозии сальников паровых клапанов. Цинк препятствует
появлению точечной коррозии нержавеющей стали, применяемой
для клапанных штоков; такая коррозия создается гальваниче-
скими эффектами и обычно возникает при складском хранении.
Смазка набивки. Смазка должна обладать достаточными сма-
зывающими свойствами: быть нерастворимой в уплотняемой среде,
чтобы не разжижаться и не вымываться из набивки; не загряз-
нять рабочую жидкость; не осмоляться при складском хранении
или до ввода сальника в работу; не корродировать металлы, при-
мененные в узле; быть трудно выплавляемой в случае применения
ее в условиях высоких температур.
Широко используемыми смазками являются следующие.
Животный жир используется для пропитки набивок, особенно
льняных и других волокнистых материалов, применяемых в саль-
никах для удержания холодной воды. Главным недостатком
139
животных жиров является их тенденция разлагаться, образуя
свободные жирные кислоты. Эти кислоты иногда вызывают корро-
зию вала, буксы или металлических деталей, подкрепляющих
льняную набивку сальника.
Касторовое масло также часто встречается в качестве смазки
в общем машиностроении и в технике уплотнений. Как средство
пропитки набивок касторовое масло ценно ввиду его плохой
растворимости в нефтяных растворителях.
Бразильский пальмовый воск также плохо растворим в неф-
тяных растворителях. Обычно применяется в сочетании с касто-
ровым маслом. В набивках из пластических материалов нередко
применяется пальмовое масло.
Глицерин нерастворим в продуктах перегонки нефти и при-
меняется в сальниках для уплотнения бензина, для пропитки
прокладок и смазки резиновых колец паровых сальников. Для
пропитки набивок сальников, уплотняющих бензин, можно
использовать и жидкое мыло.
Смазки на минеральной основе получают в основном при
перегонке нефти, хотя в технике используются и встречающиеся
в природе вещества, например озокерит (горный воск).
Для смазки набивок применяется цилиндровое масло, осо-
бенно в сальниках со шнуровой асбестовой набивкой. Многие
сальники смазывают и жидкими маслами с невысокой теплостой-
костью. Но лучше употреблять высококачественные масла.
В некоторых случаях набивки пропитывают чистым маслом.
Иногда в масло добавляют воск, чтобы добиться отверждения
смазки при комнатной температуре, но с сохранением способ-
ности ее плавиться и течь при нагреве набивки сальника. Такие
смеси трудно выдавливаются из набивки.
Парафин представляет собой нефтяной воск, отделенный от
масел вымораживанием. Вазелин и микрокристаллический воск
отделяются в процессе очистки селективными растворителями.
Графит — сухая смазка с высокой плотностью и кристалли-
ческой структурой, которая обусловливает его ценные свойства.
Употребляется в виде скользкого порошка, инертного по отноше-
нию к большинству химикатов. Графитовый порошок состоит
из очень тонких чешуек, которые легко пристают к поверхностям
набивки, штоков и валов, значительно уменьшая трение сухого
асбеста по металлу.
Сернистый молибден является сухой смазкой и внешне и на
ощупь напоминает графит. В качестве противозадирной смазки
для металлов этот материал употребляется в чистом виде или
в смеси с маслами и консистентными смазками. Он обладает
изоляционными свойствами и препятствует гальванокоррозии, но
не рекомендуется для применения в сальниках паровых клапанов
из-за низкой температуры разложения. На воздухе сернистый
молибден разлагается приблизительно при 315° С.
140
В сальниках с набивкой из пластических материалов серни-
стый молибден действует как подкрепляющий материал, поэтому
он не дает мягкости и эластичности, получаемой от применения
чешуйчатого графита. Стоимость сернистого молибдена при-
мерно в 4—6 раз выше стоимости графита, а плотность в 2 раза
выше, чем у графита. При одинаковом потреблении объемных
количеств сухой смазки применение сернистого молибдена для
пропитки большинства набивок является слишком дорогостоящим
в сравнении с преимуществами этого метода.
Слюда и тальк являются гидратированными силикатами
алюминия. Тальк имеет примерно ту же твердость, что и графит,
в то время как слюда — несколько более высокую. Оба эти ве-
щества используются для замены графитового порошка в набив-
ках, но ни то, ни другое не представляет собой достаточно равно-
ценной замены графита. Набивки, содержащие только слюду
или тальк, имеют более высокий коэффициент трения, чем на-
бивки с графитом, и применяются в основном там, где графит
не может быть использован по причине своего цвета.
Новейшие смазки удовлетворяют требованиям нерастворимости
и высокой точки плавления, но пропитка ими плетеных набивок
трудно осуществима. Это справедливо для трех типов сравни-
тельно новых смазок; все три могут с успехом применяться для
пропитки сальниковых набивок.
Первая группа охватывает загущенные минеральные масла.
Эти масла получают растиранием в них таких материалов, как
очень мелкая сажа, бентонит или мелкодисперсный силикагель.
Такие масла не имеют точной точки плавления и зачастую скорее
испаряются, нежели плавятся и вытекают при повышенных
температурах. Загущенные масла встречаются в различных
консистенциях и всегда служат хорошей смазкой даже в твердом
состоянии.
Вторая группа смазок используется в условиях высоких
и очень низких температур. Это — силиконовые консистентные
смазки, которые представляют собой силиконовые масла в смеси
с загустителями.
Третий тип смазок очень подходит для пропитки набивок,
применяемых в среде сильно корродирующих кислот. Это фторо-
углеродистые консистентные смазки, приготовляемые или загу-
щением фтороуглеродистых масел, или смешением этих масел
с воском.
Все смазки перечисленных трех групп более эффективны
в оплеточных набивках, чем в шнурах сквозного плетения. Обычно
ими обмазывается один чулок за другим и наружная поверх-
ность набивки.
Эти смазки пригодны также для ввода через фонарь в сальни-
ках повышенной герметичности.
ГЛАВА 10
ФАСОННЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
Фасонные уплотнения часто называют автоматическими, гид-
равлическими или механическими сальниками. Большинство из
них обычно не требует никакой регулировки после установки
на место. Давление уплотняемой среды обеспечивает создание
необходимого уплотняющего усилия для прижатия уплотняю-
щего материала к рабочим поверхностям.
Общая классификация фасонных уплотнений может быть
проведена по двум группам: язычковые уплотнения и сдавливае-
мые кольца. Язычковые уплотнения включают тарельчатые,
фланцевые, манжетные, U-образные манжетные, U- и V-образные
кольца. Ко второй группе относятся О-образные кольца и другие
аналогичные уплотнительные элементы,где эффект уплотнения
создается натягом кольца.
ЯЗЫЧКОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
(J. N. Smith.)
Тарельчатые, фланцевые, U-образные двусторонние манжеты,
U-образные и V-образные кольца применяются почти исключи-
тельно для работы в динамических условиях. Вообще они уста-
навливаются и на вращающиеся валы, и на штоки; однако рас-
сматриваемые в этой главе уплотнения используются главным
образом для уплотнения штоков с возвратно-поступательным
движением. Следовательно, все рекомендации и конструкции,
рассматриваемые здесь, относятся к уплотнениям штоков.
Термин U-образная манжета обозначает однородное резиновое
кольцо с поперечным сечением формы U. В производстве пред-
почитают называть кожаные и тканевые U-образные манжеты
U-образными кольцами.
Перед обсуждением типов, конструктивных форм и правиль-
ного применения язычковых уплотнений рассмотрим сначала
различные материалы, которые используются при изготовлении
манжет, с точки зрения их достоинств и предельных характери-
стик.
142
Материалы язычковых уплотнений. Кожа является самым ста-
рым уплотнительным материалом и в некоторых случаях все
еще находит применение. Из трех основных видов кож, получае-
мых растительным, хромовым дублением и додубливанием, послед-
ние два встречаются более часто. Поскольку все виды кожи обла-
дают пористостью, необходимо заполнить пустоты между волок-
нами путем пропитки. До недавнего времени самым распростра-
ненным материалом для этой цели был воск. Однако сейчас про-
питку кожи воском заменила пропитка синтетической резиной.
Из синтетических резин чаще используется жидкий полисульфид.
Максимальная рабочая температура пропитанных кожаных ман-
жет определяется термостойкостью самой кожи, так как пропи-
тывающее вещество не имеет точки смешиваемости и не вымы-
вается под воздействием температур и давлений. Максимальная
температура безопасной работы кож с хромовым дублением или
додубливанием равна 82° С; допускается кратковременная работа
при температурах до 93° С.
Кожа, полностью пропитанная жидким полисульфидом, пре-
восходно противостоит воздействию многих сред, например
воздуха, минеральных масел с различными анилиновыми точками
и огнестойких сложных эфиров фосфорной кислоты.
Кожаные язычковые уплотнения не следует употреблять для
уплотнения пара под давлением, крепких щелочей и кислотных
сред с pH вне диапазона 3—8,5. Кожа может применяться вплоть
до —54° С. Эластичные свойства манжет при этой температуре
зависят от типа пропитывающего вещества.
Кожаные манжеты обладают хорошими антифрикционными
свойствами, высокой прочностью на разрыв и низкой хладно-
текучестью (хорошим сопротивлением выдавливанию). Эти харак-
теристики позволяют широко применять кожу при высоких
давлениях и значительных зазорах между металлическими де-
талями.
Кожаные прокладки (удерживающие кольца) устанавливаются
позади сальниковых набивок и О-образных колец для того, чтобы
перекрыть зазоры и предотвратить выдавливание основных уплот-
нительных элементов, особенно при рабочих давлениях свыше
200 ат.
Кожа не образует задиров на поверхности вала и обладает
способностью повышать чистоту металлических поверхностей, как
это имеет место при правке бритвы о кожаный ремень. Для грубых
рабочих поверхностей кожаные манжеты предпочтительнее, чем
тканевые или манжеты из однородной синтетической резины.
Рабочая металлическая поверхность при работе с кожей должна
быть обработана не грубее 1,6 мк, желательно до чистоты, соответ-
ствующей среднеквадратичной величине микронеровностей 0,8 мк.
Структура кожаных волокон позволяет манжете абсорбировать
смазывающую жидкость и оставлять при поступательном движе-
143
нии тонкую пленку смазки на зеркале цилиндра или поверхности
штока. При непрерывном возвратно-поступательном движении
толщина пленки увеличивается и может наблюдаться легкое
просачивание. Кожаные манжеты изготовляются в соответствии
со стандартами в следующих исполнениях: тарельчатые, флан-
цевые, U-образные и V-образные.
Тканево-резиновые манжеты состоят из синтетической резины
и материи. Ткань, используемая в таких манжетах, может быть
приравнена в какой-то степени к кожаным волокнам в манжете,
для пропитки которой была использована синтетическая резина.
Ткань необходима для упрочнения синтетических резин, при-
меняемых в условиях высоких давлений, и для повышения сопро-
тивления выдавливанию. Наиболее часто используемые ткани —
это полотно (хлопчатобумажное), асбест и нейлон. Полотно
применяется до температуры 120° С, в то время как асбест обычно
используется при более высоких температурах. Нейлон находит
применение там, где требуются повышенная прочность и высокие
эластичные свойства.
Марка синтетической резины, которая берется для тканево-
резиновых манжет, зависит от рабочей среды и температуры.
ч	Наиболее обычными базовыми полимерами являются полихлоро-
v	прен, буна N, буна S, бутил и витон. Полихлоропрен и буна
N применяются для уплотнения масел, буна S — для воды, бу-
тил — при уплотнении сложных эфиров фосфорной кислоты.
Витон используется в условиях высоких рабочих температур.
Тканево-резиновые манжеты обладают несколько худшими
самосмазывающими свойствами, чем кожаные. Однако благодаря
тканевому заполнению манжеты и здесь проявляется эффект
фитильной смазки, который усиливается с повышением давления.
Тканево-резиновые уплотнения работают в более широком диапа-
зоне температур, чем кожаные манжеты. К тому же очень широк
диапазон допустимых значений числа pH — от кислот до крепких
щелочей — в зависимости от типа ткани и полимера.
Рабочая металлическая поверхность для тканево-резиновых
уплотнений должна быть обработана не грубее 0,8 мк, жела-
тельно до чистоты, соответствующей среднеквадратичной величине
микронеровностей 0,4 мк. Грубая рабочая поверхность быстро
приведет к истиранию тканевой манжеты и вслед за этим к прежде-
временному выходу уплотнения из строя.
Фрикционные свойства и хладнотекучесть манжеты зависят
от жесткости материала. При заданном рабочем давлении и фикси-
рованных зазорах между металлическими деталями жесткая
тканево-резиновая манжета лучше противостоит выдавливанию,
чем мягкая, но потери на трение будут больше. Тканевое запол-
нение позволяет ограничить выдавливание манжеты даже при
использовании довольно мягких синтетических резин. Большие
зазоры и высокие рабочие давления требуют применения жестких
144
структур, которым присущи более высокие коэффициенты
трения.
Тканево-резиновые манжеты изготовляются в соответствии со
стандартами в следующих исполнениях: тарельчатые, фланце-
вые, U-образные и V-образные.
Однородные манжеты не содержат упрочняющих тканевых
элементов. Они изготовляются из смеси многих типов синтети-
ческих резин в соответствии с формой исполнения манжеты и усло-
виями применения.
Приготовление смешанных эластичных составов из синтети-
ческих резин для специальных сред и рабочих условий является
более сложной задачей, чем для большинства других материалов.
Составы обладают сложной полупластичной коллоидальной струк-
турой, которая может иметь почти бесконечное число вариаций
вследствие большого числа сочетаний вводимых ингредиентов.
Наиболее обычными базовыми полимерами являются полихлор-
опрен, буна N, буна S, бутил и витон. Твердость по Шору (твер-
домер А) для большинства применений колеблется от HS 60
до HS 90.
Однородные манжеты аналогичны тканево-резиновым уплот-
нениям, применяются при рабочих температурах от —54 до
+260° С и имеют широкий диапазон допустимых значений числа
pH. Однородные манжеты, не содержащие упрочняющих элемен-
тов, подвержены хладнотекучести. Таким образом, зазоры между
металлическими деталями следует делать минимальными, осо-
бенно при давлениях свыше 100 ат. При более высоких рабочих
давлениях могут быть использованы удерживающие кольца.
Чистота обработки металлической поверхности имеет решаю-
щее значение для эффективности однородных манжет. Рекомен-
дуется обработка не грубее 0,4 мк. При чистоте поверхности,
соответствующей среднеквадратичной величине микронеровностей
не выше 0,2 мк, возрастают общие потери на трение. Однородные
манжеты обычно работают при более сухой поверхности вала,
чем в случае применения других типов уплотнений, что объяс-
няется отсутствием абсорбционных свойств у синтетических
резин.
Однородные манжеты изготовляются в соответствии со стан-
дартами в следующих исполнениях: тарельчатые, фланцевые
U-образные, V-образные манжеты и О-образные кольца.
Тефлоновые уплотнения инертны по отношению почти ко
всем химическим веществам и растворителям. Однако они обла-
дают плохими эластичными свойствами, что затрудняет их уста-
новку на место. Хотя тефлон кажется скользким на ощупь и не
подвержен адгезии к большинству металлов, общие потери на
трение в тефлоновых манжетах, работающих под давлением,
более высоки, чем в кожаных, тканево-резиновых и однородных
резиновых уплотнениях.
10 Дж. А. Паркс и др.	145
Тефлон является термопластичной смолой и подвержен теку-
чести (выдавливанию) при повышенных температурах в опре-
деленном интервале давлений. Следовательно, в случае тефлоно-
вых уплотнений необходимо принимать во внимание и рабочую
температуру, и давление.
Общее правило: для 200 ат предельной температурой считается
150° С, при более низких давлениях можно повысить температуру
до 260° С.
Отсутствие эластичности тефлоновых манжет ограничивает их
использование в специфических условиях химической промыш-
ленности. Существуют многие другие пластичные материалы,
которые в виде манжет применяются в особых случаях.
Обычные тефлоновые манжеты: тарельчатые, фланцевые, U-
и V-образные.
Общие черты конструкции. Создание уплотняющего усилия.
Принцип работы всех динамических уплотнений одинаков и не
зависит от конструкции и материалов. Фасонные уплотнения,
особенно язычковые манжеты, следует устанавливать таким
образом, чтобы сохранялась свобода их деформаций — сжатия
и расширения. Это называют «дыханием» манжеты. Фасонные
уплотнения не следует подвергать значительным механическим
усилиям, поскольку сжатие манжеты превращает уплотнение
из автоматически действующей системы в простую набивку.
Механическое нагружение манжеты при установке, вызванное
перетягиванием, не создает правильного уплотняющего усилия.
Предварительное нагружение существенно при низких давлениях
для обеспечения плотной посадки манжеты. При установке языч-
ковой манжеты, имеющей небольшой раструб, происходит дефор-
мация язычка. Создание механического усилия для сдавливания
дна тарельчатой манжеты или сжатия набора V-образных колец
не может обеспечить правильное предварительное нагружение.
Манжетное уплотнение является механическим уплотнением
и функционирует на совершенно другом принципе, чем набивоч-
ные сальники. Уплотняющий контакт образуется в результате
воздействия рабочего давления, расширяющего манжету. Силы
трения пропорциональны величине давления во время рабочего
хода штока. Если манжета имеет возможность «дышать», то
трение при обратном ходе незначительно.
Набивочные сальники создают уплотняющий контакт лишь
в результате поджатия набивки. Усилие затяжки должно обеспе-
чить возникновение контактных давлений на поверхности штока,
равных или превышающих по величине рабочее давление. Поэтому
потери на трение в сальниках примерно одинаковы для прямого
и обратного ходов.
Упорное подкладное кольцо. Под давлением любые набивки
принимают форму и очертания упорного подкладного кольца.
Наибольший износ манжеты наблюдается на плечике (место
146
изгиба). Правильная форма подкладного элемента в этом месте
манжеты — первое и наиболее важное условие при конструиро-
вании фасонного уплотнения. Если между зеркалом цилиндра
или валом и кольцом существует чрезмерно большой зазор, то
под воздействием рабочего давления плечико манжеты будет
выдавливаться. Чем больше давление и зазор, тем более быстро
наступает выдавливание.
Примеры типичных внутренних и внешних манжетных уплот-
нений для динамических условий работы показаны на фиг. 1.
Для внутренней конструкции уплотняемым зазором является
Фиг. 1. Внутренняя и внешняя конструкции уплотнения:
а — внутренняя конструкция; б — внешняя конструкция; 1 — шток;
2 — стенка цилиндра; 3 — нажимная втулка; 4 — шток или вал;
5 —внутреннее опорное кольцо.
зазор между штоком и стенкой цилиндра. Во внешней конструк-
ции уплотняется зазор между штоком или валом и нажимной
втулкой. Рекомендуемые диаметральные зазоры зависят от мате-
риала манжеты. Величины зазоров для внутренних и внешних
уплотнений приведены в табл. 1.
Внутреннее подкладное кольцо, изготовленное из металла,
не имеет плотной посадки в манжету и сохраняет зазор. Кромки
кольца должны быть слегка закруглены, чтобы исключить возмож-
ность подреза внутренней галтели манжеты. Зазор необходим
вследствие того, что все материалы несколько разбухают в зави-
симости от их исходных характеристик и типа рабочей жидкости.
Кожа, пропитанная или натуральная, набухает в воде в большей
степени, чем тканевые и однородные материалы.
При отсутствии зазора набухание манжеты вызовет заклини-
вание. Достаточный зазор позволяет манжете «дышать», и даже
небольшое превышение зазора по сравнению с номинальным не
вызывает неполадок. Хорошим правилом является выбор величины
зазора, составляющей примерно треть от толщины набивки. Это
относится к кожаным уплотнениям. Для тканевых и однородных
10*	147
Таблица 1
Рекомендуемые диаметральные зазоры (для внутренних конструкций — между
штоком или поршнем и цилиндром, для внешних конструкций — между нажимной
втулкой и валом) в мм
Диаметр цилиндра	Диаметральные зазоры при давлениях в к.Г!см.г		
	ниже 35	35—210	выше 210
	Для кожаных и тканевых манжет		
До 76	0,15	0,10	0,08
От 76. до 203	0,20	0,15	0,10
» 203 » 254	0,25	0,20	0,18
» 254 » 305	0,30	0,25	0,15
» 305 » 407	0,36	0,30	0,18
» 407 » 609	0,41	0,36	0,20
	Ниже 35	1	35—100
	Для однородных манжет	
До 25,4	0,15	0,13
От 25,4 до 44,5	0,18	0,15
» 47,5 » 124	0,20	0,18
» 127	» 407	0,23	0,20
манжет зазор можно уменьшить. Приведенные рекомендации
не распространяются на V-образные кольца.
Металлы и обработка'поверхностей. Очень важным условием
безупречной работы уплотнения является правильность выбора
материала и чистоты обработки металлической поверхности, по
которой перемещается манжета. Твердый мелкозернистый металл,
позволяющий добиться высокой чистоты поверхности, обеспечи-
вает низкие потери на трение и малый износ манжеты. Коэффи-
циент трения манжет по мягким металлам довольно высок при
любой чистоте обработки. Штоки, работающие в среде атмосфер-
ного воздуха, следует хромировать. В загрязненной среде манжету
и другие детали необходимо предохранять с помощью защитных
скребковых уплотнений.
Рабочая поверхность. Манжеты применяют исключительно в це-
лях уплотнения, и их не следует подвергать каким-либо радиаль-
ным нагрузкам. Они должны иметь возможность «дышать» при
работе, что может быть достигнуто центрированием вала или
штока в опорах. На практике редко удается избежать эксцентри-
цитета и необходимо принимать все доступные меры, чтобы до-
биться соосного расположения штока в цилиндре и исключить
односторонние деформации манжеты.
148
Цилиндры и штоки. Нельзя ждать эффективной работы фа-
сонного уплотнения в цилиндре, имеющем эксцентрицитет штока.
Если в качестве цилиндров используются стандартные трубы,
то необходимо проверить, выполняются ли требования к чистоте
и концентричности внутренней поверхности относительно штока.
Системы. На эффективности фасонных уплотнений сказы-
вается чистота системы. Фильтры и скребковые защитные уплот-
нения предохраняют ее от загрязнения. Фильтр на линии цирку-
ляции задерживает такие инородные частицы, как металлическая
стружка и грязь. Защитные уплотнения и фильтры помогут уве-
личить длительность безаварийной работы манжеты.
Рабочие условия. Большое количество самых разнообразных
и специальных условий применения фасонных уплотнений не
позволяет составить какого-либо четкого правила по их выбору.
Табл. 2 может помочь подобрать наиболее подходящий материал
для язычковой манжеты.
Выбор наиболее рациональной формы манжеты зависит от
того, как должно происходить уплотнение — по внутреннему
или наружному диаметру. Некоторые типы манжет применяются
только во внутренних конструкциях, другие — только во внеш-
них.
Во внутренних конструкциях фасонных уплотнений манжета
крепится на конце штока или поршня и перемещается вместе
с ним. Могут применяться тарельчатые, U-образные и V-образные
формы. Во внешних конструкциях манжета крепится к неподвиж-
ной втулке, а шток проходит внутри нее. Используются фланце-
вые, U-образные и V-образные формы. Ни один тип манжеты
не имеет значительных преимуществ по сравнению с другими.
Из четырех здесь упомянутых типов фланцевые и тарельчатые
манжеты являются неразгруженными, в то время как U- и V-
образные — разгруженными. Разгруженные манжеты уплотняют
по внутреннему и наружному диаметрам, и давление уравнове-
шивается на боковых поверхностях втулки или гнезда.
V-образные манжеты. Из всех язычковых манжет эти манжеты
наиболее распространены и применяются в условиях низких
и высоких давлений. Они могут быть установлены на поршни
(внутренняя конструкция) или в сальники (внешняя конструкция)
и применяться в цилиндрах простого и двойного действия.
Небольшое поперечное сечение V-образных манжет позволяет
уменьшить усилие поджатия. При правильной установке V-образ-
ные манжеты обычно более эффективны, чем другие язычковые
уплотнения, особенно при давлениях, превышающих 3500 кГ/смг.
Уплотнение состоит из набора нескольких V-образных манжет
(рабочих колец) и двух подкладных колец — одного eV-образным
выступом и другого eV-образной канавкой. Число манжет в уплот-
нении зависит от величины рабочего давления и материалов
(табл. 3). Рекомендации эти носят общий характер и применимы
149
Таблица 2
Рекомендации по выбору материалов манжет
Рабочие условия	Кожаные	Однородные	Тканевые
Масло Воздух Вода Водяной пар Растворители Кислоты Щелочи	Допускается » » Не рекомен- дуется То же » »	Допускается » » » » » »	Допускается » » » Ограниченное применение
Огнестойкие жидкости: сложные эфи- ры фосфорной кислоты водный рас- твор гликоля водно-масля- ная эмульсия	С пропиткой парафином или полисульфидом Не рекомен- дуется С пропиткой парафином или полисульфидом	Бутил и базо- вый полимер Буна N и ба- зовый полимер То же	Бутил и базо- вый полимер Буна N и ба- зовый полимер То же
Предельные температуры в °C Типы металлов Чистота обра- ботки поверхно- сти металла, Нс. к (мк) Рабочие зазоры Выдавливае- мость или хладо- текучесть Коэффициент трения Абразивостой- кость Предельное ра- бочее давление в кГ/см? Допускаемый эксцентрицитет Стойкость в от- ношении боковых нагрузок Ударостойкость	От —55 до +82 Стали и цвет- ные 1,5 Средние Хорошая Низкий Хорошая 8750 Средний Удовлетвори- тельная Хорошая	От —55 до +204 Хромированные стали и цветные сплавы с гладкой твердой поверх- ностью 0,4 Очень малые Плохая Средний и вы- сокий Удовлетвори- тельная 350 Очень неболь- шой Плохая От плохой до удовлетворитель- ной	От —29 до +315 Хромированные стали и цветные сплавы с гладкой твердой поверх- ностью 0,8 Малые Средняя Средний Удовлетвори- тельная 560 Небольшой Удовлетвори- тельная Удовлетвори- тельная
150
графита в систему может при-
Таблица 3
Рекомендуемое число манжет в
наборе (манжеты сплошные)
Давление вкГ/см*		Число манжет		
		кожа- ные	одно- родные	ткане- вые
	До 35	3	3	3
От	35 до 100	4	4	4
»	100 » 210	4	5	4
»	210 » 350	4	5	5
»	350 » 700	5	—	6
»	700 и выше	6	—	—
для большинства случаев. Существуют, однако, исключения,
обусловленные спецификой рабочих условий.
Для простоты установки V-образных манжет их часто делают
с косым разрезом. В наборе разрезные манжеты собираются со
смещением стыков относительно друг друга, как это делается
с поршневыми кольцами. Там, где возможно, рекомендуется при-
менять неразрезные манжеты из-за их лучших уплотнительных
свойств и более длительного срока службы.
Тканево-резиновые V-образные манжеты можно покрыть сверху
чешуйчатым графитом для облегчения сборки уплотнения. В не-
которых случаях проникновение
чинить неприятности. Тогда
лучше покрыть набор манжет
силиконовым маслом или при
установке смазать их хорошей
смазкой. К такой процедуре
прибегают при использовании
кожаных и однородных манжет.
Подкладные кольца. Нажим-
ное кольцо с канавкой, замы-
кающее набор рабочих колец,
имеет с одной стороны форму,
в точности повторяющую конфи-
гурациюманжеты. Для стандарт-
ных V-образных манжет угол
раскрытия кромок составляет
90°. Для особых применений изготовляются манжеты с углом 60°.
При низких давлениях и необходимости максимально снизить
трение канавка нажимного кольца делается с углом 96° для
обеспечения возможности большего расплющивания манжеты.
Никогда не следует применять нажимные кольца с углом канавки,
меньшим, чем угол раскрытия кромок манжеты. Упорное кольцо
с выступом имеет по сопряженной поверхности те же размеры,
что и канавка нажимного кольца.
Подкладные кольца обычно изготовляются из металлов, же-
сткой однородной резины, кожи, фенольной пластмассы и тканево-
резиновых материалов. Каждый из этих материалов имеет свои
достоинства и ограничения. Нажимное кольцо противостоит
полному осевому усилию уплотнения и, следовательно, является
более ответственной деталью, чем упорное. Его конструкция мо-
жет повлиять на характер износа манжету-что влечет.аа собой
изменение длительности службы-уплотвеиия:
Нажимное кольцо должно перекрывать радиальные зазоры
и поэтому подвержено выдавливанию. Металлические кольца
не выдавливаются. Однако такие конструкции имеют большой
износ, так как ближайшее к нажимному кольцу уплотнение
должно работать в наиболее тяжелых условиях. В конечном
счете, все уплотнение имеет повышенный износ и значительные
утечки.
Кольца из фенольных пластмасс, формованные или выто-
ченные из трубных заготовок, лишь немногим лучше металличе-
ских. Фенольные пластмассы обладают очень плохими эластич-
ными свойствами и разрушаются при высоких давлениях. Износ
манжет лишь немного меньше, чем при металлическом мяжимнпм
кольце. Фенольные нажимные кольца не следует использовать
в качестве подшипниковых втулок с тем, чтобы разгрузить ман-
жеты от радиальных нагрузок. Для этой цели вслед за нажимным
кольцом можно поставить массивное направляющее фенольное
кольцо.
Нажимные кольца из кожи, тканево-резиновых материалов
или однородной резины сжимаются под давлением и «дышат»
вместе с манжетами. В этом отношении они лучше металлических
и фенольных колец. Вследствие того, что нажимное кольцо про-
тивостоит выдавливанию, снижается также износ манжет.
Нажимное кольцо из мягких материалов выдавливается в за-
зор, чем сокращается длительность службы уплотнения. Следо-
вательно, лучшим материалом для нажимных колец может слу-
жить не слишком мягкий и не слишком твердый (несжимаемый)
материал.
При высоких рабочих давлениях длительность службы уплот-
нения в большей степени зависит от способности нажимного
кольца противостоять выдавливанию, чем от физических свойств
материалов самих манжет. Стандартные размеры подкладных
колец приведены в табл. 4.
Размеры V-образных подкладных колец
Таблица 4
выпуклое кольцо
Родиальнай
толщина—^
Вогнутое кольцо
Номера манжет	Размеры в мм			
	радиальная толщина	F	м	R
8—24	6,35	6,35	3,18	1,6
25—35	7,35	7,95	3,18	2,78
36—46	9,5	9,5	3,18	3,18
49—55	11,1	11,1	3,18	3,96
56—80	12,7	12,7	3,18	3,96
152
а}	6)
Фиг. 2. Внешняя конструкция уплотне-
ния с V-образными кольцами:
а — резьбовая нажимная втулка; б — флан-
цевая нажимная втулка.
Применение. Однородные и большинство тканевых V-образных
манжет формуются с небольшим раструбом. Это способствует
самоподжатию манжет при их установке в корпус, благодаря
чему требуется лишь небольшое начальное нагружение через
нажимное кольцо. Кожаные манжеты изготовляются в размер
и требуют при установке несколько большего поджатия. При
любых материалах не следует перетягивать наборы V-образных
колец, они должны функционировать как все механические
уплотнения. Конфигурация манжет позволяет им реагировать
на изменение рабочего давления.
Стандартные V-образные манжеты выпускаются с допуском
±0,25 мм на высоту каждого рабочего или подкладного кольца.
Следовательно, высота набора
из четырех манжет и двух
подкладных колец имеет до-
пуск ± 1,5 мл. Это следует
учитывать при конструиро-
вании уплотнения и нажим-
ной втулки. При проектиро-
вании нерегулируемых уплот-
нений рекомендуется брать
в расчет максимально воз-
можную высоту набора ман-
жет, а при манжетах с мину-
совым допуском для сборки
использовать шайбы-проклад-
ки. Манжеты не следует уста-
навливать в корпусе слишком
подвертывание кромок. Более
свободно посаженная манжета способна вызвать насосный эффект,
благодаря которому возрастут утечки.
Корпус уплотнения следует конструировать так, чтобы при
установке манжет исключалась необходимость протаскивать их
через резьбовые отверстия или другие поверхности с острыми
краями при ограниченных зазорах (фиг. 2). В табл, 5 даны
Таблица 5
Рекомендуемые минимальные размеры уступа и фаски для внешней конструкции
уплотнения в мм
свободно, иначе может произойти
того, в быстроходных системах
Уступ	Уступ	-Н		Радиальная	
ЗЬ					
/Я _ ||		|	|Т^	4,75—6,35 7,95—9,5 11,1—12,7 14,3—19,1 Свыше 19,1	0,8 (1,6 по диаметру) 1,6 (3,2 по диаметру) 2,38 (4,76 по диаметру) 3,18 (6,36 по диаметру) 4,76 (9,52 по диаметру)
153
рекомендуемые минимальные размеры фасок и уступов для внешних
конструкций. Камера уплотнения должна иметь фаску прибли-
зительно под углом 30° как для фланцевых, так и для резьбовых
конструкций.
В резьбовом фасонном уплотнении нажимное кольцо выпол-
няется отдельно от нажимной втулки во избежание проворачи-
а)	6)
Фиг. 3. Примеры правильной
и неправильной установки
V-образных манжет в цилин-
драх двойного действия:
а—неправильно:двояковогнутое
подкладное кольцо не фиксиро-
вано в промежуточном положе-
нии, и нагрузка, возникающая
под действием рабочего давления,
передается на все манжеты, что
приводит к повышенному трению
и износу; б — неправильно:
между разноориентированными
наборами манжет сохраняется
максимальное рабочее давление,
поэтому потери на трение велики
даже при малом давлении на
поршень (обратный ход); е—пра-
вильно: наборы манжет установ-
лены навстречу друг другу, по-
ложение двояковогнутого подкладного кольца строго фиксировано. Каж-
дый набор манжет функционирует независимо.
вания кольца по манжете. Во фланцевой конструкции уплотнения
нажимное кольцо и нажимная втулка могут быть совмещены
в одной детали. Фиг. 3 демонстрирует правильную и неправиль-
ную установку V-образных манжет на поршень цилиндра двой-
ного действия.
На фиг. 4 показана конструкция поршня цилиндра двойного
действия с одной нажимной втулкой. О-образное кольцо между
хвостовиком поршня и стаканом исключает утечки в этом зазоре.
При обратном ходе вся нагрузка на поршень воспринимается
154
нажимным кольцом и резьбой. Поршень играет роль направляю-
щей втулки.
В некоторых случаях наиболее эффективны смешанные наборы
манжет из различных материалов. Например, набор может со-
стоять из трех тканевых и одной однородной
манжеты или из двух кожаных и двух одно-
родных манжет в зависимости от допустимой
величины трения, рабочего давления и степени
герметичности. Однородные манжеты обладают
большей плотностью, но и несколько большим
трением, чем тканевые или кожаные. Смешан-
ные наборы кожаных и однородных V-образных
манжет применяются на сухих штоках и при
высоких давлениях. Кожаные манжеты играют
по отношению к манжетам из однородного ма-
териала роль упрочняющих и поддерживающих
колец.
Лучшие результаты достигаются при исполь-
зовании смешанных наборов манжет с одина-
ковыми наружными диаметрами, высотой и
углом раскрытия кромок. Стандарты предусмат-
ривают изготовление одинаковых по размерам
и допускам V-образных манжет из различных
материалов. Как манжеты, так и подкладные
кольца стандартных размеров выполняются
сплошными, но могут быть при необходимости
Фиг. 4. Внутрення я
конструкция уплот-
нения с одним на-
жимным кольцом,
которым фикси-
руется положение
наборов V-образных
манжет.
разрезаны.
Высота набора манжет. Номинальные значения общей вы-
соты набора V-образных манжет, включая подкладные кольца,
приведены в табл. б. Для боль-
Таблица 6 ших нестандартных наборов
Высота наборов V-образных колец
(включая и подкладные) в мм
Радиаль- ная толщина	Высота набора			
	3 шт.	4 шт.	5 шт..	6 шт.
6,35	16,0	18,2	20,3	22,3
7,95	21,8	25,4	29,0	32,6
9,5	24,6	28,6	32,6	36,6
11,1	29,4	34,5	39,3	44,4
12,7	31,0	35,7	41,0	46,2
манжет существ уют два попереч-
ных сечения шириной 16 и 19 мм,
которые выбираются в зависи-
мости от величины внутреннего
диаметра. Эти размеры ширины
поперечного сечения предусмот-
рены стандартом, но высота на-
бора для них не лимитируется.
Следовательно, высота набора
нестандартных V-образных ман-
жет и подкладных колец неоди-
накова у различных изготови-
телей.
В некоторых исключительно глубоких камерах сальника
могут потребоваться для их заполнения 8—12 манжет. Это не-
экономично, и лучше использовать массивное металлическое
155
кольцо, чтобы частично заполнить камеру. Такое решение озна-
чает к тому же появление дополнительной опоры штока.
Нагружение пружинами. Вообще говоря, необязательно вво-
дить в конструкцию уплотнения пружинное устройство для
поджатия V-образных манжет, поскольку это же можно сделать
и с помощью нажимной втулки. Однако наличие металлических
пружин устраняет необходимость ручной регулировки уплотне-
ния (фиг. 5). Металлические пружины позволяют компенсировать
допускаемые отклонения высоты набора манжет от номинала.
Фиг. 5. Два способа нагружения набо-
ров V-образных колец с помощью пру-
жин (одна пружина для малых диамет-
ров, многопружинные устройства для
больших диаметров):
а—одна пружина; б—несколько пружин.
В этом случае нажимную втулку
можно затягивать до соприкос-
новения торца с корпусом ма-
шины. Начальное нагружение
набора манжет при этом обес-
печивается сжатием пружины.
Для однопружинных уст-
ройств рекомендуется использо-
вать конические пружины, ко-
торые и применяются для стан-
дартных V-образных манжет по
35-й типоразмер включительно.
Многопружинные устройства
применяются для 36-го типораз-
мера и выше.
Что касается величины осе-
вого усилия,то величина 0,9 кг
на каждый сантиметр длины
средней окружности пружины
дает хорошие результаты и для одно- и многопружинных устройств.
Следует правильно проектировать выпуклое упорное кольцо
для обеспечения достаточной поддержки манжет. Одно- и много-
пружинные устройства рассчитываются следующим методом.
Для однопружинного устройства.
1. Определяют ориентировочно средний диаметр конической
пружины по формуле
Мп = оЙН + з4,
где Dm — ориентировочный средний диаметр пружины в мм;
Dm — внутренний диаметр манжет в мм;
W — номинальная ширина поперечного сечения манжеты
в мм.
w/
(Для цилиндрических витых пружин в п. 1 заменить 3 — на W,
опустить п. 4 и подставить D2m вместо О, в п. 5 данного расчета).
156
2. Определяют размер проволоки
/Юл- О*Л4-
\ 1390 /	’
где d — диаметр проволоки в мм.
3. Из табл. 7 выбирают наиболее близкий к расчетному стан-
дартный диаметр проволоки d.
Таблица 7
Стандартный ряд диаметров проволоки для пружин V-образных манжет
Сортамент (американ- ский калибр)	Диаметр проволо- ки в мм	Сорта- мент	Диаметр проволо- ки в мм	! Сортамент (американ- ский калибр)	Диаметр проволо- ки в мм	Сорта- мент	Диаметр проволо- ки в мм
19	1,04	1/8	3,17	14	2,03	7	4,50
18	1,19	10	3,43	13	2,31	3/16	4,78
17	1,37	9	3,76	12	2,67	6	4,88
16	1,57	5/32	3,96	11	3,05	5	5,26
15	1,83	8	4,11				
4.	Определяют действительный средний диаметр конической
пружины
£>1 = DHap — 4"
где Dx—действительный средний диаметр пружины в мм‘,
DHap — наружный диаметр манжеты в мм\
w — номинальная ширина поперечного сечения манжеты
в мм\
dx — действительный диаметр проволоки по табл. 7 в мм.
5.	Определяют осадку пружины
0,0123 D?
Окончательные данные:
все пружины имеют три витка, один из которых является
активным;
концы всех пружин срезаны и прошлифованы;
диаметр проволоки dx мм\
свободная высота 4 dx — f мм\
наружный диаметр верхнего витка
DHap — w-Yd1MM\
наружный диаметр нижнего витка DHap мм.
Для многопружинных устройств.
Обычно применяется одна из двух стандартных витых цилин-
дрических пружин.
157
Для стандартных манжет типоразмеров от 36 до 55-го:
определяют число пружин, исходя из расчета — одна пружина
на каждые 25 мм средней окружности;
все пружины имеют по десять витков, восемь из них являются
активными;
концы пружины срезаны и прошлифованы;
наружный диаметр пружины DHap = 6 мм;
диаметр проволоки (№ 19) 1,04 мм-,
свободная высота пружины 23 мм.
Для стандартных манжет типоразмеров от 56-го и выше:
определяют число пружин из расчета — одна пружина на
каждые 50 мм средней окружности;
все пружины имеют по десять витков, из которых восемь
являются активными;
концы пружин срезаны и прошлифованы;
наружный диаметр пружины DHap 8,8 мм;
диаметр проволоки (№ 18) 1,2 мм;
свободная высота пружины 25 мм.
Тарельчатые манжеты. Кожаные тарельчатые манжеты, яв-
ляющиеся одним из самых давних типов язычковых фасонных
уплотнений, широко применяются в гидро- и пневмосистемах
при низких и высоких давлениях. Тарельчатые манжеты изгото-
вляются также из однородных синтетических резин и тканево-
резиновых материалов. Для специальных условий используются
другие материалы, например тефлон, нейлон и различные пла-
стики.
Тарельчатая манжета имеет только один язычок и классифи-
цируется как неразгруженное уплотнение (фиг. 6).
Чрезмерное стягивание нажимного внутреннего и упорного
колец может нарушить целостность донышка манжеты и ухудшить
плотность. Это может привести также к загибанию язычка (внутрь),
увеличению потерь на трение, повышенному износу и ограниче-
нию «дыхания» манжеты.
Некоторые манжеты выпускаются с очень жестким донышком,
чтобы предотвратить поломку под действием значительных
механических усилий.
Тарельчатая манжета при очень низких давлениях уплот-
няется по периферии язычка, но, как правило, достаточный
уплотняющий эффект не достигается до тех пор, пока к зеркалу
цилиндра не прижмется донная часть манжеты (плечико). Износ
наблюдается на плечике манжеты и в гораздо меньшей степени
на язычке.
Наружный диаметр основания манжеты увеличивается под
действием рабочего давления, но донышко должно иметь возмож-
ность вернуться в исходное положение при снятии давления.
Если при сборке допущены излишние усилия поджатия, то ман-
жета будет плотно зажата между нажимным и упорным кольцами.
158
В такте сжатия рабочее Давление сжимает Донышко манжеты
и приводит к расширению ее до диаметра цилиндра. При обрат-
ном движении поршня и отсутствии давления донышко все же
остается плотно зажатым кольцами и не может вернуться в исход-
ное состояние. Внутреннее нажимное кольцо должно обеспечи-
вать радиальный зазор, необходимый при набухании манжеты.
Для кожаных, тканевых и однородных манжет зазор равен одной
трети толщины нажимного кольца.
а)
Фиг. 6. Типичные конструкции уплотнений тарельчатыми манжетами:
а — манжета прижата непосредственно к.упорной поверхности; усилие поджатия не кон-
тролируется; б — на поршне имеется выступ, препятствующий слишком сильной затяжке,
чрезмерному сжатию манжеты; в — внутреннее кольцо снабжено выступом и выточкой
под О-образное резиновое уплотнительное кольцо; г — уплотнение штока двойного дей-
ствия, аналогичное конструкции с V-образными манжетами (фиг. 4); стакан с О-образным
кольцом не допускает передачи нагрузки с одной манжеты на другую; д — конструкция
манжетного уплотнения, допускающая одновременное вращательное и возвратно-посту-
пательное движение; вал закреплен штифтом, но может вращаться в упорном кольце;
/ — внутреннее кольцо; 2 — поршень; 3 — выступ; 4 — О-образное кольцо; 5 — внут-
реннее кольцо; 6 — прокладка под О-образное кольцо; 7 — выступ на внутреннем кольце;
8 — высота выступа такова, что донышко манжеты не поджимается; 9 — стакан.
Исключить возможность перетяжки донышка манжеты и пере-
дачу на него ударных нагрузок при высоких давлениях можно
с помощью выступа на упорном кольце (фиг. 6). Идея хорошая,
но трудно осуществимая на практике. Стандартные манжеты
выпускаются с допуском на толщину от плюс 0,25 до 0,5 мм.
Поэтому очень трудно предугадать величину механического сжа-
тия донышка манжеты в этой конструкции.
Выступ не предохраняет манжету от воздействия максималь-
ного рабочего давления, которое равно по всем направлениям
и не зависит от размеров и наличия или отсутствия нажимного
кольца. Если, например, между выступом и нажимным кольцом
159
не существует металлического контакта, то давление, воздей-
ствующее на внутреннее нажимное кольцо, передается на до-
нышко манжеты. Если же нажимное кольцо прижато к выступу
без поджатия манжеты, то рабочее давление будет непосред-
ственно воздействовать на донышко манжеты. Выступ позволяет
центрировать манжету на поршне.
Эластичные тарельчатые манжеты предпочтительнее жестких,
за исключением тех случаев, когда манжеты работают при очень
высоких давлениях и должны обладать повышенным сопроти-
влением выдавливанию. Правда, чтобы устранить их выдавли-
вание, здесь можно применить кожаные поддерживающие кольца,
устанавливаемые сзади эластичных манжет.
Эластичные манжеты из любых материалов более чувстви-
тельны к чрезмерному сжатию донышка нажимным кольцом.
Такие дефекты работы уплотнения, как увеличенные потери на
трение, постукивание и малый срок службы манжеты, могут быть
улучшены, если под внутреннее нажимное кольцо подложить
резиновое О-образное кольцо, как показано на фиг. 6. Функцио-
нируя подобно пружинным устройствам, оно позволяет манжете
«дышать» и обеспечивает удлинение срока службы с повышением
эффективности уплотнения при низких и высоких давлениях.
Манжеты с резиновым О-образным кольцом занимают места
не больше, чем обычные конструкции. Благодаря этому измене-
ния могут быть выполнены при номинальных затратах.
В цилиндрах двойного действия, чтобы предотвратить пере-
дачу усилий с одной манжеты на другую, рекомендуется применять
выступы. Разобщающая втулка должна иметь плотную посадку
в цилиндр, иначе возможно выдавливание.
Язычок или кромка тарельчатой манжеты имеет угол заостре-
ния от 15 максимум до 30°, отсчитываемый от горизонтали. Даль-
нейшее увеличение этого угла не сказывается на приспособляе-
мости и длительности работы тарельчатой манжеты.
Экспандеры тарельчатых манжет. При постоянном и доста-
точно высоком рабочем давлении для нагружения манжет обычно
не требуется применения экспандеров. Но при переменных и низ-
ких давлениях целесообразно использовать экспандеры для обе-
спечения должного прижатия язычка манжеты к рабочей поверх-
ности. Экспандеры создают небольшое усилие прижатия к зеркалу
цилиндра или штоку.
Известно несколько типов пружинных экспандеров. Распро-
страненные плоские экспандеры (фиг. 7) предназначены для
вкладывания в манжету под нажимное внутреннее кольцо.
Имеются стандартные экспандеры из твердой пружинной латуни
толщиной 0,25 мм для нескольких типоразмеров тарельчатых
манжет.
Для других'манжет диаметром 25 мм и выше следует пользо-
ваться стандартными размерами экспандеров, приведенными на
160
фиг. 7. Диаметр отверстия D в экспандере должен быть достаточ-
ным для прохода стяжного болта.
Толщина металлических пружин Е составляет от 0,25 мм
для малых диаметров до 0,5 мм в случае более крупных манжет.
При очень низких рабочих давлениях, когда применяются не-
большие и тонкие кожаные манжеты, рекомендуются латунные
пружины. Для кожаных манжет значительных диаметров, рабо-
тающих при высоких давлениях, лучше применять пружины
из стали.
Фиг. 7. Экспандер тарельчатой
манжеты:
А - Dc; В = Dc - (2/ + 3,2);
С = di — f (для язычков, скошен-
ных под углом 45°); C=di—0,577/
(для язычков, скошенных под углом
30°).
Уплотнения с U-образными кольцами. Этот вид уплотнений
называют иногда двусторонней манжетой (при изготовлении ее
из кожи) или U-образной манжетой, если используется однород-
ный материал. Правильнее называть его уплотнением с U-образ-
ными кольцами, как это обычно и делается, распространяя это
название на кожаные и тканевые изделия.
Все уплотнения с U-образными кольцами представляют собой
устройства с разгруженными рабочими элементами из кожи или
тканевых материалов, уплотняющих зазоры по внутреннему
и наружному диаметрам. Они обладают хорошими антифрикцион-
ными характеристиками и способностью саморегулирования.
U-образные кольца ставятся в уплотнение по одному и не
применяются в наборах.
Кожаные U-образные кольца встречаются чаще, чем ткане-
вые. Способ крепления, конфигурация колец и стандартные
размеры зависят от их материала.
Кожаные U-образные кольца. Очень существенна конструкция
нажимной втулки и упорного поддерживающего кольца. Необ-
ходимо обеспечить достаточное подкрепление кольца и предотвра-
тить опадание язычков. Как правило, U-образные кольца делаются
с прямой отбортовкой. Канавка между язычками заполняется
И Дж. А. Паркс и др.	161
плотными складками из резины, пеньки, льна или металлическим
подкладным (опорным) кольцом. Типичные конструкции U-образ-
ных колец приведены на фиг. 8.
На фигуре показан необходимый зазор между металлическим
подкладным кольцом и поверхностями язычков. Зазор этот нужен,
чтобы допустить выпучивание материала из-за набухания и исклю-
чить возможность заклинивания. Кромки торца подкладного
кольца должны быть слегка закруглены во избежание подреза
Фиг. 8. Типичные конструкции уплотнений с U-образными кольцами:
а — не следует применять нажимные втулки с вогнутым торцом, так как кромки от износа
станут острыми и под воздействием рабочего давления на плечике U-образного кольца
могут образоваться порезы; б — U образное кольцо поддерживается металлическим под-
кладным кольцом, которое имеет поперечные сверления для выравнивания давлений
внутри и вне его; a — при отсутствии по высоте места для металлических подкладных
колец канавка может быть заполнена льном или пенькой; с — в качестве упругого под-
кладного кольца можно использовать полоску из однородной синтетической резины с
высотой, несколько большей, чем глубина канавки U-образного кольца; д — сдерживаю-
щее кольцо (предохранительная шайба) подкладывается под U-образное кольцо , чтобы
предотвратить выдавливание плечика при высоких давлениях; 1 — металл к металлу;
2 — зазор; 3 — предохранительная шайба.
уплотнительного элемента. Осевой зазор около 3 мм между
скошенной поверхностью язычков и основанием подкладного
металлического кольца создает возможность свободного движения
U-образного кольца и предотвращает соударение его с металли-
ческим и подгибание уплотняющих кромок внутрь.
Высота подкладного элемента зависит от размеров U-образ-
ного кольца. Высоту следует подсчитать в предположении плот-
ного прижатия (металл к металлу) нажимной втулки к кор-
пусу.
На сжатие донышка кольца к общей высоте подкладного
кольца следует добавить еще 0,4 мм. Торец нажимной втулки
должен быть плоским.
162
Часто нет места для размещения подкладного кольца. В таких
случаях канавка между язычками заполняется льном или пень-
кой. При металлическом контакте нажимной втулки и корпуса
должен оставаться осевой зазор в 3 мм под скошенной поверх-
ностью язычков. Наполнитель должен обжимать внутреннюю
поверхность стенок и скоса язычков.
Для U-образных колец важно обеспечить малую величину
зазоров между металлическими деталями. Если обнаружено, что
уплотнение выходит из строя по причине выдавливания плечика
кольца, то исправить положение можно установкой кожаных
сдерживающих манжет, называемых иногда предохранительными
шайбами. Сдерживающая манжета изготовляется обычно из двух
слоев кожи толщиной по 8 мм. Наружный диаметр ее равен диа-
метру нажимной втулки, а внутреннее отверстие равно диаметру
плунжера. Под действием рабочего давления кожаные шайбы
сжимаются, текут в радиальном направлении и перекрывают
радиальные зазоры, чем предохраняют плечико U-образного
кольца от выдавливания. Этот принцип применим и к О-образным
кольцам. Внутренние конструкции уплотнения выполняются
аналогично внешним.
Для размеров колец, больших, чем стандартные, ширина
поперечного сечения равна 19 мм, а высота составляет 32 мм
для колец с наружным диаметром до 900 мм и 38 мм для колец
больших диаметров.
Тканевые U-образные кольца. В противоположность кожаным
тканевые кольца формуются с более толстым донышком, чем
толщина боковых стенок, причем тканевые кольца в свободном
состоянии имеют раструб (развал боковых стенок). Благодаря
этому при установке на место создается предварительное при-
жатие язычков к рабочим поверхностям и отпадает необходимость
применения наполнителей или других способов упрочнения кольца.
На тканевые U-образные кольца не установлено никаких
стандартов и форма их исполнения определяется изготовителем.
За исключением приведенных отличий тканевые кольца в осталь-
ном сходны в работе с кожаными.
U-образные манжеты. Этот тип разгруженных уплотнений из-
готовляется главным образом из однородной синтетической ре-
зины и отличается легкостью установки. Обладает хорошими
антифрикционными характеристиками; применяется до 100 ат
и обычно имеет твердость HS 70.
При давлениях свыше 100 ат твердость может быть повышена
HS 80—HS 90, но в этом случае целесообразно использовать
сдерживающие кольца, чтобы предотвратить выдавливание. Ти-
пичные конструкции уплотнения с U-образными манжетами пока-
заны на фиг. 9.
В отличие от кожаных U-образных колец, металлическое упор-
ное кольцо во внутренней конструкции манжетного уплотнения
II*	163
не должно создавать очень больших усилий на донышко
манжеты, поскольку это может повлечь за собой отставание языч-
ков от рабочих поверхностей и расширение донышка. Упорное
кольцо должно быть достаточно точно сцентрировано в цилиндре.
Для предохранения манжеты в момент установки в уплотнение
с резьбовой нажимной втулкой внутренний диаметр резьбы
следует назначать несколько большим, чем наружный диаметр
манжеты.
Для внешних конструкций уплотнения рекомендуются метал-
лические упорные кольца, хотя это и не обязательно. Для внут-
ренних уплотнений металлические кольца применяются редко.
Фиг. 9. Типичные конструкции с U-образными манжетами:
а — внешняя конструкция уплотнения со сдерживающим кольцом; U-образная манжета
оперта на подкладное кольцо с поперечными сверлениями для выравнивания давлений
(сходна с конструкциями на фиг. 8); б — внутренняя конструкция уплотнения для поршня
простого действия; в — сборный поршень упрощает установку Ц-образной манжеты;
1 — кожаное сдерживающее кольцо; 2 — металл к металлу*, 3 — металлическое подклад-
ное кольцо.
На фиг. 9 изображена внутренняя конструкция уплотнения поршня
простого действия U-образной манжетой, надетой на поршень
в растянутом состоянии. При таком способе надевания манжет
рекомендуется твердость HS 70, так как растянуть более жесткие
материалы, особенно при малых диаметрах, довольно трудно.
На поршнях двойного действия предусматривается еще одна
дополнительная канавка и ставится вторая U-образная манжета.
Никогда не устанавливают две манжеты в одной канавке. Для
того чтобы избежать растягивания манжеты при сборке уплотне-
ния, можно применить поршень разборной конструкции.
U-образная манжета легко может заменить собой тарельча-
тые и во многих случаях является более простым и дешевым
уплотнением.
Уплотнения с фланцевыми манжетами. Фланцевые манжеты —
иногда их называют шляпковыми — распространены менее осталь-
ных типов язычковых манжет. Изготовляются главным образом
из кожи, но могут быть изготовлены также из тканевых и одно-
родных материалов. Это — неразгруженное уплотнение с рабочей
поверхностью только на внутреннем диаметре используется при
164
низких давлениях во внешних конструкциях, где V- или U-образ-
ные кольца не могут найти применения из-за недостатка места.
Неглубокие фланцевые манжеты с минимальной шириной попе-
речного сечения эффективно работают на. штоках с возвратно-
поступательным движением. Применяются они также и на вращаю-
щихся валах.
В большинстве случаев фланцевые манжеты устанавливаются
в корпус с помощью резьбовых нажимных втулок с внутренней
или наружной резьбой (фиг. 10). Внутренняя резьба не должна
доходить до дна нажимной втулки или камеры уплотнения во
избежание подреза манжеты по наружному, диаметру при ее
затяжке.
Фиг. 10. Типичные конструкции уплотнения с фланцевой манжетой:
а — нажимная втулка с наружной резьбой; б — уплотнение с нажимной втулкой, с на-
ружной резьбой и дополнительным кольцом; в — нажимная втулка с внутренней резьбой;
/ — однородное кольцо из синтетической резины.
Под действием рабочего давления фланцевые манжеты создают
уплотняющий контакт по внутреннему диаметру подобно другим
механическим уплотнениям. Уплотнение по наружному диаметру
достигается механическим сжатием основания манжеты. Поэтому
нажимную втулку следует затягивать достаточно сильно, чтобы
плотность койтакта сохранялась и при максимальном рабочем
давлении.
Между боковой поверхностью манжеты и зеркалом цилиндра
необходим зазор, так как манжета может разбухать. Зазор нужен
и между скошенной поверхностью язычков и дном камеры сальника.
На фиг. 10 представлена конструкция уплотнения, в котором
на язычок фланцевой манжеты надето сплошное однородное кольцо
из синтетической резины с прямоугольным поперечным сечением.
Нажимная резьбовая втулка затягивается до упора в торец
резьбового гнезда корпуса. Нажимная втулка приводит лишь
к небольшому поджатию манжеты в сборке с кольцом, оставляя
между нею и дном камеры уплотнения зазор не менее 0,8 мм.
Рабочее давление вызывает сжатие резинового кольца, благодаря
чему возникает уплотняющий контакт по наружному диаметру
и создается усилие, прижимающее язычок манжеты к поверхности
165
вала. Такое уплотнение обладает низким трением и большим сро-
ком службы и не применяется на вращающихся валах.
Стандарты установлены только для кожаных фланцевых
манжет с внутренним диаметром до 140 мм включительно. На
штоках с диаметром более 140 мм рекомендуется использовать
V- и U- образные кольца.
УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ СДАВЛИВАЕМЫЕ ФАСОННЫЕ КОЛЬЦА
(Malcolm. Н. Everett, Howard G. Gillette)
Сдавливаемые уплотнительные фасонные кольца выпускаются
самых различных размеров и форм (табл. 1) и почти все они
отличаются следующими преимуществами: невысокая стоимость,
возможность применения при жестких габаритных ограничениях,
простота установки на место, высокая эффективность, отсутствие
необходимости регулировки, возможность использования в широ-
ком диапазоне давлений, температур и сред, реверсивность уплот-
нения, сравнительно небольшие потери на трение.
Уплотнения сдавливаемыми кольцами
Таблица 1
	D-образное кольцо может служить хорошим уплотнени- ем штоков с возвратно-поступательным движением. С рав- ным успехом применяется как в гидравлических, так и
жВй	пневматических системах. Не подвержено спиральному скручиванию, но требует двух подкладных колец, которые исключают выдавливание в зазор при высоких давлениях. Диаметральное сдавливание небольшое
77/7///.^	Дельта-образное кольцо имеет треугольную форму поперечного сечения. Не скручивается, но поскольку тре- ние здесь больше, то срок службы сравнительно неве- лик. Применяется редко 0-образное кольцо является наиболее обычной формой уплотнительных сдавливаемых колец. Уплотняет в обоих
О	направлениях. Недорого. Применяется при возвратно-по- ступательном, вращательном и осциллирующем движени- ях. За исключением плавающих колец диаметральное сдавливание составляет примерно 10%. При нормальных зазорах максимальное рабочее давление обычно равно 100 иПсм-
166
Продолжение табл. 1
Т-образное кольцо не подвержено спиральному скручи-
ванию. При малом диаметральном сдавливании около
5% трение снижается. Используется на поршнях и штоках
с возвратно-поступательным движением; при низких дав-
лениях может применяться и при осциллирующем дви-
жении. Необходимы два подкладных кольца, которые ис-
ключают выдавливание в зазор. Предел по давлению
1400 кПсм1. Могут применяться при рабочих зазорах
до 1,3 мм.
Х-образное кольцо с четырьмя округлыми ребрами.
Может ставиться в обычную канавку под О-образное коль-
цо при возвратно-поступательном, вращательном и осцил-
лирующем движении. Работа его при поступательном и ос-
циллирующем движении аналогична работе О-образных
колец, но Х-образное кольцо не подвержено спиральному
скручиванию и более полно заполняет саму канавку. Пред-
почтительнее О-образных колец в применении к уплотне-
нию вращающихся валов, так как требует меньшего диа-
метрального сдавливания (в ряде случаев порядка 1%).
Имеет меньшие осевые перемещения по канавке, чем О-об-
разное кольцо, меньшее сопротивление началу движения
что невольно
Фиг. 1. Применяемые обычно
обозначения размеров ка-
навки.
Подобно предохранительным штифтам уплотнительные фасон-
ные кольца разработаны сравнительно недавно. И те, и другие
настолько просты и надежны в работе,
вопрос, почему же они не были извест-
ны прежде.
Широкому применению уплотнитель-
ных фасонных колец до недавнего вре-
мени препятствовали два обстоятель-
ства: отсутствие подходящих синтети-
ческих резин и недостаточная точность
техники формирования.
Обычно уплотнительные кольца за-
кладываются в канавку прямоугольного
сечения на деталях гидравлического и
пневматического оборудования. Реже
применяются другие формы канавок
(табл. 2). Обозначение размеров кана-
вок под уплотнительные фасонные кольца не совсем обычно (фиг. 1);
ширина канавки названа ее длиной, а глубина — шириной.
Ширина канавки — это глубина ее плюс зазор между валом
и корпусом. Длина канавки — это расстояние между стенками.
Так как наиболее распространенными из всех уплотнительных
фасонных колец являются О-образные кольца, а способы при-
менения различных колец сходны, то эта глава будет посвящена
167
Таблица 2
Типы канавок под уплотнительные кольца
	Прямоугольная форма канавки наиболее распростра- нена в динамических уплотнениях. Стенки канавки выпол- няются под наклоном, не большим, чем 5°, внешние кромки скруглены по радиусу около 0,15 мм. Внутренние углы канавки имеют галтель, радиус которой зависит от диаметра поперечного сечения кольца
	V-образные канавки рекомендуются для работы при низких температурах, где требуется повышенное диамет- ральное сдавливание. Недостаток этой конструкции — высокое трение
	Ласточкин хвост или канавка с поднутрением приме- няется на штоках при небольших скоростях движения. . В этих условиях такая канавка уменьшает возможность выдавливания кольца в зазор, снижает трение. Недо- статком является высокая стоимость изготовления ка- навки
в основном рассмотрению конструкций уплотнения О-образными
кольцами.
Принцип действия. Функционирование О-образного кольца
основано на принципе контролируемых деформаций. При уста-
новке кольца (фиг. 2) оно несколько поджимается, раздаваясь
а)
5)
Фиг. 2. О-образное кольцо установлено в прямоугольной
канавке переустройства;
а — диаметральное сдавливание (монтажное); б — под давлением.
в радиальном направлении. Под действием рабочего давления
уплотняемой жидкости эластичное О-образное кольцо деформи-
руется и перекрывает зазор.
В динамических условиях О-образные кольца могут приме-
няться:
при возвратно-поступательном движении для уплотнения што-
ков или в качестве поршневых колец;
при осциллирующем движении, когда вал совершает поворот-
ные колебания с амплитудой от нескольких градусов до полных
168
оборотов. Вал одновременно может совершать и возвратно-посту-
пательное движение с небольшим ходом. Вращение и осцилли-
рование отличаются лишь величиной суммарного перемещения;
при вращательном движении (вал скользит по внутренней
поверхности кольца).
При поступательном движении подвижных деталей канавки
имеют ширину примерно в 2 раза большую, чем диаметр попереч-
ного сечения кольца. В этом случае кольцо скользит и перека-
тывается до упора в стенку канавки, уплотняя зазор, противо-
лежащий полости давления. Реверс давлений вызывает переме-
щение и прижатие кольца к другой стенке канавки. Уплотняю-
щий контакт по движущейся цилиндрической поверхности обеспе-
чивается плотным прилеганием деформирующегося под давлением
кольца.
Уплотнение вращающихся валов выполняется в основном
таким же способом, но действие сил на кольцо должно носить
иной характер.
У некоторых из резин наблюдается явление, известное под t
названием «эффекта Джоуля» и заключающееся в том, что нахо- д
дящийся под действием растягивающих усилий материал полу- / \
чает усадку при повышении температуры. Такая усадка приводит ' :
к увеличению напряжений при растяжении, что, в свою очередь,
усиливает тенденцию резины к усадке и т. д. Поскольку вращение
вала вызывает повышение температуры уплотнительного О-образ-
ного кольца, при монтаже оно должно быть сжато.
Иногда О-образные кольца закладываются в канавки вра-
щающихся валов и дополнительно деформируются стенками
цилиндра, вжимающими кольцо в канавку. При этом диаметр
цилиндрической поверхности канавки делается меньшим, чем
внутренний диаметр кольца, чтобы вал мог провертываться
относительно него. Чаще, однако, канавки выполняют в корпусе,
а наружный диаметр вала назначается меньшим, чем внутренний
диаметр кольца. Канавка прижимает кольцо к поверхности вала.
При этом способе установки О-образных колец срок службы
удлиняется, качество уплотнения выше.
Условия применения. Простота и экономичность сдавливаемых
уплотнительных фасонных колец делают целесообразным их
использование вместо других типов уплотнений и сальников
в соответствии с принципом: применять везде, где это только
возможно.
Вот некоторые из условий, в которых такие кольца не могут
работать эффективно:
чрезвычайно загрязненная среда или присутствие в смазке
абразивных частиц (кольца являются одним из типов контактных
уплотнений, их срок службы сокращается в абразивной среде);
при скудной или периодической смазке срок службы умень-
шается (при высоких скоростях вращения).
169
Идеальные условия применения О-образных колец имеются
при уплотнении поршней гидравлических цилиндров (серводви-
гателей). Обычным является использование колец в грибках
клапанов и сальниках клапанных штоков.
Конструкция уплотнения штоков. Конструкция уплотнения,
использующего фасонные кольца, должна удовлетворять ряду
противоречивых требований. Размеры канавки и диаметральное'
поджатие кольца допускают его перекатывание взад— вперед
по длине канавки при каждом ходе поршня или штока. Износ
распределяется практически по всей поверхности уплотнитель-
ного кольца. Более плотная посадка кольца, вообще говоря,
способствует повышению эффективности уплотнения при невы-
соких температурах. Однако это может значительно усложнить
сборку. Одновременно сократится срок службы из-за истирания
и перекатывания кольца; возрастут потери на трение.
Если размеры канавки и зазоры выбраны так, что сохраняется
достаточная свобода перемещения кольца, то срок службы при-
мерно вдвое превышает длительность работы уплотнения, в кото-
ром исключена возможность какого-либо перекатывания кольца.
’ В уплотнениях штоков и поршней простого действия, где давле-
ние направлено в одну и ту же сторону, склонность колец к пере-
катыванию проявляется в меньшей степени, чем в цилиндрах
двойного действия.
' Длина канавки примерно на 50% больше диаметра попереч-
ного сечения кольца. Канавка должна быть рассчитана на возмож-
ное набухание резины в пределах 15% под действием уплотняемой
жидкости.
Уплотнения О-образными кольцами подвижных деталей ма-
шины допускают максимальные утечки в размере нескольких
капель на каждую тысячу ходов. Величина утечки, естественно,
зависит от вязкости жидкостной пленки. В быстроходных маши-
нах и при резких колебаниях давления утечки могут быть очень
большими из-за насосного действия кольца при его перекатыва-
нии. С каждым ходом на стороне низкого давления может по-
являться пленка жидкости. Избежать этого можно применением
, более твердых резиновых смесей.
Утечки, вызываемые перекатыванием кольца, могут быть
снижены назначением более грубой обработки поверхностей
канавки и сокращением ее длины с тем, чтобы уменьшить величину
возможного пути качения кольца. И в том, и в другом случае
резко возрастает трение и сокращается срок службы уплотнения
вследствие более быстрого истирания поверхности кольца.
Конструкция канавки. Для О-образных колец рекомендуются
две конструкции канавок. Одна из них рекомендована последней
нормалью MIL-R-5514D (для военной авиапромышленности). Вто-
рая предназначается для общепромышленного применения и заим-
ствована из первого выпуска нормали MIL-R-5514. Удлинение
170
колец по внутреннему диаметру при растяжении составляет от
О до 2% для военных и от 1 до 5% для общепромышленных конст-
рукций. При тяжелых условиях работы или там, где наиболее
важным требованием является максимальный срок службы,
удлинение берется равным 0—2%.
Минимальные величины диаметрального поджатия колец,
приведенные в таблицах, были вычислены с учетом возможных
допусков, зазоров, эксцентрицитета, боковых нагрузок, измене-
ний объема резины в рабочих средах и усадки при низких темпе-
ратурах. Уменьшение величины диаметрального поджатия фа-
сонных колец слегка снижает потери на трение при начале движе-
ния и рабочее при низких давлениях (до 35 ат). Снижения потерь
на трение не будет' заметно при высоких давлениях, так как
кольцо плотно прижимается к одной стенке канавки.
Рекомендованная величина диаметрального поджатия попе-
речного сечения О-образных колец составляет примерно 10%.
Длина канавки делается на 50% больше диаметра поперечного
сечения на случай увеличения объема кольца, что может слу-
читься в результате набухания резины в различных типах рабо-
чих сред.
При нулевом перепаде давлений на кольце ширина плоской
уплотнительной поверхности, возникающей от диаметрального
поджатия, равна 40—45% от диаметра поперечного сечения в сво-
бодном состоянии. С увеличением рабочего давления симметричная
форма сечения кольца нарушается из-за прижатия к стенке
канавки (фиг. 2). Это сопровождается увеличением площади
контактной поверхности кольца (до 70—80% вместо начальных
40—45 %). Контактная поверхность меняется в зависимости от
давления, твердости, модуля упругости и других физических
характеристик материала кольца.
Всегда следует стремиться применять канавки прямоуголь-
ного сечения или канавки прямоугольного сечения с наклонными
боковыми стенками. Для упрощения обработки угол наклона
стенок можно взять равным 5°. Такие формы канавок, как V-
образные, круглого сечения или другие необычные, приводят
к сокращению срока службы уплотнительных колец. Вследствие
значительных напряжений и усилий, возникающих в некоторых
местах поперечного сечения кольца, в таких канавках появляется
полное разрушение структуры резины, потеря эластичности и сни-
жение модуля упругости при сжатии, что сопровождается суще-
ственной остаточной деформацией и искажением формы. В прямо-
угольной канавке напряжения распределяются равномерно по
всему поперечному сечению.
Размещение канавки. Если О-образное кольцо или другая
набивка, находящаяся в поджатом состоянии, пересекает при
движении отверстие или окно, то материал будет внедряться
в такое неогражденное пространство. При этом на кольцах
171
могут появиться порезы и вырывы от острых краев цилиндра
или заклинивания (фиг. 3). При установке О-образных колец
целесообразно предусмотреть хорошую входную фаску. Просто
затупить кромку недостаточно, потому что кольцо может быть
защемлено или подрезано.
Фиг. 3. Установка О-образных колец.
Лучшим решением проблемы было бы создание такой конструк-
ции, где на сметаемой кольцом поверхности нет окон и отверстий.
Если этого сделать невозможно, то следует затупить острые края
всех отверстий и окон фасками и конусами (фиг. 4).
Фиг. 4. Конструкции, в которых исключается подрезка колец
при начальной установке их в цилиндре с окнами.
Вопрос о размещении канавки должен рассматриваться
и с точки зрения сборки узла. Любая поверхность, способная
вызвать порезы или заклинивание, над которой или сквозь
которую должно пройти кольцо при установке, должна быть
спроектирована так, чтобы достаточно большой зазор имелся
даже при самом неблагоприятном расположении полей допусков.
172
Обработка канавки. Удлинить срок службы уплотнения можно
соблюдая рекомендованные значения чистоты обработки канавки
и рабочих поверхностей, по которым перемещается О-образное
кольцо. Для военной авиации эти рекомендации таковы:
поверхность, по которой скользит кольцо, — не грубее 0,4 мк\
цилиндрическая поверхность канавки — не грубее 0,8 мк-,
стенки канавки при отсутствии подкладных колец — не гру-
бее 0,8 мк-,
стенки канавки при использовании подкладных колец — не
грубее 1,6 мк.
В общепромышленных применениях чистота обработки поверх-
ностей может быть принята следующей:
поверхность, по которой скользит кольцо, — не грубее 0,4 мк-,
цилиндрическая поверхность канавки — от 1,6 до 3,2 мк-,
стенки канавки (с применением подкладных колец и без них) —
от 1,6 до 3,2 мк.
Направленное расположение следов обработки при хонингова-
нии делает поверхность наиболее пригодной для любого типа
эластичных уплотнений. Такая поверхность может удерживать
в бороздках значительное количество смазки и обеспечивает мини-
мальный подпор ее при движении кольца. Лучшей поверхностью
являются хонингованная и закаленная сталь, подвергнутая
твердой никелировке. Хорошие результаты дает твердое хромиро-
вание, но потери на трение будут значительно большими. Не сле-
дует применять декоративное покрытие никелем или мягкое хро-
мирование.
Стенки цилиндра могут быть отполированы и обработаны
в размер одной операцией: продавливанием шаров из легированной
стали нужного диаметра сквозь отверстие. Гладкое калиброван-
ное'отверстие представляет собой отличную рабочую поверхность
для О-образных колец. Так, можно обойтись без хонингования,
резко снизить стоимость обработки; к тому же отверстие получается
точным по размеру и идеально круглым.
Для изготовления цилиндров с большим сроком службы не ре-
комендуется применять материалы с невысокой стойкостью про-
тив истирания, например алюминиевые сплавы, бронзу, латунь,
монель и мягкие нержавеющие стали. При низких давлениях
эти сплавы все же находят применение в некоторых случаях.
Дно канавки должно иметь галтели, соответствующие радиусу
сечения кольца. Это необходимо во избежание излишних напря-
жений.
Зазоры. О-образные кольца в поршневых цилиндрах подвер-
жены перемещениям в направлениях действия рабочего давления.
При слишком больших зазорах между цилиндром и поршнем
(фиг. 5) кольцо выдавливается в зазор. При перекатывании кольца
в канавке в результате его защемления могут появиться вырывы.
На поверхности кольца в местах наибольших напряжений
173
образуются в результате износа кольцевые борозды. При перемене
хода поршня кольцо принимает первоначальную овальную форму
и перекатывается к другой стороне канавки. Выдавливаемая часть
кольца заметна на поверхности его по надрезу. Этот надрез посте-
пенно увеличивается, пока, наконец, не приводит к полному отрыву
куска кольца.
Фиг. 5. Пример выдавливания
О-образного кольца под дейст-
вием рабочего давления в коль-
цевое пространство из-за чрез-
мерной величины зазоров.
Фиг. 6. Сдерживающие
подкладные кольца, при-
меняемые при больших
зазорах:
1 — кожаные подкладные
кольца.
Склонность кольца к выдавливанию зависит от следующих
факторов:
величины зазоров, рабочего давления, твердости и других
физических свойств материала О-образного кольца. Зазоры сле-
дует выполнять столь малыми, как это позволяют сделать техноло-
Таблица 3
Рекомендуемые величины зазоров
Рабочее давление в кГ/см*	Величина зазоров в мм		
	HS 70	HS 80	HS90
0	0,25	0,25	0,25
17,5	0,25	0,25	0,25
35,0	0,20	0,25	0,25
70,0	0,13	0,20	0,25
105,0	0,08	0,13	0,20
140,0	—	0,10	0,13
210,0	—	0,08	0.10
350,0	—	—	0,08
гические возможности (табл. 3),
однако с учетом различия в ко-
эффициентах теплового расши-
рения материалов сопряженных
деталей.
Рекомендуется применять
резину твердостью 70 (по твердо-
меру) для давления до ЮО/сГ/сщ2,
твердостью 80 —до 180 кПс.ч2
и 90 — для более высоких дав-
лений.
В тех случаях, когда не
удается уменьшить зазоры или
рабочее давление до рекомендо-
ванных значений, могут исполь-
зоваться подкладные кольца
(рис. 6). Они могут быть сделаны из металла, пластиков или
кожи. Подкладные кольца позволяют расширить область приме-
нения О-образных колец в сторону более высоких давлений.
Подкладное или поддерживающее кольцо размещается в уплот-
нении со стороны, противоположной полости давления. В порш-
нях двойного действия, а иногда в поршне простого действия
при особых обстоятельствах применяются сразу два подкладных
кольца.
174
Чтобы исключить возможность перемещения подкладных колец
в осевом направлении и связанного с этим ухудшения их эксплуа-
тации, ширина канавки уменьшается. К тому же результату при-
водит выполнение канавки с наклоном стенок под углом больше 5°.
При слишком узкой канавке могут возникнуть затруднения, свя-
занные с большой величиной трения при движении и значитель-
ным сопротивлением началу движения. Кроме того, очень сложна
сборка.
Смазка. Правильная смазка О-образного кольца при его уста-
новке имеет чрезвычайно большое значение для эксплуатации
в течение длительного времени. Перед сборкой узла следует сма-
зать рабочей жидкостью кольцо, канавку и все поверхности, по
которым кольцо должно пройти при установке.
Если 0-образное кольцо уплотняет гидравлическую жидкость,
обладающую хорошими смазочными свойствами, то предваритель-
ной смазки достаточно для дальнейшей эксплуатации кольца.
В пневмосистемах должны применяться специальные средства,
например консистентные смазки или пропитанные войлочные
элементы.
В общепромышленных устройствах используются консистент-
ные смазки на основе литиевого и бариевого мыла, так как они
образуют на рабочей поверхности прочную устойчивую пленку.
В военной промышленности применяют специальную силиконовую
смазку MIL-G-4343.
В пневмосистемах высокого давления, работающих при давле-
ниях выше 70 кГ/см2 и высоких температурах, могут потребоваться
специальные типы силиконовых смазок. Они используются и в
тех устройствах, где смазка должна быть постоянной.
В других системах применяют войлочные кольца, которые
устанавливаются в отдельных канавках по обе стороны О-образ-
ного кольца. Войлок должен быть хорошо пропитан смазкой,
однако и после этого в систему необходимо периодически добавлять
масло.
Грязь. Любая грязь, металлические опилки, стружка, песок,
пыль и другие посторонние частицы не должны попадать внутрь
гидросистем. Масло сохраняют чистым с помощью фильтров,
периодической заменой и периодической промывкой системы.
Вся установка должна быть перед сборкой основательно промыта
для удаления стружки, песка, пыли и других посторонних частиц.
Штоки поршней должны быть снабжены защитными устрой-
ствами, которые бы не позволяли грязи проникнуть внутрь ма-
шины. Эффективным средством могут служить скребковые уплот-
нения в металлическом корпусе с уплотнительными элементами
из кожи или синтетической резины. Применяются также металли-
ческие скребковые уплотнения с кольцами из фосфористой бронзы.
В качестве грязевых устройств можно использовать меха и рукава
из синтетической резины или кожи.
175
Уплотнения штоков. Многие уплотнения штоков О-образными
кольцами выходят из строя даже при соблюдении всех конструк-
тивных рекомендаций. Такими повреждениями могут быть защем-
ление кольца при выдавливании в результате изменения рабочих
зазоров в одном или нескольких местах или спиральное скручи-
вание кольца, вызванное его проворачиванием при возвратно-
поступательном движении поршня. Выдавливание можно устра-
нить подкладными кольцами.
Спиральное скручивание возникает, видимо, в таких условиях,
когда одна часть кольца скользит по рабочей поверхности, а дру-
' гая перекатывается, при одном и том же ходе поршня. Связано
это с различием сил трения в разных местах по окружности кольца.
।(.Величина силы трения есть функция нормальной нагрузки, коэф-
i фициента трения и площади. Любое обстоятельство, которое при -
’ водит к нарушению нормальных значений этих параметров, спо-
собствует спиральному скручиванию кольца.
Точная картина динамики работающего кольца в различных
условиях скоростей, положения поршня, величины сдавлива-
ния, боковых нагрузок и т. д. неизвестна. Несомненно, что
О-образное кольцо и скользит, и перекатывается. Оно скользит
под действием высоких давлений, когда кольцо претерпевает зна-
чительные деформации, и перекатывается при небольших перепа-
дах. Силы трения сцепляют кольцо с поршнем, но не могут огра-
ничивать его перемещение в канавке.
При уплотнении штоков канавку следует размещать на самом
\ штоке, а не в расточке корпуса. Так, проще изготовить канавку
й установить О-образное кольцо. В общепромышленных устрой-
ствах диаметры канавок на поршнях и штоках различны, в то время
как в военной промышленности они одинаковы.
Уплотнения осциллирующих валов. О-образные кольца являют-
ся превосходным средством уплотнения осциллирующих валов, на-
пример, штоков клапанов. Вообще размеры канавок и другие
конструктивные данные остаются теми же, что и в случае уплотне-
ния штоков с возвратно-поступательным движением.
Рекомендуется применять кольца с твердостью резины HS 80—
HS 90. Более твердые кольца в меньшей степени подвержены виб-
рации, проворачивание происходит ровнее. Там, где вопрос
о величине трения стоит особенно серьезно, используют составы
резины, пропитанной графитом или сернистым молибденом. Однако
применять их следует с осторожностью. О-образные кольца, про-
питанные графитом, могут оказаться неудовлетворительными
при работе в сочетании с некоторыми марками нержавеющих ста-
лей, так как в результате электролиза может появиться точечная
коррозия.
О-образные кольца, установленные на штоках вентилей, от-
лично выдержали все испытания. Требования к чистоте обработки
поверхностей и зазорам могут быть снижены, поскольку здесь
176
не требуется точность, обычная для гидросистем высокого дав-
ления.
Уплотнения вращающихся валов. О-образные кольца могут
быть использованы для уплотнения вращающихся валов только
при выполнении некоторых специальных условий. Максимальные
окружные скорости допускаются до 3 м/сек. Особенно важное зна-
чение имеют хорошая смазка и охлаждение, которое снимает
тепло, выделяющееся на рабочих поверхностях. Х-образные кольца
в этих условиях работают несколько лучше и могут применяться
до скоростей порядка 4,5 м/сек.
Если О-образное кольцо устанавливается на вращающийся
вал обычным способом и слегка обжимает его, то в результате тре-
ния кольца о поверхность вала выделяется тепло, что приводит
к усадке резины. В связи с этим обжатие вала кольцом становится
более плотным. Все эти процессы, повторенные многократно, за-
канчиваются выходом уплотнения из строя.
Если кольцо, установленное на вал, находится в растянутом
состоянии, то разрушение его наступает уже через несколько ми-
нут при окружной скорости 1 м/сек. Рабочее давление гидро-
и пневмосистем увеличивает удельные нагрузки на кольцо, что
также может привести к сокращению срока службы. В системах
высокого давления необходимы пониженные окружные скорости.
Величина допускаемых растягивающих напряжений зависит
от площади контакта, ! давления, удельных нагрузок, чистоты
обработки поверхности вала и других еще не учитываемых
факторов.
О-образные кольца на вращающихся валах должны устанав-
ливаться так, чтобы сжатие на периферии составляло около 5%.
Внутренний диаметр уплотнительного кольца должен быть больше
наружного диаметра вала. Ширина канавки делается равной мини-
мальной ширине сжатого поперечного сечения; длина канавки
должна на 10% превышать максимальный размер поперечного
сечения сжатого кольца.
Кольца, установленные таким образом, уже после нескольких
минут работы не дают монотонного возрастания температуры по-
верхности: температурные кривые выравниваются после неболь-
шого подъема.
Применение О-образных колец для уплотнений вращающихся
валов ограничивается следующими значениями предельных ок-
ружных скоростей:
для валов	диаметром	от	3 до	7	мм — 1,8 м/сек\
»	»	»	»	9 »	17,5	мм — 2,30 м/сек',
»	»	»	»	19 »	32	мм — 3 м/сек.
- Грибки клапанов. О-образные кольца особенно подходят для
i/использования их в конструкции грибков клапанов. Они погло-
. щают ударные нагрузки и достаточно мягки, чтобы уплотнять при
\ любых давлениях, даже если в систему проникают грязь и опилки.
12 Дж. А. Паркс и др.	177
Идеальным случаем их использования являются обратные
клапаны, в которых само рабочее давление создает уплотняющее
усилие. Обратные клапаны высокого давления способны удержи-
вать неделями столь высокие давления, как 1400 кГ/см2. При пра-
вильном использовании О-образные кольца могут применяться
в грибках предохранительных и угловых клапанов при любых
давлениях.
Одной из конструктивных проблем создания клапанов с уплот-
нительными О-образными кольцами является устранение возмож-
ности выжимания кольца из канавки. Выжимание наступает
в канавках квадратного или прямоугольного сечения, если в мо-
мент открытия клапана на грибке существует значительный пере-
пад давлений (фиг. 7).
Фиг. 7. Выжимание О-образного кольца из канавки грибка клапана.
При открытии клапана пространство между грибком и седлом
увеличивается. На уплотнительное кольцо действует полный
перепад давлений. Кольцо все время перекрывает зазор, пока, на-
конец, не выйдет полностью из канавки.
В большинстве случаев такое выжимание кольца случается
при перепаде давлений, превышающем 7 кГ/см2. Поскольку это
явление аналогично выдавливанию, можно применить более твер-
дую резину, которая обладает большим сопротивлением растяги-
ванию. Можно исключить выжимание колец, изготовляя канавки
с поднутрением. Другой способ предусматривает накатывание
кромки металла с обеих сторон кольца для удержания его в ка-
навке или вулканизацию и скрепление синтетической резины
с поверхностью канавки. Фиг. 8 иллюстрирует эти обычные три
способа крепления кольца. Дренажное отверстие в канавке
предотвращает рост давления под кольцом, и оно остается на
месте.
Уплотнения пневмосистем. Для канавки под О-образные кольца
в пневмосистемах можно рекомендовать размеры, принятые в об-
щепромышленных и военных гидросистемах. В пневматических
системах чаще встречаются сравнительно небольшие давления,
поэтому можно иметь длительный срок службы. Рабочие поверх-
ности могут быть изготовлены с более грубой чистотой и большими
178
допусками, чем рекомендованные для гидросистем высокого дав-
ления.
Вакуумные уплотнения. В динамических уплотнениях вакуум-
ных машин иногда полезно использовать два О-образных кольца,
располагаемых в самостоятельных канавках поршня или штока,
Фиг. 8. Обычные конструкции канавок на грибках клапанов, исклю-
чающие выжимание колец:
1 — О-образное кольцо; 2 — давление.
что позволяет поддерживать более высокий вакуум. В конструк-
циях такого типа рекомендуются более узкие канавки (табл. 4).
Размеры канавки (основные) в мм
Таблица 4
Размер кольца	Диаметр поперечного сечения	Ширина канавки +0,00 —0,05	Диаметраль- ное сдавли- вание (ми- нимальное)	Длина канавки -J-0,127 —0,000	Радиус скругления кромок
001	1,016±0,076	0,81	0,114	1,32	0,4
002	1,27± 0,076	1,04	0,140	1,55	0,4
003	1,524+0,076	1,24	0,190	1,75	0,4
004—045	1,778+0,076	1,45	0,254	2,29	0,4
110—163	2,616± 0,076	2,29	0,254	2,92	0,4
210—281	3,530+ 0,102	3,12	0,305	3,94	0,8
325—349	5,340+ 0,127	4,78	0,432	5,84	0,8
425—460	6,980+ 0,152	6,09	0,736	7,75	1,6
Плавающие О-образные кольца. Плавающее О-образное кольцо
является единственным типом уплотнительных колец, которое
применяется без диаметрального сдавливания. Кольцо переме-
щается в канавке по пути наименьшего сопротивления и перекры-
вает зазоры, расположенные с противоположной стороны от по-
лости давления. Плавающим это кольцо названо потому, что оно
не прижато ко дну канавки (фиг. 9).
12*	179
В применении к пневматическим устройствам эта конструкция
обеспечивает наибольший срок службы и малое сопротивление на-
чалу движения. Ее можно использовать и при уплотнении жидко-
сти, если величина допустимых утечек составляет несколько ка-
пель на цикл.
Наружный диаметр кольца больше, чем внутренний диаметр
расточки цилиндра. Это вызывает внешнее обжатие кольца, кото-
рое аналогично диаметральному сдавливанию его в обычных кон-
струкциях. Допуски на диаметр расточки цилиндра, ширину
канавки, диаметры поршня и дна канавки могут быть назначены
менее жесткими. Необходимая длина канавки намного меньше, чем
в обычных конструкциях, но ее следует выдерживать с точностью
±0,08 мм.
Трение. В любом типе уплотнения существуют два вида трения Р;
тление движения, которое для О-образных колец не превышает . .
величину трения в других уплот- < '
нениях, а зачастую и значительно j
меньше;..	'
трение покоя, т. е. сопротив-
ление началу движения, которое'
определяется как сила, препят-
ствующая троганию с места под-!
вижных деталей.
Сопротивление началу движе-
ния имеет важное значение только
в редких случаях: в цилиндрах
простого действия, возвращаю-
щихся в крайнее нижнее положе-
ние под действием собственного
Фиг. 9. Конструкция канавки под
плавающее 0-образное кольцо (диа-
метр канавки меньше, чем внут-
ренний диаметр кольца):
А — диаметр цилиндра; В — диаметр
канавки на поршне; £—ширина бурта
(канавки); f — длина канавки.
веса, в цилиндрах регуляторов давления и в некоторых соле-
ноидных вентилях.
В большинстве случаев трение О-образных колец не имеет
первостепенного значения. Сопротивление началу движения,
видимо, вызывается затеканием синтетической резины в очень
мелкие канавки и царапины на металлической поверхности. По-
этому в начальный момент необходимо приложить значительное
срезывающее усилие. Величина силы трения быстро уменьшается
в процессе приработки, благодаря полирующему эффекту О-об-
разного кольца, если только в систему не проникнут посторонние
частицы, способные нарушить чистоту металлической поверхности.
Чем грубее обработаны рабочие поверхности, тем выше трение
и износ (фиг. 10).
Поверхность трения О-образного кольца подсчитывается как
произведение длины окружности трущейся о металл поверхности
на диаметр поперечного сечения. Для определения силы трения
при площади поверхности, большей, чем 8 см2, следует брать
значение для 1 см2 и умножать на величину площади. Максималь-
но
ные усилия трения при диаметральном сдавливании 10% следует
использовать только в предварительных расчетах.
Химическая обработка металлической поверхности может не-
сколько уменьшить трение О-образного кольца. В настоящее время,
однако, нет такой химической обработки, которая могла бы
рассматриваться как подходящая замена механической обра-
ботки.
Из других параметров на трение влияют: размеры, рабочее
, давление, твердость кольца, сдавливание, интервал между после-
довательными ходами поршня, температура, смазка.
Фиг, 10, Макисмальные усилия трения для уплотнений О-образными кольцами
деталей с возвратно-поступательным давлением:
I — качество поверхности от 0,75 до 1,0 мк (среднеквадратичное значение), рабочее дав-
ление р = 100 кГ/см\ твердость HS 70, 40 мин без движения; 2 —качество поверхности
0,075 мк (ср.-кв.), р » 100 кГ/см*', твердость HS 90, 40 мин без движения; 3 — качество
поверхности 0,075 мк (ср.-кв.), р == 100 кГ/см*\ 4—качество поверхности 0,075 мк (ср.-кв.),
р = 35 кГ/смг, твердость HS 70, 40 мин без движения; 5 — качество поверхности 0,125 мк
(ср.-кв.), р » 35 кГ/см*, твердость HS 45, 40 мин без движения; б— качество поверхности
0,075 мк (ср.-кв.), р = 100 кГ/см*, твердость HS 70, трение при движении.
Размеры. Трение возрастает с увеличением рабочей поверх-
ности кольца, трущейся о поверхности металлических деталей.
Следовательно, трение возрастает с увеличением поперечного
сечения кольца. Трение также увеличивается с увеличением диа-
метра кольца. Размеры стандартных колец выбраны с учетом взаим-
його влияния всех факторов, таких, как трение, износ, длитель-
ность работы, компактность конструкции и т. д., с целью обеспе-
чить наибольшую эффективность уплотнения. Там, где трение
не столь важно, О-образные кольца с большим поперечным сече-
нием, чем стандартные, покажут лучший уплотняющий эффект,
лучшее сопротивление выдавливанию и большую длительность
работы.
181
Рабочее давление. Трение на кольце возрастает с ростом рабочего
давления вплоть до давления максимальной деформации. Это то
давление, при котором кольцо определенной твердости, прочности
на растяжение, относительного удлинения и модуля упругости
получает предельную деформацию. Для резины с твердостью
HS 70 оно составляет примерно 85 кГ!см\ Это на несколько десят-
ков атмосфер ниже давления выдавливания при рекомендован-
ных зазорах.
Твердость кольца. Трение при движении и сопротивление
началу движения возрастают с увеличением твердости резины.
При низких давлениях резина твердостью HS 90 обладает в 2 раза
большим трением покоя, чем при твердости HS 70. В свою очередь,
резина твердостью HS 70 обладает трением покоя, в 2 раза большим,
чем резина твердостью HS 50 единиц. Обычно применяют резину
твердостью HS 70, потому что такая резина имеет оптимальные
характеристики при использовании ее в условиях средних давле-
ний.
Сдавливание. С увеличением диаметрального сдавливания также
возрастают потери на трение и при начале движения и во время
работы.
Интервал. Длительность промежутка времени между последо-
вательными ходами поршня существенно влияет на сопротивление
началу движения. Если поршень находится в крайнем положении
около 2 сек, то сопротивление началу движения не превышает
силы трения при движении. Через минуту оно может быть уже
в 2 раза большим, а затем растет по экспоненциальному закону,
асимптотически приближаясь к предельному значению. По исте-
чении часа изменений практически нет. Интервал между ходами
не влияет на трение при движении, по крайней мере, до тех пор,
пока жидкость на рабочих поверхностях не высохнет и не загустеет.
Температура. Трение растет при снижении рабочей темпера-
туры, поскольку одновременно с этим резина становится тверже.
Синтетические резины ведут себя при этом аналогично очень
вязким жидкостям. Специальные морозостойкие составы с более
гладкими вязкостными характеристиками в области низких тем-
ператур могут быть использованы в авиации для работы в условиях
пониженных температур. При этом несколько ухудшаются изно-
состойкость колец и их стойкость при высоких температурах.
Смазка. По-видимому, трение О-образных колец мало зависит
от смазки, если рабочая жидкость обладает удовлетворительными
смазочными качествами. Динамические уплотнения не должны
работать всухую.
Топливные системы. О-образные кольца иногда применяют
в динамических условиях в общепромышленных или авиационных
топливных системах. В этих случаях диаметр поперечного сечения
кольца назначается исходя из уже приведенных рекомендаций.
Но ширина канавки берется значительно большей.
182
Рекомендуемые размеры канавки этих типов даны в табл. 5.
Таблица 5
Размеры канавок для динамических уплотнений топливных систем
Размер кольца	Диаметр поперечного сечения	Диаметраль- ное сдавли- вание (мини- мальное)	Ширина ка- навки (мини- мальная) 4-0,000 —0,05	Длина канавки	Радиус скругле- ния кромок
001	1,016 ±0,076	0,203	0,74	0,076	0,4
002	1,27 ±0,076	0,254	0,94	о 9q4”0,000 0,076	0,4
003	1,524±0,076	0,305	1,14	2 54.+О’°0О 0,076	0,4
004—045	1,778+0,076	0,381	1,32	9 '7q4'0,000 Z’/y—0,076	0,4
110-163	2,616+0,076	0,432	2,11	d’D0—0,127	0,4
210-281	3,530±0,102	0,508	2,92	4 7f\4'0|000 4>70-0Д27	0,8
325—349	5,340±0,127	0,635	4,57	6 9fi4~o,ooo 0,127	0,8
425—460	6,980+0,152	0,889	5,94	8,76±^°	0,8
Материалы О-образных колец. Выбор материала колец зави-
сит от совокупности рабочих условий. Рассматриваются такие
условия: пределы по температуре, тип рабочей жидкости, является
ли уплотнение динамическим или нет, меняется ли рабочее давле-
ние или нет, диапазон рабочих давлений.
Обычные синтетические резины или смеси буна N, буна S,
неопрен, бутил, каучук и натуральная резина обладают характе-
ристиками, позволяющими изготовлять детали формовым способом
с использованием стандартного оборудования. Однако разработан-
ные совсем недавно синтетические резины, а также большинство
силиконовых материалов, имеют на 3—5% большую усадку, чем
стандартные резины. В этих случаях О-образные кольца, отфо-
рмованные из новых материалов на имеющемся оборудовании,
имеют размеры на 3—5% меньше, чем предусмотренные станда-
ртом. Материалы с большой усадкой — это силиконы, витон,
фтористые силиконы и полиакрилаты. Некоторые из силиконо-
вых материалов обладают небольшой усадкой и могут формо-
183
Изменение объема
			Уплотняющие	
Среда	Акрило- нитрил	Неопрены	Бутадиен- стирольные резины	
Ацетон 	 Анилин 	 Бутилацетат 	 Сложный этиловый эфир	 Формальдегид	 Двухлористый метилен 	 Четыреххлористый углерод .... Изооктан	 30%-ное ароматическое топливо .  • Едкий натр 	 Трихлорэтилен 	 Скипидар	 Кислоты: уксусная, концентрированная •  . хромовая, 10%-ная	 технический крезол, концентриро- ванный 	 соляная, концентрированная -   азотная, концентрированная	. .  серная, 50%-ная	। серная, концентрированная . . . . | Диацетоновый спирт	 фурфурол 		+ 125 +225 + 115,5 +44,0 + 1,4 + 243 + 80,6 + 2,0 + 30,0 +0,9 + 178,0 +9,0 +5,5 Разру- шается +200 +6,9 +0,6	| + 118,6 + 162,6	Погружение +31,3 +51,4 + 107 +63,9 +2,0 + 168,7 + 142 + 13,5 +65,0 +0,7 + 186,9 +60,0 + 15,9 4 2,7 + 11,0 + 1,5 Разрушается -0,1	| Погружение +26,5 +36,9	на 70 ч при + 17,6 +23,7 + 98,7 +81,8 + 1,6 + 164,6 +207 +51,6 + 112,0 —1,1 + 211,6 + 153,0 + 19,4 Разру- шается +32,0 + 3,2 +2,6 Разру на 70 ч при + 11,0 + 2,5	
184
Таблица 6
резин в %
материалы								
	Бутил- каучук	Поли- сульфиды	Силиконы	Поли- акрилаты	Фторосилико- новые резины	Витон
	комнатной температуре					
	—2,0	+ 7,3	+ 17,5	+201,0	+205,0	+ 165
	+0,64	+325,2	+2,0	+271,7	—4,4	+0,60
	+27,0	+33,6	+77,7	+ 175,0	+ 175,2	+293,8
	+51,0	+ 12,4	+ 101,0	+98,5	+59,8	+96,8
	+0,3	-1-2,8	+ 1,7	+ 12,6	+2,3	+ 1,1
	+73,9	+248,7	+ 71,6	+254,7	+67,8	+21,5
	+ 173,0	+52,7	+ 103,0	+214,0	+ 12,2	+0,70
	+ 111,0	+0,2	+93,0	+ 1,7	+2,5	+0,11
	+ 145,0	+ 9,5	+ 109,0	+38,8	+24,4	+0,95
	+0,6	+ 0,2	—0,4	+0,3	Не из\	[еняется
	+ 177,5	+ 150,3	+98,2	+247,8	+26,0	+ 4,0
	+ 182,0	—3,7	+98,0	+22,0	+ 12,9	+0,5
	+0,5	+22,5	+3,4	+ 154,0	+ 12,4	+ 112,3
	—0,1	Разру- шается	+0,2	+5,9	—0,5	-0,2
	+0,3	+260,0	+4,3	+266,0	+2,2	+0,42
	+0,4	Разру- шается	+ 120.0 размягчается	+4,1	+5,3	+3,7
	+4,0	То же	+24,7 размягчается	+51,5	+2,0	- +5,3
	+0,6	»	0,0	+3,0	Не изменяется	
	шается					1	+0,1
	температур. +0,8	к 70° С +34,7	+6,2	+ 190,3	+39,5	+217,5
	+ 1,4	Разру- шается	+2,5	+215,0	+ 14,1	+79,8
185
	Уплотняющие			
Среда	Акрило- нитрил	Неопрены	Бутадиен- стирольные резины	
Гексил-спирт 		+31,0	+ 13,7	+ 17,4	
Метанол 		+ 18,0	+ 7,5	+ 1,7	
Мыльный щелок, концентрированный	+3,6	+5,8	+4,5	
		Погружение	на 70 ч при	
Масло № 1, ASTM 		—4,6	+7,5	+44,4	
Масло № 2, ASTM 		+ 13,3	+68,0	+ 105,0	
Тормозная жидкость		+46,6	+ 12,9	+ 10,2	
Касторовое масло		+5,8	+9,8	+4,0	
Моющие средства (поверхностно-ак- тивные) 		+3,3	±7,3	+4,4	
Этиленгликоль 		+2,6	+7,3	+4,1	
Льняное масло		+5,4	+40,0	+56,0	
Соляной раствор (NaCl, концентри- рованный) 		—0,8	+0,4	+0,1	
Трибутилфосфат		+ 133,8	+ 137,9	+ 72,0	
		Погружение	на 70 ч при	
Дифенил (теплоноситель даутерм А)			Разру	
Масло для гипоидных передач . . .	+9,2	Размяг- чается	+153,9	
Синтетические смазочные масла (эфир двуосновной кислоты, MIL-L-7808) . .	+26,8	+87,3	Разру- шается	
Сложный эфир кремневой кислоты, OS-45		+ 3,0	+33,5	То же	
Силиконовые масла, DC-200 ....	—4,1	—2,3	—3,2	
186
Продолжение табл. 6
материалы						
	Бутил- каучук	Поли- сульфиды	Силиконы	Полн- акрнлаты	Фторосилнко- новые резины	Витон
	+9,6	+ 13,7	+27,3	+ 103,6	+ 7,1	+4,6
	—1,7	+ 14,5	—0,2	+ 140,0	+8,4	+67,5
	0,0	+4,6	+3,9	+32,9	+ 1,1	+ 1,0
температуре 100° С						
	+104,0	—2,0	+6,3	+2,0	+0,3	Не изме- няется
	+216,5	+5,4	+23,0	+ 15,8	+2,6	+0,8
	+3,0	+23,3	+8,0	+ 166,2	Разру- шается	+50,4 разм.
	0,0	—2,9	+ 1,5	+ 10,5	Не изме- няется	+0,2
	0,0	+ 11,4	+2,0	+31,4	+3,2	+2,4
	—1,0	+9,5	+2,6	+37,0	+ 1,3	+ 1,1
	+ 11,0	+0,5	+3,0	+4,2	Не изме- няется	Не изме- няется
	—0,07	+ 1,2	0,0	+2,0	+0,5	+ 16,2
	+18,0	+77,8	+36,0	+ 157,5	Разру- шается	+43,0 разм.
температуре 150° С						
шается			+ 15,0	Разру- шается	+ 8,5	+ 13,3
	Разру- шается	Размяг- чается	+ 15,5 разм.	+29,7	Разру	шается
	Размяг- чается	—7,7	+ 16,2	+36,2	+ 7,6	+ 9,6
	Разру- шается	Размяг- чается	+34,8	+7,8	+5,1	+ 3,7
	—5,3		+ 17,0	—2,9	+0,30	+0,1
187
ваться на стандартном оборудовании с получением обычных
колец с допускаемыми отклонениями от номинальных раз-
меров.
Стойкость различных резин в наиболее распространенных
средах отражена в табл. 6. Ниже приведены характеристики мате-
риалов О-образных колец.
Сополимер бутадиена и нитрила акриловой кислоты, иногда
его называют также буна N. Сохранение эластичных свойств при
низких температурах и стойкость в среде масел и топлив на нефтя-
ной основе определяются в основном процентным содержанием
акрилонитрила. Чем ниже содержание этого вещества, тем больше
эластичность при низких температурах. При повышенном содержа-
нии акрилонитрила увеличивается стойкость и уменьшается набу-
хание в среде топлив и масел. Выпускаемые промышленностью
в настоящее время материалы имеют содержание акрилонитрила
от 18 до 50%.
Хлоропреновые полимеры-неопрены. Смеси,
изготовленные из этого каучука, обладают замечательной
стойкостью по отношению к озону, кислороду, воздействию солнеч-
ных лучей и атмосферных условий. Стойки в среде масел на нефтя-
ной основе. Набухание при этом может быть средним или значи-
тельным.
Бутадиен-стирольные со по л и ме ры. Иногда
употребляется обозначение GR-S или менее известное SBR. Этот
материал по своим характеристикам ближе, чем все другие синте-
тические материалы, к натуральному каучуку. Его механические
характеристики, как например предел прочности при растяжении
и относительное удлинение, хуже аналогичных характеристик
натурального каучука, но бутадиен-стирольный каучук не-
сколько лучше в отношении естественного старения или эксплуата-
ции на открытом воздухе, а также обладает большей стойкостью
к воздействию растительных и животных масел. Этот материал
нельзя применять в среде продуктов нефтеперегонки, но он широко
используется в автомобильных тормозных гидросистемах.
Бутил-каучук является сополимером изобутилена и
изопрена. Обладает отличной стойкостью по отношению к озону,
окислению и непроницаем для газов.
Последнее качество обусловило широкое применение его в тру-
бопроводах автомобильных систем. Противостоит воздействию
слабых кислот, растительных масел и гидравлических жидкостей
типа сложных эфиров фосфорной кислоты. Сохраняет работоспо-
собность в интервале температур от —60 до +120° С.
Полимеры полиакрилатов и сложных эфиров акриловой кислоты.
Смеси, изготовленные из этих материалов, показывают необычную
стойкость в среде масел при высоких температурах, доходящих
до +125° С. Обладают отличной стойкостью в отношении окисле-
ния, противостоят озону и другим атмосферным воздействиям.
188
Обычно применяются в диапазоне рабочих температур от —30
до+175° С. Составы, приготовленные из этих материалов, плохо
переносят сжимающие нагрузки, давая остаточную деформацию.
Полисульфидные каучуки отличаются высокой стойкостью в среде
ароматических растворителей, в маслах и топливах на нефтяной
основе. Весьма стойки по отношению к озону и кислороду. Не обла-
дают высокими физико-механическими свойствами. Диапазон
рабочих температур лежит в пределах от —54 до +105° С.
Силиконовые полимеры работают в широком интервале как
низких, так и высоких температур. Некоторые из них сохраняют
уплотняющие свойства при —90° С и ниже и при таких высоких
температурах как +260° С. О-образные силиконовые кольца не
рекомендуется применять в динамических условиях, а также
в большинстве сред на нефтяной основе. Удовлетворительно
работают в анилиновых маслах. Обладают отличной стойкостью
по отношению к горячему и холодному воздуху, озону, кислороду,
атмосферным воздействиям и старению.
Фторосиликоновые полимеры. Это новые масло- и топливостой-
кие силиконовые резины. Они обладают значительно более высо-
кой стойкостью в среде различных масел и топлив на нефтяной
основе, синтетических масел из сложных эфиров и большого
числа углеводородов.
Диапазон рабочих температур фторосиликоновых полимеров
от —70 до +175° С.
Сополимеры гексафторопропилена и винилфторидов. Отли-
чаются превосходной стойкостью в среде большого числа жидко-
стей и химикалиев. Могут применяться до +230° С и при огра-
ниченном сроке службы до +315° С. Нижний предел по темпера-
туре —40° С.
Выводы. 1. Факторы, оказывающие влияние на эффективность
работы уплотнений с О-образными кольцами: величина диамет-
рального сдавливания (монтажная); величина растяжения кольца
(монтажная); концентричность цилиндра и поршня; техноло-
гические допуски на кольцо, поршень, цилиндр; влияние на
размеры таких параметров, как температура, набухание кольца,
воздействие рабочей среды и т. д.; боковое усилие на поршень
и величина зазора между поршнем и цилиндром, деформация
поршня и цилиндра под нагрузкой, перепад давлений; твердость
кольца, определенная на твердомере, в сочетании с величи-
ной растяжения; форма и размеры канавки; способ установки
. колец.
;	2. Условия, при которых может возникнуть спиральное закру-
: чивание кольца: большая длина канавки по сравнению с диаметром
 поперечного сечения; трещина на поверхности кольца; неправиль-
: ная вулканизация резины: закусывание кольца (из-за выдавли-
вания), или «дыхание»; острые края более твердых кожаных
подкладных колец, острые края канавки; натяжение кольца под
189
влиянием температуры ослабевает; задиры на поршне; велико
боковое усилие на поршень.
3. Меры по устранению спирального скручивания колец:
улучшить смазку О-образного кольца перед сборкой; улучшить
способ сборки уплотнения; уменьшить диаметр поршня и повысить
нижнее значение рабочего давления; повысить требования к точ-
ности зазоров и концентричности; уменьшить диаметральное
сдавливание кольца; использовать модификации О-образных ко-
лец: D-образные и дельта-образные кольца.
4. Другие меры, которые могут предотвратить спиральное
скручивание: применять канавки с большими углами наклона
стенок — от 15 до 45°; такие углы отрицательно сказываются на
работе колец, так как они увеличивают износ и утяжеляют усло-
вия; предусмотреть фаски или скругления кромок канавки.
ГЛАВА 11
ДИАФРАГМЫ
(John F. Taplin, John J. Phillips)
Фиг. 1. Комбинация поршневого
и диафрагменного насосов.
Диафрагма — это разделительная мембрана. Она перекрывает
зазоры между подвижными и неподвижными деталями машин,
чтобы предотвратить перемешивание жидкостей или газов в разде-
ленных объемах.
Произвольно диафрагмы можно
разбить на три группы:
разделительные мембраны, рабо-
тающие при нулевом перепаде дав-
лений;
статические диафрагмы, выпол-
няющие функции разобщающей пере-
городки между двумя жидкостями,
причем диафрагма неподвижна или
испытывает малые перемещения;
динамические диафрагмы, служа-
щие уплотняющим элементом между
подвижными и неподвижными дета-
лями (обычно находятся под действием усилий или давлений).
Пример диафрагмы первой группы приведен на фиг. 1. Она
не подвержена воздействию сил давления, так как обе полости
заполнены жидкостью, напряжения в ней малы, поскольку функ-
ции диафрагмы сводятся только к разобщению полостей машины.
Насос может применяться для перекачки абразивных или корро-
зионных сред, поскольку они не контактируют с поршнем.
Диафрагмы в роли уплотняющих динамических мембран, рабо-
тающие под нагрузкой, составляют наиболее широко распростра-
ненную группу; настоящая глава посвящена им. Этот тип диаф-
рагм работает аналогично сальникам, но без утечек, и поэтому
динамические диафрагмы эквивалентны различным типам контакт-
ных уплотнений.
Диафрагмы можно классифицировать и другим способом, раз-
бив их на две группы — плоские и фигурные. К плоским диафраг-
мам относят те из них, которые не имеют на своей поверхности
191
полных зигов либо изгибов поперечного сечения, достигающих
180°. Фигурные диафрагмы образуют полный гофр или зиг и при
работе машины периодически сворачиваются с поверхности поршня
на зеркало цилиндра и наоборот.
Плоские диафрагмы. Плоская диафрагма не всегда имеет пло-
скую форму. Если она даже и выполнена плоской, то под действием
рабочего давления на поверхности диафрагмы появляются изгибы.
Первоначальная плоскостность диафрагм нарушается также при
наличии в узле относительных
перемещений. Эти деформации
вызывают удлинение нитей тка-
невых диафрагм.
Хотя плоские диафрагмы из-
готовляются из эластичных рас-
тяжимых материалов, конструк-
ция узла должна исключать
удлинение диафрагмы в рабочем
цикле. Иногда этого удается до-
стигнуть, выполнив диафрагму
с одним или более изгибом по-
перечного сечения. Такая диа-
фрагма при работе изгибается,
а не растягивается. Диафрагмы
обычно изготовляются из про-
резиненных тканей. Большин-
ство комбинаций тканей и резин
обладают неограниченной спо-
собностью противостоять изги-
бам, но цикличное растяжение
может привести к их усталост-
ному разрушению.
Конструкции. Конструиро-
с рассмотрения ряда
а)
Фиг. 2. Конструктивные рекомендации
применительно к плоским диафрагмам.
вание плоских диафрагм следует начать
вопросов:
Какова должна быть величина хода?
Какова величина рабочего давления?
Важно ли постоянство площади эффективной поверхности?
Какова природа рабочей жидкости, с которой соприкасается
диафрагма?
Существуют ли габаритные ограничения?
Какова длительность требуемого срока службы?
На фиг. 2 даются следующие рекомендации:
а — сохранять ширину свободной части диафрагмы достаточ-
ной для изгиба, но все же столь малой, как это возможно при задан-
ной величине хода;
б — предусмотреть ограничители хода, допускающие действи-
тельные перемещения порядка 90% от предельно возможных;
192
в — применять достаточно тонкие диафрагмы, чтобы предот-
вратить появление складок;
г — избегать острых кромок; радиусы скругления должны
быть не менее двойной толщины диафрагмы, желательно еще боль-
шими;
д — при использовании формованных диафрагм желательно
размещать гофр так, чтобы он оказывался вне рабочей поверхности;
е — делать корпус достаточно глубоким или плотнее натяги-
вать диафрагму, чтобы исключить прилегание ее к корпусу при
работе.
Величина хода. Многие плоские диафрагмы, которые должны
работать в тяжелых условиях при длительном сроке службы,
Фиг. 3. Плоская диафрагма
с зигом.
Фиг. 4. Тарельчатая диа-
фрагма.
формуются с желобками различных форм. Эти желобки позволяют
диафрагме изгибаться без растяжения ткани.
Как правило, максимальный ход плоских диафрагм с зигами
(фиг. 3) примерно вдвое превышает высоту зига. Зиг позволяет
увеличить величину допускаемого хода при заданном диаметре,
но стоимость диафрагмы возрастет. Ход тарельчатых диафрагм
(фиг. 4) составляет приблизительно две высоты диафрагмы. Глу-
бокие диафрагмы допускают значительные величины хода. Конст-
рукция узла усложняется из-за опасности срабатывания поверх-
ности.
Площадь эффективной поверхности тарельчатых диафрагм или
диафрагм с зигами при работе тем более приближается к постоян-
ной, чем ближе форма зигов к полуокружности.
Величина зигов или высоты тарельчатых диафрагм ограничи-
вается практическими соображениями. Если высота зигов больше,
чем толщина диафрагмы, то изготовить ее труднее. Высота тарель-
чатых диафрагм назначается из расчета 2,5 мм на каждые 10 мм
диаметра.
Небольшие по размерам диафрагмы, работающие в ненапряжен-
ных условиях в насосах и приводах, иногда делаются совершенно
плоскими. В этом случае растяжение материала диафрагмы при
работе неизбежно. Допустимая величина хода берется от 7 до 9 %
13 Дж. А. Паркс и др.	193
от диаметра диафрагмы, хотя эти цифры должны быть уточнены
в зависимости от эластичных свойств материала.
Нейлоновые ткани, пропитанные резинами, обладают хоро-
шими эластичными свойствами. Но чрезмерная эластичность
может стать и отрицательной чертой, поскольку свободные участки
диафрагм под действием рабочего давления могут образовать гофр.
С этим связана опасность недопустимого постепенного остаточного
удлинения ткани (ползучести) с одновременным уменьшением попе-
речного сечения. Малые деформации диафрагм допускаются, но
чрезмерное удлинение может привести к преждевременному вы-
ходу из строя.
, Давление. Величина предельно-допустимого давления зависит
от прочности, эластичных свойств материала и формы диафрагмы.
Предел прочности при растяжении определяется в основном типом
ткани и в меньшей степени — составом резины.
Прочность при растяжении диафрагмы зависит также от эла-
стичных свойств материала. Эластичные материалы, т. е. мате-
риалы с низким модулем упругости, дают большее удлинение
при определенной нагрузке. С уменьшением поперечного сечения
при растяжении диафрагмы снижается ее несущая способность.
Предел прочности диафрагмы, или давление разрушения, зави-
сит также от степени ее искривленности. Обычно материалы оди-
наковой толщины с увеличением кривизны способны выдерживать
более высокие давления. Наилучшей формой зигов является полу-
окружность. Зиги на плоских диафрагмах делают менее глубокими,
соответствующими углу в 60°. Максимальные напряжения в тка-
невых диафрагмах с зигом выше, чем в диафрагмах с полукруг-
лыми зигами (180°), в 1,42 раза для зигов с углом 90° и в 2 раза
для зигов с углом 60°. Формулы для определения напряжений
в тканевой диафрагме с зигом полуокружной формы приведены
ниже.
Изменение площади поверхности диафрагмы. Эффективная
поверхность плоской диафрагмы в крайних положениях хода
имеет большую площадь, чем в среднем положении. Такие устрой-
ства, как некоторые регуляторы давления, в которых изменение
давления пропорционально перемещению диафрагмы, не могут
в связи с этим использовать плоские диафрагмы.
Площадь поверхности любой тканевой или резиновой диаф-
рагмы будет сохраняться постоянной на всем протяжении рабочего
хода лишь в том случае, если форма поперечного сечения неопер-
той части диафрагмы представляет собой правильную полуокруж-
ность, так как именно такой является естественная форма упругой
оболочки, находящейся под давлением.
Желобок, образующийся на плоской диафрагме под воздейст-
вием давления, составляет в сечении лишь часть полуокружности.
Геометрия поперечного сечения изменяется от округлой формы
в среднем положении до почти прямой линии в обоих крайних
194
положениях диафрагмы. Изменение конфигурации неопертой части
ее обусловливает существенное изменение площади эффективной
поверхности.
Гистерезис. Плоские диафрагмы обычно приходится изготов-
лять более толстыми, чем фигурные, так как при равном рабочем
давлении напряжения в плоских выше. Более толстые мембраны
менее чувствительны к малым изменениям давлений, и потери на
гистерезис у них выше.
Конструкция узла. Помимо выбора типа диафрагмы, ее тол-
щины, диаметра и материала, конструктивное решение включает
в себя и спецификацию присоединительных деталей.
Диафрагма крепится в корпусе по краям, центральная часть
зажимается дисками. Шток, жестко связанный с одним из централь-
ных дисков и направляемый в опорах корпуса, передает движение
диафрагме или перемещается под действием разности давлений
на ней.
Центральный диск, или пластина, может крепиться на клею.
Это позволяет обойтись без центрального отверстия и упрощает
уплотнение. Но такие конструкции не могут выдержать высоких
напряжений. Необходимость замены диафрагмы побуждает при-
менять болтовые соединения.
Пружины используются в сочетании с диафрагмами для обеспе-
чения обратного хода или создания усилия в регуляторах давле-
ния. Пружины обычно опираются на центральный диск.
Усилие затяжки фланца, нажимающего на защемленную часть
диафрагмы, должно быть достаточным, чтобы удержать ее на месте
и обеспечить уплотняющий эффект. В этом отношении диафрагмы
могут быть приравнены прокладкам. В гл. 12 имеются рекоменда-
ции по минимальным усилиям затяжки.
Для любых условий применения диафрагм существует опти-
мальная величина «сдавливания» или предварительного поджа-
тия, которая достаточна для уплотнения, но не приводит к иска-
жению формы. Эта величина должна быть найдена, хотя бы путем
проб, если в этом есть необходимость, и соблюдаться во всех
выпускаемых изделиях.
Снабдив защемляемую часть диафрагмы кольцевыми ребрами
или уплотнительной утолщенной кромкой, можно снизить усилие
затяжки болтов, необходимое для уплотнения стыка, поскольку
с уменьшением контактной поверхности удельные давления воз-
растают. Металлические фланцы с острыми кольцевыми выступами
на уплотнительной поверхности следует применять с осторож-
ностью, так как они часто становятся причиной неполадок из-за
высокой концентрации напряжений между выступами.
Фигурные диафрагмы. Фигурные диафрагмы разработаны
сравнительно недавно. Они применяются аналогично длиннохо-
довым сильфонам и могут служить абсолютно герметичным радиаль-
ным уплотнением гидравлических поршней.
13*	195
Фигурные диафрагмы могут быть использованы, если необхо-
димо иметь:
очень низкие потери на гистерезис;
малое сопротивление началу движения, небольшое трение
при движении;
отсутствие пружинных свойств, характерных для сильфонов,
и возможность получения большей величины хода, чем с помощью
металлических сильфонов;
отсутствие даже незначительных утечек;
Фиг. 5. Фигурная диафрагма.
высокую чувствительность к изменению перепадов давлений,
возможность применения их в цилиндрах, заполненных жидкостью
или газом с большим содержанием абразивных частиц.
Принцип действия. Фигурная диафрагма образует полный зиг
с углом изменения линии поперечного сечения в 180°.
При возрастании давления в цилиндре (фиг. 5) поршень дви-
гается вниз, заставляя диафрагму сбегать со стенок поршня и пе-
реходить на зеркало цилиндра, причем трение отсутствует. При
движении поршня вниз диафрагма свертывается с поверхности
поршня и переходит на зеркало цилиндра. Изготовляется обычно
из сравнительно тонких материалов — от 0,25 до 0,9 мм (тканей
с покрытием).
Ориентация нитей допускает свободное удлинение диафрагмы
по окружности, но не вдоль оси. Почти все усилие от разности
давлений передается на поршень, и только небольшая часть его
воспринимается диафрагмой. Рабочее давление прижимает диа-
фрагму к стенкам поршня и цилиндра.
Это давление порождает силу, равную nDCp,
где D — диаметр цилиндра;
С — ширина зига в см;
р — давление в кПсм2.
196
Рассматривая единицу длины окружности, получим растяги-
вающее усилие на 1 см в кГ
= — •
Напряжение в зиге должно быть равно напряжению в цилин-
дрических участках диафрагмы. Поэтому растягивающее усилие
в фигурной диафрагме на 1 см!ке равно
St = кПсм2.
Класс 1С
Реверс давлений.
диафрагм имеет одно
Фиг. 6. Реверс давлений
и образование складок
в диафрагме.
Применение фигурных
ограничение. Их нельзя
использовать там, где
хотя бы на некоторое
время давление в поло-
Класс ЗС
Фиг. 7. Шляпковый
тип диафрагмы.
Класс 4С
класс 5 С
Фиг. 8. Фигурные
диафрагмы клас-
са
С.
сти высокого давления становится ниже давления в полости
низкого давления более чем на 0,7 к.Г/см2.
Реверс давлений может вызвать искажение формы цилиндри-
ческих участков диафрагмы, появление чрезмерных напряжений
и повреждение ее при выдавливании в другую полость цилиндра,
как показано на фиг. 6. Вообще перемена давлений приводит к во-
зникновению многочисленных складок, которые невозможно рас-
править повышением давления со стороны полости высокого
давления. Работа диафрагмы при наличии складок заканчивается
преждевременным выходом ее из строя. Однако существуют спе-
циальные типы фигурных диафрагм, которые «перекидываются»
при реверсе давлений без образования дополнительных складок.
Стандартные размеры. Размеры фигурных диафрагм приве-
дены в табл. 1. Известны два типа этих диафрагм:
шляпковые (фиг. 7); окончательная форма придается в процессе
сборки;
формованные (фиг. 8); гофр формуется при изготовлении, вели-
чина хода ограничена (табл. 2) и меньше, чем у шляпковых диаф-
рагм.
197
Таблица 1
Размеры фигурных диафрагм в мм
Диаметр цилиндра Dc	Диаметр поршня DP	Ширина зига С	Площадь эффек- тивная поверх- ности ае	Высота диафрагмы Н			
				Класс 1	Класс 3	Класс 4	Класс 5
9,4	6,35	1,6	51,6				
11,2	7,9	1,6	71,0	—	—	—	—
12,7	9,7	1,6	96,9	—	—	—	—
14,2	11,2	1,6	129,0	—	—	—	—
15,75	12,7	1,6	161,0	12,7	—	—	—
17,5	14,2	1,6	200,0	14,2	—	—	—
19,0	15,75	1,6	239,0	15,75	—	—	—
20,6	17,5	1,6	284,0	—	17,5	—	—
22,1	19,0	1,6	335,0			19,0			—
23,9	17,5	1,6	387,0	15,75	20,6	—	—
25,4	20,6	2,4	413,0	15,75	20,6	25,4	—
26,9	22,1	2,4	477,0	15,75	22,1	26,9	—
28,5	23,9	2,4	535,0	17,5	23,9	28,5	—
30,2	25,4	2,4	606,0	12,7	17,5	25,4	30,2
31,75	26,9	2,4	677,0	12,7	19,0	25,4	31,75
33,3	28,5	2,4	755,0	14,2	20,6	26,9	33,3
34,8	30,2	2,4	832,0	14,2	22,1	28,5	34,8
36,6	31,75	2,4	916,0	15,75	23,9	30,2	36,6
38,1	33,3	2,4	1000,0	15,75	23,9	31,75	38,1
39,6	34,8	2,4	1090,0	17,5	25,4	33,3	39,6
41,2	36,6	2,4	1190,0	17,5	25,4	34,8	41,2
42,7	38,1	2,4	1285	19,0	26,9	36,6	42,7
44,5	39,6	2,4	1388	19,0	26,9	36,6	44,5
47,5	42,9	2,4	1605	20,6	28,5	38,1	47,5
50,8	46,0	2,4	1840	20,6	31,8	41,2	50,8
53,9	49,3	2,4	2090	22,1	33,3	44,5	53,9
57,2	52,3	2,4	2355	23,9	34,8	46,0	57,2
60,2	55,6	2,4	2630	25,4	36,6	47,5	60,2
63,5	58,7	2,4	2930	26,9	38,1	50,8	63,5
66,5	55,6	4,0	3090	26,9	39,6	53,9	66,5
69,8	62,0	4,0	3410	28,5	41,2	57,2	69,8
72,8	65,0	4,0	3741	28,5	42,9	58,7	72,8
76,2	68,3	4,0	4100	30,2	44,5	60,2	76,2
79,2	71,4	4,0	4460	31,8	47,5	63,5	79,2
82,5	74,7	4,0	4850	33,3	49,3	66,5	82,5
85,6	77,7	4,0	5250	34,8	50,8	69,8	85,6
88,9	81,0	4,0	5660	36,6	53,9	71,4	88,9
91,8	84,0	4,0	6090	38,1	55,6	72,8	91,8
95,1	87,4	4,0	6510	38,1	57,2	76,2	95,1
98,2	90,4	4,0	7040	39,6	60,2	79,2	‘ 98,2
101,6	93,7	4,0	7480	41,2	62,0	82,5	101,6
198
Диафрагмы обоих типов выпускаются в четырех различных
исполнениях, обозначаемых классами и отличающихся конфигу-
рацией периферийных полей. Классы 1, 3, 4 и 5 описаны в табл. 3
и относятся к шляпковым диафрагмам. Классы формованных
диафрагм те же самые, но в обо-
значении класса после его но-	Таблица 2
мера ставится буква С.
Конструкция узла. Кон-
структивное оформление узлов
с фигурными диафрагмами учи-
тывает многие принципы, закла-
дываемые в конструкции с плос-
кими диафрагмами, но имеются
и существенные отличия.
Рекомендуемые конструкции
фланцев, диаметры цилиндров,
диаметры поршней и т. д. приве-
дены в табл. 4. Эти размеры от-
носятся ко всем типам и клас-
сам фигурных диафрагм за един-
ственным исключением: формо-
ванные диафрагмы выпускаются
только с одной максимальной
Величина хода фигурных диафрагм
класса С в мм
Диаметр цилиндра Dq	Ширина зига С	Максималь- ный ход или	Стандартная высота X
От 9,4 до 25,2 От 25,5 до 63,6 От 63,75 до 101,6 От 101,8 до 203	1,6 2,4 4,0 6,2	1,9 2,16 3,81 6,35	2,54 3,81 6,35 9,5
высотой для каждого типоразмера; величина хода указана в табл. 2.
Удерживающие диски. Шляпковые диафрагмы при установке
их на место приходится выворачивать для образования гофра.
Фиг. 9. Применение удер-
живающих дисков с отбор-
товкой.
В некоторых случаях при определенных
эксплуатационных условиях природная
упругость материала может проявиться
в стремлении диафрагмы вернуться в свое
первоначальное положение. Так возникает
выпучивание (фиг. 9).
С этим явлением можно бороться при-
менением удерживающих дисков с отбор-
товкой (табл. 5).
Плоское простое кольцо не может пред-
отвратить выпучивание диафрагмы. Для
всех применений рекомендуются удержи-
вающие диски с отбортовкой.
Эксцентричность поршня. Несоосность
поршня и цилиндра влияет на ширину гофра. Несоосность не
должна превышать 10% от номинальной ширины гофра, поэтому,
чтобы уменьшить несоосность, приходится предусматривать спе-
циальные направляющие для штока поршня.
В большинстве установок необходимы возвратные пружины.
Очень редко усилие, развиваемое пружиной, параллельно ее оси,
в связи с чем на поршень передается изгибающий момент.
199
Таблица 3
Классы фигурных диафрагм
Класс 1 — простой валик. Применяется там,
где требуется минимальный наружный диаметр
корпуса. Рекомендуется использовать квадратную
канавку с поперечным сечением, равным по площад)
поперечному сечению валика. Можно обойтись
без обычного фланцевого соединения, зажав диаф-
рагму удерживающим кольцом. Можно применить
также резьбовую конусную втулку
Класс 3 — отбортовка с валиком. Применяется
для обеспечения высокой герметичности (харак-
терной для мягких прокладок), в случае фланце-
вого соединения с грубо обработанными или поко-
робленными поверхностями. Валик располагается
на периферии узкой кольцевой отбортовки. Попе-
речное сечение канавки по площади должно в точ-
ности быть равно поперечному сечению валика
Класс 4 — простая отбортовка. Используется
наиболее часто. Употребляется при плоских сты-
ковых поверхностях цилиндра и крышки. Отбор-
товка служит одновременно и как прокладка для
предотвращения утечек. Поверхности металличе-
ских фланцев следует делать плоскими, или их
необходимо дополнять концентрично расположен-
ными V-образными рисками глубиной 0,15 мм, от-
стоящими друг от друга на расстоянии 0,8 мм по ра-
радиусу с тем, чтобы устранить опасность выдавли-
вания отбортовки при высоких рабочих давле-
ниях. Удельное давление при затяжке фланцев,
как правило, не превышает 70 кГ/см2
Класс 5 — широкая отбортовка с валиком. При-
меняется при давлениях свыше 10 кГ/см2, а также
при грубо обработанных или покоробленных ра-
бочих поверхностях фланцев
Если при сборке шток поршня может быть повернут, то во
избежание скручивания фигурной диафрагмы с образованием на
ней морщин следует применять проскальзывающее в плоскости
вращения соединение (фиг. 10). Поршень может поворачиваться
также под действием пружин сжатия, так как при деформации
пружин происходит и некоторое их скручивание. Если угол
поворота превышает 2°, то один конец пружины должен устанавли-
ваться на кольцо упорного шарикоподшипника.
200
Таблица 4
Конструктивные размеры фигурных диафрагм в мм
Диаметр		цилиндра с		Диаметр поршня Dp		Ши- рина зиг a С	Макси- мальный ход вверх	Макси- мальный ход вниз SB	Классы	, 3, 4, 5	Классы 1С, ЗС, 4С, 5С		Максимальный на- ружный диаметр отбортовки (стандартной)	
									Минималь- ная высота юбки поршня Lp	Минималь- ная высота зеркала цилиндра Lc	Мини- мальная высота юбки поршня Lc	Мини- мальная высота зеркала цилиндра Lc		
													Классы 4; 4С df	Классы 5; 5С df
														
От	7,9	ДО	25,2	Dc-	3,2	1,6	Н— 7,2	II- 7,2	/7 + 2	Н + $в 2	4,0	4,0	Dc+19,0	Ос+33,3
	25,4		63,5	Dc-	4,8	2,4	Я—10,4	Я—10,4	h + sa 2	H + SB 2	5,6	5,6	Яс+25,4	Dc+38,1
	66,0		102	Dc-	8,8	4,0	Я—16,0	Я—16,0	h + sa 2	H+SB 2	8,8	8,8	Dc+38,1	Ос+50,8
»	104	>	203	DC-	-12,7	6,35	Я—23,2	Я—23,2	n + sA 2	H + SB 2	12,7	12,7	Яс+50,8	Dc+69,8
Таблица 5
Удерживающий диск с отбортовкой (размеры в мм)
ОтВерстие под крепежный болт
/	с
Полный
радиус
В —
---А
Диаметр цилиндра Dq	А	В	С	D	Е	F
От 7,9 до 25,2 » 25,4 » 63,5 » 66	» 102 » 104,0 » 203	Dp+2 Dp+2 Dp+2 DP+2	He тре- буется 0,7 0,7 0,7	0,64 0,81 0,81 1,53	1,6 2,4 2,8 3,2	3,2 4,8 5,6 6,4	Не тре- буется 0,25 0,38 0,38
Проскальзывающее в плоскости вращения крепление удержи-
вающего диска применяется в тех случаях, когда возможно скру-
чивание диафрагмы при сборке.
Срок, службы. В процессе работы фигурная диафрагма претер-
певает изменение длины окружности цилиндрических участков.
Когда она сворачивается с тела поршня на стенку цилиндра
большего диаметра, длина окружности возрастает. В табл. 6 при-
ведены величины удлинений для всех стандартных размеров.
Диафрагма с более высоким удлинением не может обладать та-
Фиг. 10. Шарнирное крепление удержи-
вающего диска:
1 — стопорная гайка; 2 — О образное кольцо
и смазочная канавка; 3 — полая заклепка.
ким же большим сроком
службы, как диафрагмы с ма-
лым удлинением.
Общее число ходов до по-
ломки зависит также от сред-
ней величины рабочего дав-
ления и используемой вели-
чины допускаемого хода
в предположении, что темпе-
ратура и окружающие усло-
вия являются допустимыми
для примененных материа-
лов (тканей, резин).
В тех случаях, когда от диафрагм требуется значительный
срок службы, материал должен быть изготовлен таким образом,
чтобы обеспечивалась возможность свободного удлинения диаф-
рагмы по окружности. Если диафрагма обладает недостаточной
свободой такого удлинения, то при работе неизбежно произойдет
опасное возрастание напряжений.
Таблица 6
Удлинение фигурных диафрагм (по окружности). Приведенные величины являются
максимальными и возникают в ткани зига вблизи поршня в нижней мертвой точке
Диаметр цилиндра D^ в мм	Ширина зига С в мм	Диаметр поршня Dp в мм	Удли- нение в %	Диаметр цилиндра в мм	Ширина зига С в мм	Диаметр поршня Dp в мм	Удли- нение в %
9,4	1,6	6,35	48,1	66,5	4,0	58,7	13,4
12,7	1,6	9,65	31,6	76,2	4,0	68,3	11,5
19,0	1,6	15,75	19,4	88,9	4,0	81,0	9,7
23,9	1,6	20,6	14,8	101,6	4,0	93,7	8,4
25,4	2,4	20,6	23,5	104,7	6,35	91,8	13,8
38,1	2,4	33,3	14,5	114,2	6,35	101,6	12,5
50,8	2,4	46,0	10,5	127,0	6,35	114,2	11,1
63,5	2,4	58,7	8.2	152,5	6,35	139,6	9,1
Материалы, применяемые для изготовления диафрагм. Мате-
риалы должны обладать тремя основными достаточно высокими
свойствами.
202
Усилие разрушения. Это то давление, при котором целостность
диафрагмы нарушается. Величина его определяется двумя характе-
ристиками материала: пределом прочности при растяжении и моду-
лем упругости. Поскольку за предел прочности при растяжении
берется напряжение, которое вызывает разрыв образца при данной
площади сечения, любое уменьшение сечения диафрагмы в резуль-
тате удлинения ее под давлением снижает величину усилия разру-
шения. Поэтому материалы с высоким модулем упругости обычно
обладают большей прочностью при разрушении по сравнению
с эластичными диафрагмами даже при одинаковых пределах проч-
ности образцов при растяжении.
Эластичные свойства. Под ними понимается способность мате-
риалов воспринимать деформации и изменять форму под действием
нагрузок. Эластичные свойства материалов зависят от модуля
упругости. Составы с низким модулем упругости называются
эластичными, составы с высоким модулем упругости — жесткими.
Выбор материала. Выбор материала диафрагмы включает
в себя выбор ткани и выбор резины.
Ткани. Наиболее широко применяются при изготовлении
диафрагм хлопок, дакрон, нейлон, тефлон и стекловолокно.
Хлопок — наиболее дешевый из перечисленных материа-
лов. Поскольку хлопковая пряжа сделана из волокон небольшой
длины, предел прочности при растяжении хлопка не столь высок,
как у длинноволокнистых материалов. Хлопок не следует приме-
нять при высоких температурах, так как его предел прочности
в этих условиях снижается.
Дакрон — особенно хорошо подходит для применения
в диафрагмах, работающих при относительно высоких рабочих
температурах. Вплоть до температур порядка 175° С его предел
прочности при растяжении практически не снижается. Соответ-
ствующей обработкой можно повысить предел прочности дакрона,
доведя его почти до прочности нейлона.
Нейлоновые ткани, как правило, используют при
умеренных рабочих температурах. Они обладают превосходным
пределом прочности при растяжении. Во многих случаях высокие
эластичные свойства нейлона делают его непригодным при высоких
давлениях из-за проявления ползучести. По стоимости нейлон
занимает промежуточное положение между хлопком и дакроном.
Диафрагмы из стекловолокнистых материалов часто приме-
няются при температурах выше +175° С. С покрытием из термо-
стойких резин стекловолокнистые материалы могут ограниченное
время работать при температурах до +370° С.
Стекловолокно от сгибания истирается и поэтому при
изготовлении стеклоткани необходимо применять смазку. Смазоч-
ные вещества должны обладать достаточной стойкостью по отно-
шению к повышенным температурам, сохраняя при этом свои
смазочные свойства.
203
Тефлон может быть использован при температурах до
4200° С, если рабочие растягивающие напряжения при повышен-
ных температурах невысоки. В сочетании с тефлоном иногда при-
меняются нити из стекловолокна. Тефлон в таких случаях высту-
пает в роли смазочного вещества и предотвращает взаимное истира-
ние стеклянных волокон.
Резиновые составы. Ткани, используемые при изго-
товлении диафрагм, всегда подвергаются пропитке для обеспечения
непроницаемости. Для этой цели обычно применяются резины.
Пористые резины могут допускать утечки. Утечки могут на-
блюдаться и вследствие фитильного эффекта ткани диафрагмы.
Если резина пористая или центральное отверстие диафрагмы не
уплотнено, герметичность диафрагмы нарушается.
Вот некоторые из резин, применяемых для пропитки ткане-
вых диафрагм.
Буна N (относится к нитрилам) применяется наиболее часто.
Обладает хорошей стойкостью в отношении набухания в среде
топлив, бензина, минеральных масел и др.
Некоторые составы нитрильных резин могут применяться в диа-
пазоне температур от —45 до +90° С. Плохо переносят воздей-
ствие озона, но эта трудность преодолевается введением добавок.
Акриловые резины пригодны для работы в средах
с кислородом или озоном. Температуростойкость сохраняется
вплоть до +150° С. Акриловые резины довольно жестки при низ-
ких температурах и поэтому не могут быть использованы для изго-
товления эластичных диафрагм с рабочей температурой ниже
нуля. Не следует применять их также в контакте с бензинами,
кислотами и спиртами.
Бутил-каучук употребляется там, где требуются особо
непроницаемые мембраны. Недостаточно хорошо противостоит воз-
действию топливных масел и бензинов.
Силиконовые резины сохраняют эластичные свой-
ства в очень широком диапазоне температур от —74 до 4-315° С.
Так как прочность диафрагмы определяется типом ткани , то проч-
ностные характеристики резин не имеют первостепенного зна-
чения.
В настоящее время выпускаются силиконовые резины с очень
малой остаточной деформацией при сжатии, и, следовательно,
фланцы силиконовых диафрагм можно подвергать затяжке не
опасаясь ползучести.
ГЛАВА 12
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОКЛАДКИ
Конструкции прокладок и уплотняемого соединения необхо-
димо рассматривать совместно. Качество соединения во многом
определяется прокладками, но, с другой стороны, и работоспособ-
ность прокладки зависит от того, учитывает ли наилучшим обра-
зом конструкция узла специфические свойства прокладочных ма-
териалов. Следовательно, все детали соединения нужно рассматри-
вать в их взаимосвязи, как систему, позволяющую создать эф-
фективное уплотнение.
В первой части этой главы обсуждаются конструкции непо-
движных соединений, уплотняемых с помощью неметаллических
прокладок, излагаются требования к такого рода соедине-
ния, приведены рекомендации, базирующиеся на опыте их приме-
нения-
Во второй части главы рассмотрены различные неметалли-
ческие прокладочные материалы и изложены рекомендации по
их выбору.
КОНСТРУКЦИЯ ПРОКЛАДОК и СОЕДИНЕНИЙ
(Earl М. Stnoley)
Прокладка создает и сохраняет герметичное уплотнение стыка
отдельных деталей сборного узла. Хотя стык можно уплотнить
и без прокладок, все же прокладка обеспечивает более эффектив-
ное начальное уплотнение и удлиняет срок службы соединениям.
Компенсируя погрешности изготовления и неправильности формы
жестких деталей узла, прокладка служит как бы замазкой. Силы,
воздействию которых подвергается прокладка, весьма сложны
и разнообразны (фиг. 1).
Типы соединений. Основные типы фланцевых соединений
(фиг. 2) могут применяться в сочетании со всеми видами плоских
прокладок, простых или кассетного типа. Для умеренных давле-
ний, вплоть до 14 кПсм2, употребляется простое фланцевое соеди-
нение. При более высоких рабочих давлениях требуется его неко-
торая модификация. Фланцевое соединение с уменьшенной про-
2G5
Фиг. 1. Условия работы прокладки:
/ — усилие сжатия прокладки создается бол-
тами; 2— воздействие уплотняемой жидкости;
3 — рабочее давление, несоосность, сила тя-
жести и тепловые деформации, стремящиеся
раскрыть стык; 4 — окружающие условия.
кладкой позволяет, благодаря снижению ее ширины, повысить
контактные давления при тех же условиях затяжки и размерах
болтов. Фланцевое соединение с выступом и канавкой целесооб-
разно применять при очень больших усилиях затяжки и высоких
рабочих давлениях. Так как прокладка полностью укладывается
в канавку, то ограничивается возможность ее растекания, которое
могло бы иметь место в случае применения многих прокладочных
материалов, особенно резины и ей подобных.
Конструкция фланцевого соединения со стыком сопряженных
деталей металл к металлу дает хорошие результаты в случае легко
сжимаемых прокладочных ма-
териалов, таких, как пробка
или пробка с резиной (фиг. 2).
Эти соединения во многом
имеют сходство с уплотне-
ниями резиновыми О-образ-
ными кольцами. При пра-
вильном выборе геометрии и
объема резиновые прокладоч-
ные кольца можно делать и
с прямоугольным сечением.
Начальный объем прокладки
не должен превышать объем
канавки. Но форма прокла-
дочного кольца в свободном
состоянии должна быть такой, чтобы при сборке соединения про-
исходило сдавливание резины на 20—25%. Этот тип фланцевого
соединения хорош там, где важно точно выдержать внутренние
зазоры или взаимное расположение деталей, а также там где
необходимо разгрузить прокладку от чрезмерных усилий затяжки .
В самоуплотняющихся соединениях (фиг. 2) используют, как
правило, прокладки фасонных форм, хотя в некоторых случаях
употребляются и плоские. Чаще всего это — резина или пластик,
отформованные в специальных формах.
В муфтовых фланцевых соединениях (фиг. 2) направление дей-
ствия уплотняющего усилия, передаваемого прокладкой, перпен-
дикулярно усилию затяжки болтов. В таком соединении лучше
применять деформируемые, сравнительно жесткие несжимаемые
материалы, например резину, которая практически не сжимается,
хотя мягкая резина легко выдавливается в зазор. Наиболее при-
годными материалами могут служить пропитанные сплетенные на-
бивки, пробка с резиной и чистая резина твердостью HS 80 или
HS 90.
Резиновые соединения (фиг. 2) требуют использования прочных,
нерастяжимых и абразивостойких материалов. Жесткий прессо-
ванный асбест, кожа и кассетные прокладки дают наилучшие ре-
зультаты. Хотя бы одна из сопряженных деталей должна быть
206
Соединение со стыком фланцев металл к металлу
Фланцевые соединения с канавкой специальной формы
Фиг. 2. Типичные конструкции фланцевых соединений:
а—простое фланцевое соединение; б—фланцевое соединение с уменьшенной про-
кладкой; в — фланцы с канавкой и выступом; г — прокладка фасонной формы;
б—плоская прокладка; е—резиновое кольцо с квадратным поперечным сечением;
ж — плоская прокладка; з —прокладка с прямоугольным поперечным сечением.
207
обработана до высокой чистоты рабочей поверхности, с тем чтобы
обеспечить возможность проскальзывания по прокладке с мини-
мальным трением и без задиров.
Соединения со специальными канавками (фиг. 2) могут упо-
требляться в сочетании с прокладками очень простой формы,
которые применяются также и в других конструкциях. Прежде
чем принять решение о необходимости изготовления сравнительно
дорогостоящих прокладок специальной формы, следует подробно
изучить возможности применения в данных условиях более про-
стых прокладок с круглым, квадратным или прямоугольным по-
перечным сечением.
Например, для уплотнения стыка штампованных деталей кор-
пуса и крышки можно применить резиновое кольцо с квадратным
сечением. Плоская резиновая прокладка допускает деформацию
до принятия ею тарельчатой формы и удерживается на наклонных
поверхностях соединения с помощью уступов или рисок.
В канавках округлой формы могут употребляться прокладки
с прямоугольным и полым кольцевым поперечным сечением.
Очень важно знать те условия, которые определяют эффектив-
ную и надежную работу соединения. Условия целесообразно рас-
смотреть с точек зрения создания начального уплотнения и под-
держания начального уплотнения.
Эти два основных вопроса обеспечения эффективности уплот-
нения стыка не являются совершенно независимыми друг от друга.
Наоборот, они тесно переплетаются между собой. Изменение в од-
ном из них может отразиться и на другом. Изменяя отдельные
параметры в целях достижения наилучшего начального уплот-
нения, можно одновременно повлиять и на герметичность в про-
цессе работы. Эти вопросы, аналогично вопросам конструктивного
исполнения фланцев и прокладок, должны рассматриваться во
взаимосвязи.
Создание начального уплотнения. Центральным местом в реше-
нии проблемы создания эффективных конструкций герметичных
неподвижных соединений является начальное уплотнение. Как
правило, уплотняемая среда находится под внутренним давлением,
и это следует принимать во внимание при уплотнении стыка.
Деформации фланцев, часто наблюдаемые в соединениях, работаю-
щих при низких рабочих давлениях, также важны, поскольку не-
редко они противодействуют созданию благоприятных условий
для уплотнения. Необходимая герметичность стыка может быть
достигнута различными способами специальной обработки уже
готовых прокладок. В итоге существуют четыре основных фактора,
влияющих на эффективность начального уплотнения: усилие за-
тяжки фланцев, рабочее давление, деформация фланцев, обработка
готовых прокладок.
Усилие затяжки фланцев. Под контактным давлением понимают
удельное сжимающее усилие, приходящееся на единицу площади
208
поверхности прокладки, которое возникает от затяжки болтов
фланцевого соединения. Почти все факторы, влияющие на эффек-
тивность уплотнения, зависят каким-то образом от этого давления.
Чтобы учесть взаимное влияние друг на друга конструкций про-
кладок и фланцевого соединения, следует рассмотреть два вопроса:
метод расчета величины контактных давлений для типичных кон-
струкций неподвижных соединений и определение минимальной
величины сжимающих усилии, до-
статочных для создания началь-
ного уплотнения с помощью неме-
таллических прокладочных мате-
риалов.
Сжатие прокладки в простом
фланцевом соединении обеспечи-
вается затяжкой болтов, т. е. в ре-
зультате приложения к ним опре-
деленного крутящего момента. Во
фланцах с практически параллель-
ными уплотнительными поверхно-
стями главным препятствием пре-
образованию крутящего момента
в усилие сжатия, действующего на
сжатия прокладки во фланцевом
соединении определяется по верх-
нему графику (области минималь-
ных усилий сжатия для различных
неметаллических прокладочных ма-
териалов указаны прямоугольни-
ками в нижней части фигуры):
/—расчетное усилие сжатия; 2—линия
наиболее вероятных значений усилий
сжатия; 3 — пробка с резиной от 25 до
50%; 4—пробка от 55 до 71%; 5— фибра
от 12 до 39%.
прокладку, служит трение.
К трению в резьбе присоеди-
няется трение головки болта по
опорной поверхности фланца. В ре-
зультате момент сил трения состав-
ляет 90% от крутящего момента,
приложенного к болту, и лишь 10%
остается на сжатие прокладки.
Фиг. 3 позволяет определить
действительное сжатие прокладки
в зависимости от величины крутящего момента или же числа и диа-
метра болтов. Эти кривые построены с учетом величины трения во
фланцевых соединениях, применяемых в условиях низких рабо-
чих давлений. Они позволяют оценить влияние трения на реаль-
ную величину сжатия прокладки. Предельные значения крутящих
моментов для затяжки различных болтов даны в табл. 1.
Кажущееся контактное давление ркаж не учитывает трения
и подсчитывается для фланцевого соединения стандартной кон-
струкции по формуле
NT
Ркаж ~~ 0.2ОЛ ’
где Т — крутящий момент (при полной затяжке) в к.Псм\
N — число болтов;
D — номинальный диаметр болта в см\
А — площадь поверхности прокладки в см2.
14 Дж. А. Паркс и др.
209
Таблица'!
Разрушающие нагрузки болтов
Размер болтов	Крепеж ныс винты из стали 1010		Болты и винты							
			Сталь АЕ-1		Сталь АЕ-2		Сталь АЕ-3		Сталь ЛЕ-5	
	я 2 О * < д	, о § 5 аз Я ф 7 Я Ф < С- ? д	X о О •<* д	, о я а 5 О. L. л ф г: я ф 0. л	х <3 ф « S я	। Ф я Ф Т" я ф,	х и SL, о W	2 = я =1 3 5 “ ф 7 Я Ф •*- 0- S’ Д	и 3 х г-> sC. о « X	- о а5 а»* Си я
2-56 2—64 3—48 3—56 4—36 4—40 4—48 5—40 5—44 6—32 8-32 10—24 10—32 12-24 */<—20 '/4'28 5/1б-18 6Лв-24 з/а-16 3/8-24 , Vie—14 ’/10—20 v2—13 '/2—20 &/8-Н 7ь-18 3/4—10 а/<—16 78-9 7s-14 1—8 1-14	4,15 5,52 6,9 6,9 6,9 8,29 9,67 Н,1 13,8 13,8 22,1 30,4 38,7 48,4 69,1 84,2 167,2 193,5 262,5 323,5 449,0	.110 118 146 159 168 183 198 241 250 246 358 448 511 556 734 840 1210 1345 1790 2030 2460	76,0 88,4 159,0 175,5 282,0 318,0 451,0 504,0 686,0 775,0 1330,0 1550,0 2130,0 2740,0 3910,0 4340,0 5890,0 6580,0	792 906 1 315 1 450 1 925 2 020 2 650 2 970 3 530 3 985 5 650 6 390 8 300 9 390 И 510 12 700 15 100 16 500	96,7 109,1 196,0 222,5 351,0 398,01 566,0 627,0 862,0 971,0 1620,0 1825,0 2890,0 3220,0	996 1 132 1 631 I 813 । 2 426 2 740 3 330 3 710 4 440 4 980 6 550 7 430 8 790 10 800	- 149,1 167,2 308, 0 338,0 543 р 615, 0 । 882 ,0 970 ,0 1328,0 1505 .0 2490 ,0 2820 ,0	1 585 1 812 2 604 2 900 3 880 4 370 5 320 5 910 7 060 7 920 10 250 11 600	149,1 167,2 308, 0 338, 0 543 0 615, С 882,0 970,0 1 328,0 1 505 ,0 2 740,0 3 000,0 4 700 р 5 250,0 6 940, 0 7 690,0 10 450,0 11 660 ,0	1 722 1 970 2 855 3 150 4 210 1 4 780 5 7801 6 450 7 725 8 675 12 300 13 900 18 200 20 300 24 100 26 500 31 600 34 500
210
Действительное контактное давление рд для стандартных флан-
цевых соединений определяется по верхней кривой фиг. 3 для соот-
ветствующих значений ркаж-
Это — минимальная величина действительного сжатия про-
кладки, потому что фиг. 3 построена с учетом максимального тре-
ния, т. е. для условий, которые не всегда имеют место в реальной
обстановке. Если резьбу смазать маслом, то кажущееся контактное
давление может сравняться по величине с действительным. На
практике не удается точно задать величину трения, значение кото-
рой позволяет определить истинное давление сжатия прокладки.
Нельзя также установить ее верхний и нижний пределы. Этим
обусловлена некоторая неопределенность в расчетах фланцевых
соединений по моменту затяжки болтов. Поэтому можно только
указать диапазон возможных значений контактных давлений.
Действительное давление сжатия прокладки лежит в этом диапа-
зоне. Наиболее вероятное значение определяется по нижней кри-
вой фиг. 3.
Пример. Найти действительное давление сжатия прокладки во
фланцевом соединении при следующих условиях:
Т = 207 пГсм, А = 20,9 см2, N = 4, D = 0,8 см.
По формуле (1) находим кажущееся контактное давление
4-207 о.о _г,
Ркаж Д2-0,8.2СГ9‘	К СМ“'
Действительное давление сжатия прокладки по фиг. 3 для
Ркаж = 248 кПсм2 составляет 112 кПсм2. Диапазон возможных
значений действительных давлений, следовательно, лежит от 112
до 248 кПсм2. Наиболее вероятное значение давления равно
133 кПсм2 (найдено по нижней кривой фиг. 3).
Часто ставится задача оценить равномерность распределения
приложенных усилий по всему фланцу при заданном материале
прокладки. Для ее решения необходимо знать количество и раз-
меры болтов, их шаг и размещение по фланцу. Для сосудов под
давлением расстояние между соседними болтами составляет от
семи диаметров при рабочем давлении не выше 3,5 кГ/см2 до 3,5
диаметров болта в установках с рабочим давлением 14 кПсм2.
Во фланцах на низкие давления с мягкими неметаллическими
прокладками расстояние между болтами должно удовлетворять
лишь одному условию — затяжка фланца должна обеспечить
приемлемую равномерность сжатия прокладки по всему контуру.
Хотя обе кривые фиг. 3 построены по опытным данным, все
же имеются некоторые ограничения на их использование. На-
пример, фланцы не должны подвергаться чрезмерным деформа-
циям. Болты могут иметь размеры от 1/4—20 NC (— 6,5 мм, 8 ни-
ток) до 3/4—10 NC (—19 мм, 4 нитки). Допускаются и мелкие
резьбы. Резьба должна быть достаточно свободной, чтобы предва-
14*	211
рительная затяжка болта до соприкосновения головки с поверх-
ностью фланца не требовала значительных усилий. Стопорные
шайбы или другие способы контровки, создающие на опорной
поверхности очень большие силы трения, могут несколько изме-
нить кривые.
Для определения действительных давлений сжатия прокладки
в особо точных устройствах используется экспериментальное обо-
рудование.
При заданном моменте затяжки испытание позволяет опре-
делить действительную деформацию и усилие сжатия самой про-
кладки. По усилию сжатия легко найти удельное давление.
Фиг. 4. Применение прокладки к уплотнительным поверхно-
стям фланцев:
а — нет затекания в неровности (неправильно); б — частичное
затекание (неправильно); в — полное затекание (правильно);
/, 3 — фланец; 2 — прокладка..
В соединениях с затяжкой фланцев металл к металлу давление
сжатия прокладки определяется глубиной канавки или проточки
и толщиной прокладки в свободном состоянии. По этим данным
можно подсчитать деформацию прокладки в процентах, а затем
определить и действительное усилие сжатия.
Существуют и другие методы определения величины сжатия
прокладки. Например, напряжение в болте можно вычислить по
его удлинению (зная модуль упругости).
Сжатие прокладки. Некоторые прокладки обладают пори-
стостью. По этой причине они должны быть подвергнуты вполне
определенным усилиям сжатия, без чего такие материалы не могут
служить в качестве герметизирующих прокладок. Структура ма-
териала становится при сжатии более плотной, перекрывая путь
утечкам уплотняемой жидкости. Усилие сжатия обеспечивает
также полное соприкосновение поверхностей фланца и прокладки.
Материал прокладки должен заполнить собой все неровности со-
пряженных металлических поверхностей. Первоначальные зазоры
и щели между фланцем и прокладкой устраняются в такой сте-
пени, что предотвращаются утечки уплотняемой жидкости (фиг. 4).
Минимальные величины уплотняющих усилий сжатия различ-
ных типов неметаллических прокладочных материалов приведены
на фиг. 3. Эти значения могут быть превышены без опасности
212
нарушения целостности прокладки. Минимальные величины уплот-
няющих усилий в большинстве случаев обеспечивают достаточную
герметичность фланцевых соединений при низких рабочих давле-
ниях. Но требования, предъявляемые к таким соединениям, не
нормированы. Они бывают самыми различными, и могут встре-
титься такие соединения, где минимальное уплотняющее усилие
будет явно недостаточным для эффективного уплотнения. С дру-
гой стороны, уплотняющее усилие может оказаться и неприемлемо
большим. В этих условиях конструктор должен, полагаясь на
опыт, согласовать минимальную величину уплотняющего усилия
с особенностями данной конкретной конструкции.
Рабочее давление. Под воздействием внутреннего давления
уплотняемая жидкость стремится просочиться сквозь фланцевое
соединение. От величины рабочего давления зависит усилие за-
тяжки, необходимое для создания начального уплотнения. Встре-
чающиеся на практике величины рабочих давлений, рассматри-
ваемых как низкие, заполняют диапазон давлений, верхний пре-
дел которого, видимо, можно принять равным 7 кПсм2. Во многих
случаях уплотняемая жидкость не находится под избыточным
давлением. Часто встречаются давления в 1—2 ат. Для фланце-
вых соединений низкого давления минимальные значения уплот-
няющих усилий (фиг. 3) для обеспечения надежного уплотнения
рабочей жидкости достаточно высоки.
Высокие давления. Неметаллические прокладочные материалы
(на фиг. 3) могут быть использованы и при рабочих давлениях
свыше 7 кПсм?. Повышенные давления требуют, однако, более
значительных уплотняющих усилий и более жестких фланцев.
Для того чтобы на прокладку не накладывалось дополнительное
требование компенсировать деформации фланца, возникающие под
действием рабочего давления, жесткость фланцев должна быть
достаточно большой. С этой точки зрения взаимосвязь уплотняю-
щего усилия и рабочего давления не определена.
Один из методов расчета болтовых фланцевых соединений
изложен в правилах ASME для сосудов под давлением. Величина
рабочего давления участвует в нем как существенный фактор,
учитываемый в расчете. Вводится понятие удельного давления
при полной затяжке. Это — минимальное давление сжатия, кото-
рое требуется для плотного прилегания материала прокладки
к поверхности фланца. Его численное значение определяется
в основном из тех же соображений, что и минимальные уплотняю-
щие усилия сжатия (фиг. 3), с той лишь разницей, что последние
берутся достаточно высокими для уплотнения стыка в условиях
низких давлений. Наряду с удельным давлением методика ASME
учитывает еще и рабочее давление, вводя для этого коэффициент т.
Этот коэффициент показывает, какую дополнительную величину
удельного давления нужно создать при затяжке фланца, чтобы
компенсировать влияние рабочего давления. Следовать прави-
213
лам ASME необязательно. Применение их зависит от опыта
и оценки условий, даваемых конструктором.
Под действием рабочего давления могут возникнуть такие усло-
вия, когда прокладка выдавливается из фланцевого соединения.
Устранить эту опасность можно при конструировании несколь-
кими способами. Для резиновых прокладок следует брать резину
повышенной твердости. В случае сжимаемых материалов можно
увеличить начальное усилие затяжки. Необходимо обратить вни-
мание на чистоту фланцевых поверхностей.
Отжим фланцев. Рабочее давление может вызвать изгиб или
вздутие фланцев, особенно если они изготовлены из тонкого ли-
стового материала. Такая деформация фланца стремится оторвать
прокладку. Если сохранение начального уплотнения необходимо,
то сам фланец не должен служить причиной разгерметизации
стыка. В случае необходимости увеличения жесткости фланец
должен быть усилен.
Искажение формы фланца может быть четырех типов-, шерохо-
ватость поверхности, изгиб, непараллельность плоскостей и де-
формация вблизи болтовых отверстий. Неметаллические про-
кладки способны компенсировать небольшие искажения формы
фланца и надежно уплотнять стык. Но значительные отклонения
от нормы отрицательно скажутся на герметичности соединения.
Шероховатость поверхности. Герметичность фланцевого соеди-
нения достигается затеканием прокладочного материала во все
неровности уплотнительных металлических поверхностей и со-
зданием благодаря этому непроницаемой преграды для уплотняе-
мых веществ. Поэтому для эффективного уплотнения необходима
текучесть и сжимаемость прокладочного материала.
Создание минимальных уплотняющих усилий, приведенных
на фиг. 3, обеспечивает достаточное сжатие прокладки для ком-
пенсации шероховатости нормально обработанных поверхностей.
При очень грубых поверхностях следует увеличить затяжку бол-
тов, использовать прокладки другой толщины или более мягкие
прокладочные материалы.
Непараллельность. Если сопряженные поверхности полностью
затянутого фланцевого соединения не параллельны, то прокладка
в некоторых местах сжата слишком сильно, а в других слабо.
Это так называемый «перекос» фланца.
При низких давлениях непараллельность не играет особо важ-
ной роли, если, конечно, она не приводит к утечкам в местах недо-
статочного сжатия прокладки. Перекос фланца может возникнуть
при несоблюдении последовательности затяжки болтов или из-за
коробления самого фланца. Перекос устраняется при правильной
сборке соединения и увеличении усилия затяжки. Что касается
самой прокладки, то для предотвращения утечек иногда доста-
точно изменить ее ширину. Если обстоятельства требуют заменить
материал прокладки, то следует отдать предпочтение тем из них,
214
которые обладают большей сжимаемостью и требуют меньших
уплотняющих усилий.
Изгиб фланца наблюдается между центрами соседних болтовых
отверстий. Величина его зависит от материала и толщины фланца,
расстояния между отверстиями, усилия затяжки болта и материала
прокладки. Изгиб фланца способен вызвать большие утечки, чем
любое другое искажение формы.
Требуемое уплотняющее усилие в промежутке между болто-
выми отверстиями можно обеспечить различными мерами. Напри-
мер, увеличить усилие затяжки или повысить жесткость фланца.
Часто бывает необходимым увеличение количества болтов. Изме-
нение ширины или толщины прокладки также скажется на эффек-
тивности уплотнения. Если требуется изменить прокладочный ма-
териал, предпочтение отдается тому из них, который обладает
более высокой сжимаемостью и требует небольших уплотняющих
усилий. Конечно, уменьшить изгиб фланца можно, применив
менее сжимаемую или более жесткую прокладку, но тогда возра-
стет минимальное уплотняющее усилие сжатия. Жесткие про-
кладочные материалы требуют почти идеально ровных поверхно-
стей фланцев.
Деформации вблизи болтовых отверстий. Фланцы, изготовлен-
ные из листового материала, особенно подвержены таким дефор-
мациям. Обычно они проявляются одновременно с изгибом фланца.
Оба эти явления неразделимы. Деформация вблизи болтовых отвер-
стий указывает на значительные давления сжатия, локальная кон-
центрация которых в непосредственной близости к болтам приво-
дит к разрушению или выдавливанию прокладки. Выдавливание
не означает еще появления утечек, но нарушение целостности про-
кладки открывает прямой проход для уплотняемой жидкости,
даже если прокладка сжата необходимым усилием. Оба эти явле-
ния усугубляются в значительной степени присутствием масла
или консистентной смазки на уплотнительных поверхностях
фланца. Опасность разрушения прокладки может быть уменьшена
снижением усилий затяжки, более равномерной затяжкой,
удалением с поверхности следов масла или незатвердевшего клея,
изменением ширины прокладки, исключением предварительной
обработки прокладок в виде пропитки их или покрытия масля-
нистыми веществами, применением более жестких материалов,
если они обладают большей прочностью. При этом необходимо
проявлять осторожность, так как некоторые из перечисленных
мер могут снизить эффективность уплотнения. Иногда приходится
искать компромиссное решение.
Как правило, в любом фланцевом соединении редко встречается
какой-либо один из перечисленных случаев искажения формы,
почти всегда они наблюдаются совместно. Если в одной или не-
скольких точках по окружности фланца не достигается минималь-
ное уплотняющее усилие сжатия, искажение формы сказывается
215
на эффективности уплотнения. Если очень грубая обработка по-
верхностей фланцев, изгиб и непараллельность препятствуют со-
зданию начального уплотнения, то можно изменить толщину про-
кладки, применить другие материалы с большей сжимаемостью
или меньшей величиной минимального уплотняющего усилия.
Это, конечно, лишь основные вопросы, касающиеся выбора наи-
более рациональной конструкции.
Сохранение начального уплотнения- Начальное уплотнение не-
подвижного соединения должно сохраняться в течение определен-
ного периода времени. На сохранение начального уплотнения
влияют те факторы, которые действуют после окончательной сбор-
ки уплотнения в нормальных эксплуатационных условиях. На
работоспособности узла сказывается влияние рабочей темпера-
туры, со временем становится заметным снижение напряжений
в болтах, рабочие условия могут характеризоваться наличием
вибрации, уплотняемая жидкость оказывает химическое и физиче-
ское воздействие на материал прокладки. Все факторы, от которых
зависит сохранение достигнутой при сборке эффективности уплот-
нения неподвижного соединения, могут быть разбиты на три
группы: ослабление усилий в болтах, рабочая температура и окру-
жающие условия.
Влияние различных факторов на плотность стыка оценивают
путем сравнения с начальным уплотнением соединения. Важно
установить, ухудшает ли данный фактор плотность стыка или,
наоборот, улучшает, способствует ли он дальнейшей герметиза-
ции соединения или приводит к раскрытию стыка. В любом слу-
чае это влияние следует учитывать при создании конструкции
узла.
Снижение усилия затяжки. После того как фланцевое соеди-
нение обычной плоской конструкции окончательно собрано, на-
блюдается некоторое ослабление напряжений в болтах. Это озна-
чает, что уменьшается усилие сжатия прокладки. Поэтому сниже-
ние усилия затяжки ухудшает уплотнение и способствует раскры-
тию стыка. Следует стремиться по возможности ограничить вели-
чину снижения усилий сжатия.
Чтобы добиться этого, конструктор должен знать, от каких
параметров и величин зависит усилие в болтах. В их число входят:
величина начального усилия затяжки, длина болтов, различие
в коэффициентах линейного расширения материалов болтов и флан-
цев, длительность работы, температура, тип прокладочного мате-
риала и толщина прокладки.
Конструкция болтового фланцевого соединения. Первые три
параметра являются неотъемлемой характеристикой конструкции
металлических деталей, составляющих сборный узел. Начальная
затяжка болтов, начальное усилие сжатия прокладки и длина
болтов неразрывно связаны друг с другом, и для достижения опти-
мальных результатов их надо рассматривать совместно. Удлинение
216
болта под действием начального усилия сжатия прокладки пока-
зывает, каков запас упругой энергии в узле в момент окончания
сборки. В некотором смысле, это та энергия, которая компенсирует
снижение усилия затяжки. Действительно, правильным выбором
длины болтов и начального усилия сжатия прокладки в некоторых
конструкциях удается исключить почти все потери в усилии за-
тяжки.
Третий параметр представляет собой разность линейного рас-
ширения материалов болтов и фланцев, например, при затяжке
алюминиевых фланцев стальными болтами. При нагреве расшире-
ние алюминиевого фланца сдерживается стальными болтами с од-
ной стороны и прокладкой с другой. Прокладка оказывает сопро-
тивление дополнительному сжатию, возникающему от расширения
фланца, и поэтому нагрузка на болт возрастает. Следовательно,
при нагревании герметичность соединения повышается, при охла-
ждении затяжка фланцев ослабевает. Изменение напряжений
в болтах пропорционально разности температур и толщине алю-
миниевого фланца. Прокладка, подвергаемая подобным термоме-
ханическим эффектам, должна выдерживать колебания усилия
сжатия не проявляя при этом тенденции к выдавливанию. Вы-
давливание прокладки, как правило, указывает на снижение уси-
лия затяжки.
Рабочие условия- Четвертый и пятый из указанных выше пара-
метров входят в комплекс рабочих условий. Длительность службы
прокладки исчисляется с момента окончания сборки фланцевого
соединения. Остаточное усилие затяжки снижается со временем,
но в конце концов темп изменения замедляется, и затяжка далее
остается почти постоянной.
Влияние температуры на усилие затяжки всем хорошо изве-
стно. С увеличением температуры почти все неметаллические ма-
териалы размягчаются, прокладки не составляют исключения.
Поэтому нагревание усиливает такие явления, как ползучесть
материалов и снятие напряжений. При очень высоких температу-
рах это справедливо и для металлов.
Прокладка. Материал и толщина прокладки — последние два
параметра, оказывают сильное влияние на сохранение начального
усилия затяжки.
Температура.'Влияние температуры на начальное уплотнение
имеет очень сложный характер и до конца не изучено. Температур-
ные эффекты тесно переплетаются почти со всеми другими факто-
рами, которые включает в себя проблема создания эффективного
уплотнения. Если от соединения требуется стойкость по отноше-
нию к высокой температуре, то следует рассмотреть, как меры по-
вышения этой стойкости отражаются на сохранении усилия за-
тяжки и других параметрах уплотнения.
Во фланцевых соединениях на низкие давления умеренная
температура способствует уплотнению, т. е. герметичность сое-
217
динения повышается. Это можно объяснить некоторым размяг-
чением прокладки при небольшом нагреве. Размягченная про-
кладка в рабочих условиях легко затекает во все неровности на
фланцевых поверхностях, завершая герметизацию стыка, которая
быть может не была достигнута в процессе сборки.
Продолжительное воздействие более высоких температур при-
водит к затвердеванию многих прокладочных материалов. Но это
не связано с ухудшением уплотнения и не снижает положитель-
ного эффекта начального подогрева. Эффект необратим и достиг-
нутое улучшение эффективности уплотнения сохраняется даже
при охлаждении узла до температуры окружающей среды.
В то время, как умеренные температуры благоприятно сказы-
ваются на уплотнении, очень высокие их значения могут вызвать
полную разгерметизацию стыка. При определенных температурах
происходит обгорание или обугливание неметаллических мате-
риалов. Следовательно, температура может оказывать как вредное,
так и благоприятное воздействие на начальное уплотнение. По-
этому конструктор должен избегать опасных ситуаций, правильно
подбирая материал прокладок, способный сохранить начальное
уплотнение в рабочих условиях.
Прокладочные материалы имеют несколько более высокие
коэффициенты линейного расширения, чем большинство металлов,
из которых изготовляются фланцы и болты. В некоторых усло-
виях применения, где имеются быстрые колебания температуры
в широких пределах, особенно в конструкциях фланцев с канав-
кой под прокладку, это различие в коэффициентах линейного рас-
ширения может потребовать дополнительного рассмотрения. Про-
кладка должна обладать способностью сохранять начальное уплот-
нение в условиях переменных температур.
Повышение температуры в сильной степени способствует вы-
давливанию прокладки. Его может не быть при комнатной тем-
пературе, но при нагреве фланцев возможно выдавливание про-
кладки из уплотнительного стыка, чаще всего вблизи болтов. Вы-
давливание еще не означает снижение плотности соединения, по
крайней мере, до тех пор, пока не произойдет разрушение про-
кладки. Иногда выдавливание создает благоприятные условия
для отрыва кусочков вытесненной прокладки, которые могут быть
унесены рабочей жидкостью к регулировочным отверстиям или
точным механизмам.
Промышленность всегда интересовала температуростойкость
неметаллических прокладок. Это свойство материалов, конечно,
может оцениваться по-разному. Поскольку речь идет о влиянии,
которое температура оказывает на эффективность уплотнения,
очень трудно установить разумные интервалы рабочих температур,
общие для всех прокладочных материалов, применяемых в про-
мышленности. Требования к неподвижным соединениям, работаю-
щим при низких давлениях, как и условия их применения, весьма
218
разнообразны. Все это вносит некоторую неопределенность в су-
щество вопроса о пределах по температуре. Чтобы определить
действительные температурные границы применения материала,
конструктор должен исследовать работоспособность данного сое-
динения в конкретных рабочих условиях и экспериментально
определить влияние температуры на начальное уплотнение.
Окружающие условия. Прокладка окружена двумя фланцами,
уплотняемой жидкостью и снаружи окружающей средой. Между
материалом прокладки и внешним окружением должно быть до-
стигнуто полное соответствие.
Условия на поверхности фланцев. Большинство прокладочных
материалов проявляют адгезию к металлическим поверхностям
фланцев, величина которой зависит от длительности соприкосно-
вения, температуры и контактных давлений. На адгезию влияет
также и материал фланцев. Адгезия в значительной мере способ-
ствует сохранению начального уплотнения, поскольку крепко
приставшая к поверхности фланца прокладка может сохранять
герметичность соединения при очень высоких рабочих давлениях
даже при малых усилиях сжатия. Связующие вещества на основе
резин и другие вещества с успехом могут использоваться для повы-
шения скорости и надежности адгезии. Приставшие прокладки
независимо от того, каким образом произошла адгезия, затруд-
няют разборку фланцевого соединения. В некоторых условиях
это является недостатком. С этой точки зрения может появиться
необходимость так обработать прокладки, чтобы полностью исклю-
чить их тенденцию к адгезии.
Коррозия совершенно недопустима по целому ряду причин,
но ее влияние на начальное уплотнение изучено недостаточно
хорошо. Иногда коррозия появляется под воздействием вулкани-
зирующих агентов, ускорителей и влаги, которые входят в состав
прокладочных материалов. Некоторые материалы обладают ки-
слой реакцией, другие — щелочной. И те и другие способствуют
появлению коррозии.
Часто коррозия возникает в месте соприкосновения фланца,
прокладки и уплотняемой жидкости. Проникновение жидкости
между прокладкой и фланцами приводит к такой коррозии.
В большинстве случаев этого можно избежать созданием при за-
тяжке фланцев необходимых минимальных уплотняющих усилий
сжатия прокладки. Иногда прокладка может вызвать электроли-
тическую коррозию, особенно если в ее состав входят связующие,
обладающие гигроскопичностью, а фланцы изготовлены из раз-
ных материалов.
Создание достаточных усилий сжатия прокладки может пол-
ностью и не устранить электролитическую коррозию, но будет
способствовать снижению ее эффекта.
Влияние уплотняемой жидкости. Набухание или усадка про-
кладочного материала в какой-то степени сказывается на дли-
219
тельности сохранения эффективного уплотнения. Даже в тех со-
единениях, где контактные давления при затяжке достаточно ве-
лики, рабочая жидкость хотя бы немного проникает в прокладку.
Это пропитывание или смачивание (краевой эффект) представляет
собой обычное явление, которое в очень малой степени влияет на
эффективность уплотнения, и даже если влияет, то скорее поло-
жительно. Умеренное набухание прокладки может даже оказаться
очень полезным в тех узлах, где контактные давления ниже мини-
мальных уплотняющих усилий. Набухание компенсирует недо-
статочность затяжки и создает герметичность стыка, который в про-
тивном случае работал бы с утечкой. С другой стороны, чрезмер-
ное набухание может стать опасным, особенно если прокладка
слишком размягчается и размывается уплотняемой жидкостью.
Усадка тоже может привести к нежелательным эффектам. Она слу-
жит признаком снижения в прокладочном материале содержания
наполнителя или пластификатора. Это означает почти наверное
загрязнение уплотняемой жидкости. Потеря прокладкой напол-
нителя или пластификатора может привести к полной разгерме-
тизации уплотнения.
Влияние окружающей среды. Ультрафиолетовые лучи, озон,
насекомые и плесень — все это и многое другое моЖет входить
в комплекс окружающих условий, воздействующих на прокладку
с внешней стороны. Влияние этих факторов на начальное уплот-
нение порой не совсем ясно, но в ряде случаев их необходимо учи-
тывать.
Озон способствует растрескиванию и расслоению наружной
кромки прокладок, изготовленных из некоторых резин. Этот
эффект пропорционален усилию затяжки фланцев. Специальная
обработка поверхности прокладки препятствует образованию на
ней плесени.
Другие факторы. При рассмотрении различных характеристик
и работоспособности прокладок учитываются многие факторы.
Те из них, которые, по-видимому, определяют эффективность упло-
тнения неподвижных соединений, были рассмотрены выше.
Из остальных факторов, существенных для характеристики
прокладки с других точек зрения, следует отметить: электропро-
водность, теплопроводность, обработку прокладки, сопротивляе-
мость надрезам при очень узких фланцах, допуски на прокладку,
стабильность размеров и абразивостойкость.
Легко понять, что некоторые из этих факторов тесно связаны
с вопросами эффективности уплотнения.
Хотя выше требования к эффективности уплотнения и были
разбиты на несколько областей, но, решая проблему герметизации
стыка с помощью прокладок, следует учитывать все факторы в их
взаимосвязи, поскольку подчас случается, что изменение какого-
либо параметра в одной области может оказать влияние на фак-
торы, относящиеся к другим областям.
220
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОКЛАДОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ТИПЫ ПРОКЛАДОК
{Earl М. Smoley, Е. С. Frazier)
Выбор того или иного материала для использования в качестве
прокладки в конкретных условиях применения определяется сте-
пенью соответствия этого материала четырем основным требова-
ниям: непроницаемости, способности заполнять неровности уплот-
нительных поверхностей при
сжатии, способности сохра-
нять герметичностью течение
длительного времени, несмот-
ря на колебания температур
и давлений,стойкости в усло-
виях окружающей среды.
В настоящее время суще-
ствует бесчисленное множе-
ство типов, классов, марок и
сортов прокладочных мате-
риалов. Поскольку любая
прокладка компенсирует ше-
роховатость уплотнительных
поверхностей, все прокладоч-
ные материалы характеризу-
ются свойством сжимаемости
или уплотняемости под воз-
действием сжимающих уси-
лий (фиг. 1).
Степень деформирования
прокладки, необходимая для
достижения эффективного
уплотнения, зависит от обра-
ботки уплотнительных по-
верхностей и типа прокладоч-
ного материала. Вообще для
низких рабочих давлений применяются материалы с большим
процентом сжимаемости при заданных усилиях затяжки. В табл. 1
приведены свойства и условия применения различных материалов.
Минимальные контактные давления, необходимые при созда-
нии эффективного уплотнения, для наиболее распространенных
прокладочных материалов приведены в табл. 2. Относительная
стойкость материалов в обычных жидкостях отражена в табл. 3.
Многие материалы и комбинации их пригодны для использо-
вания в качестве прокладок, но самые распространенные могут
быть включены в следующие группы: асбестовые материалы, проб-
ка с резиной, пробка, резина с пластиками, бумага, кожа, сме-
шанные композиции.
Фиг. 1. Сжимаемость обычных прокладоч-
ных материалов при различных нагрузках:
/—пробка (протеиновый связующий материал);
2 — пробка (резиновый связующий материал);
3 — пробко-резиновый материал Mil* G-6183;
4 — пропитанная прокладочная бумага; 5—про-
резиненная асбестовая ткань; 6 — асбестовая
фибра с пропиткой резиной в ролле; 7 —асбес-
товая фибра: 8 — ткань, пропитанная резиной;
9 — листовой натуральный каучук; 10 — теф-
лон; И — тефлон с наполнением.
221
Таблица i
Свойства и применение прокладочных материалов
Материал	Свойства	Применение.
Прессованный асбест	Плотный долговечный материал. Сохраняет ста- бильность размеров. Плохо сжимаем. Обладает хоро- шей стойкостью в горячей воде и водяном паре. Стой- кость в среде масел и рас- творителей	обусловли- вается характеристиками каучуковых связующих	Тяжело нагруженные болтовые и резьбовые фланцевые соединения во- дяных и паровых магистра- лей. Предельная рабочая температура ,-260 J С
Пробко-рези- новые материалы	Непроницаемы	для жидкостей, упруги, сжи- маемы. Степень деформи- руемости под нагрузкой зависит от композиции. Обладают более низким, чем у резины, пределом прочности и относитель- ным удлинением. Химиче- ские свойства опреде- ляются свойствами базо- вого полимера. Дороже, чем пробковые или фиб- ровые материалы, но де- шевле чистой резины. Тен- денции к выдавливанию нет. Прокладки легко из- готовлять вырубкой. Вы- сокий коэффициент трения	Прокладки общего на- значения, за исключением паровых трубопроводов, камер сгорания и т. п. Допускается применение в конструкциях соедине- ний с затяжкой фланцев металл к металлу при на- личии строго ограничи- вающей канавки или про- 1 точки. Высокие усилия трения удерживают про- кладку на месте даже при косо направленных уси- лиях сжатия
Пробковые ма- териалы	Материалы общего на- значения. Различаются по связующим, текстуре и жесткости	(плотности). Сжимаемы. Высокое тре- ние сухих, влажных и смазанных поверхностей. Низкая стоимость. Пре- восходная стойкость в сре- де масел и растворителей. Недостаточная стойкость в отношении щелочей и корродирующих кислот	Применяется для уплот- . нения грубых неправиль- ных фланцев (например, из стекла), штампованных деталей, необработанных отливок. Низкая стои- мость при использовании для удержания масел при . нормальных температу- рах и невысоких давлениях
222
Продолжение табл. 1
Материал	Свойства	Применение
Резино-пласти- ковые материалы	Обладают различными характеристиками в зави- симости от композиции, твердости, упругости, кре- плении тканями и т. п. Как правило, непроницае- мы. Несжимаемы	В узлах и соединениях, где для сборки узла необ' ходимо провести проклад- ку над выступающими ча- стями или где требуется за- текание прокладки в ка- навку или резьбу. При требовании минимальных остаточных деформаций и максимальной стойкости по отношению к таким жид- костям, как щелочи, горя- чая вода и некоторые ки- слоты. Способность к фор- мованию	обеспечивает возможность применения их в специальных кон- струкциях и условиях сборки
Бумага необра- ботанная	Дешевая, не корроди- рует поверхности фланцев	Прослойки, пылезащит- ные и брызгозащитные ус- тройства. если допу- скаются	просачивание и газопроницаемость
Бумага обрабо- танная	Материал общего назна- чения с более высоким пределом прочности, чем у пробковых композиций, но с меньшей сжимаемо- стью. Хорошая стойкость в среде масел, бензина и воды, но цикличное чере- дование увлажнения и вы- сушивания у некоторых сортов может привести к усадке и отверждению	Механически	обрабо- танные или достаточно ровные фланцы при срав- нительно высоких усилиях затяжки. Твердость и вы- сокая прочность позво- ляют использовать тонкие прокладки, облегчающие точную сборку соединяе- мых деталей и крышек
Кожа	Гибкая, пористая, абра- зивостойкая, сохраняет эластичные свойства при очень низких температу- рах. Примененный способ дубления и пропитка яв- ляются очень важными параметрами. Допускает формование	простых форм — U- и V-образные манжеты	Широко применяется в подвижных уплотне- ниях и в качестве подклад- ных шайб для О-образных резиновых уплотнитель- ных колец при высоких рабочих давлениях. Не следует применять в соп- рикосновении с водяным паром, щелочами и ки- слотами
223
Продолжение табл. 1
Материал	Свойства	Применение
Комбинирован- ные материалы	Возможны бесчисленные варианты, отличающиеся материалами и способами их сочетания	Обычно применяются в критических условиях работы и для специальных целей
Таблица 2
Рекомендуемые величины уплотняющих давлений
Прокладочный материал	Мини- мальное уплот- няющее давле- ние в кГ/см*	Прокладочный материал	Мини- мальное уплот- няющее давле- ние в кГ/см*
Асбест со связующими, толщина:		Резина, твердость ниже 75 по твердомеру ....	0
3,2		112	Резина, твердость 75 или выше		14
1,6	 0,8		259 455	Резина с хлопковой тканью		28
Асбестовая ткань, про- резиненная:		Тефлон, толщина: 3,2			112
трехслойная 		154	2,4		140
двухслойная ....	203	1,6		259
однослойная ....	259	0,8		434
Пробковые материалы	31,5	Растительные волокна	77
Пробко-резиновые ма- териалы 		14		
224
Таблица 3
Стойкость прокладочных материалов в обычных средах
Уплотняемая среда (жидкость или газ)	Асбестовые материалы	Резино-асбестовые материалы			Пробковые материалы всех типов	Пробко-резиновые материалы					ЮИО)(	Натуральный каучук	Прокладочная бумага с клее-глицериновой пропиткой	Синтети- ческие резины		Тетрафтороэтилен
		Нитрильная ре- зина (буна N)	Стирольная ре- зина (буна S)	Хлоропрены (неопрены)		Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	Натуральный	каучук или сти- рольная резина (буна S)	Бутил-каучук				X лоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	
Ацетон ....	У	п	Н	У	У	у	П		у	у	п	П	Н	у	П	у
Ацетилен . . . Кислоты (неор-	У	У	П	У	п	У	У		н	У	н	У	П	У	У	У
ганические) . . .	н	п	П	п	п	п	п		п	п	п	п	п	п	п	у
Воздух .... Спирт — амило- вый, бутиловый, этиловый или ме-	У	У	У	У	п	У	у		У	У	У	У	У	У	у	У
тиловый ....	У	н	У	У	н	У	У		у	у	п	у	н	у	у	у
Щелочи . . .	н	п	п	п	п	п	п		п	п	п	п	п	у	у	у
Аммиак .... Животные жи-	У	У	У	У	п	п	п		п	п	У	п	н	У	У	У
ры и масла . . Бензол (сырой	У	У	н	У	У	н	У		У	н	У	У	У	н	У	У
бензол) .... Бензин (газо-	У	н	п	н	У	п	н		п	п	У	п	У	п	н	У
лин)	 Котельное топ-	У	У	п	н	У	н	У		п	п	У	п	У	н	У	У
ЛИБО для судов	У	У	н	н	У	н	У		н	п	у	н	У	н	у	У
Бутан ....	У	У	п	н	У	н	у		н	п	у	н	у	н	у	у
Бутилацетат	У	н	У	н	У	н	п		п	У	У	п	У	У	п	У
Продолжение табл. 3
Уплотняемая среда (жидкость или газ)	Асбестовые материалы	Резино-асбестовые материалы			Пробковые материалы всех типов	Пробко-резиновые материалы				Кожа	Натуральный каучук	Прокладочная бумага с клее-глицериновой пропиткой	Синтети- ческие резины		Тетрафтороэтилен
		Нитрильная ре- зина (буна N)	Стирольная ре- зина (буна S)	X лоропрены (неопрены)		Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	Натуральный каучук или сти- рольная резина (буна S)	o' ё; S [Д				Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	
Фенол ....	У	П	П	П	у	П	П	П	П	у	П	Н	Н	П	у
Двуокись угле-															
рода 	 Тетрахлорметан	У У	У Н	У п	У н	п у	У п	У у	у п	У п	У п	У п	У н	У п	У у	У V
Хлорораствори-															
тел и		У	н	п	н	У	п	п	п	п	п	п	н	п	п	у
Хлор		У	п	п	п	п	п	п	п	п	п	п	н	п	н	у
Крезол ....	У	п	п	п	у	п	п	п	п	п	п	у	п	н	у
Дибутилфталат . Жидкость для	У	У	У	н	У	п	п	У	У	п	п	У	п	II	У
химической чистки	У	V	п	н	У	п	п	п	п	п	п	у	п	п	у
Эфир		У	V	п	н	у	п	н	п	п	н	н	н	п	н	V
Этилацетат . .	У	н	У	н	У	У	п	у	у	у	п	у	у	п	у
Этиленгликоль	У	У	У	У	У	У	У	у	у	у	у	н	у	у	У 1
Формальдегид Тяжелое жид-	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У
кое топливо . . .	У	У	н	У	У	н	у	у	п	у	у	у	у	у	у
Светильный газ Бензин .... Бензин, содер-	У У	У У	п н	У У	н У	у н	У У	У У	п п	У У	У У	У У	У н	У У	У У
жащий ароматику	У	У	п	н	У	п	У	п	п	у	у	у	п	у	у
Глицерин . . .	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	п	У	У	У
Продолжение табл. 3
Уплотняемая среда (жидкость или газ)	Асбестовые материалы	Резино-асбестовые материалы			Пробковые материалы всех типов	Пробко-резиновые материалы				«5 * о X	Натуральный каучук	Прокладочная бумага с клее-глицериновой пропиткой	Синтети- ческие резины		Тетрафтороэтилен	।
		Нитрильная ре- зина (буна N)	Стирольная ре- зина (буна S)	Хлоропрены 1 (неопрены)		Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	Натуральный каучук или сти- рольная резина (буна S)	в 1 Бутил-каучук				Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	
Консистентные смазки .....	У	У	У	У	У	У	У	н	Н	У	У	У	У	У	У
Соляная кислота	н	п	п	п	п	п	п	п	II	п	п	п	н	н	у
Водород • . .	У	У	У	У	п	У	У	У	У	У	У	V	У	У	у
Перекись водо- рода 		У	п	п	п	п	п	п	п	п	У	п	н	У	У	у
Сероводород . .	У	У	У	У	п	н	н	н	У	У	н	н	У	У	У
Чернила . . .	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У
Керосин . . .	У	У	н	У	У	н	У	н	п	У	У	У	н	У	У
Лаки и разба- вители 		У	У	п	н	У	и—п	н—п	н—II	н—п	п	н—п	н	н—п	н—п	у
Смазочные масла	У	У	н	У	У	У	У	н	п	У	у	У	У	У	У
Ртуть		У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У
Хлористый ме- тил (хладоагент)	У	н	п	н	п	н	и	У	н—п	н	н	н	н	н	У !
Лигроин, камен- ноугольный де- готь 		У	У	п	н	У	п	н	п	п	У	н	У	п	и	1 У !
Нафта	У	У	н	н	У	н	У	п	п	У	У	У	н	У	У i
Азотная кисло- та, разбавленная	н	п	п	п	и	п	II	п	п	п	п	п	п	п	У
Продолжение табл. 3
Уплотняемая среда (жидкость или газ)	Асбестовые материалы	Резино-асбестовые материалы			Пробковые материалы всех типов	Пробко-резиновые материалы				Кожа	Натуральный каучук	Прокладочная бумага с клее-глицериновой прокладкой	Синтети- ческие резины		Тетрафтороэтилен
		Нитрильная ре- зина (буна N)	с Стирольная ре- зина (буна S) 1	Хлоропрены (неопрены)		1 Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	Натуральный каучук или сти- рольная резина (буна S)	: Бутил-каучук 1				Хлоропрены ! (неопрены)	1 Нитрильная ре- зина (буна N)	
Нитробензол Щавелевая ки-	У	П	П	П	П	П	П	П	П	У	П	У	П	П	У
слота 		н	У	У	У	У	н—У	н—у	н—V	н—у	п	н—у	п	Н	Н	У
Кислород . . .	У	У	У	У	и	У	У	У	У	У	У	н	У	У	У
Озон 		У	У	У	У	п	У	п	и	У	у	п	н	н—у	п	У
Краски ....	У	У	н	У	У	н	У	п	п	У	У	У	н	У	У
Нефть ....	У	У	н	У	У	н	У	н	п	У	У	У	н	У	У
Пропан .... Пропилен-гли-	У	У	п	У	п	У	У	У	У	У	У	У	у	У	У
КОЛЬ 		У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У	У
Мыло		У	У	У	У	н	н	н	и	и	У	н	У	У	У	у
Силикат натрия Спермацетовое	У	У	У	У	н	н	н	н	н	У	н	У	У	У	у
масло 		У	У	н	н	У	н	У	н	п	У	У	у	н	У	У
Пар 	 Сернистый ан-	У	п	п	п	п	п	п	п	п	п	п	п	н	н	У
гидрид 	 Серная кислота,	У	п	п	п	н	п	п	п	п	У	п	у	н	н	у
разбавленная . . Дубильная кн-	н	п	п	п	п	п	п	п	п	п	п	п	п	п	У
слота 		У	У	У	У	У	н—у	H—У	н—у	Н—У	У	и—у	У	н	и	У
Продолжение табл. 3
Уплотняемая среда (жидкость или газ)	Асбестовые материалы	Резино-асбестовые материалы			Пробковые материалы всех типов	Пробко-резиновые материалы					Кожа	Натуральный каучук	Прокладочная бумага с клее-глицериновой пропиткой	Синтети- ческие резины		Тетрафтороэтилен
		Нитрильная ре- зина (буна N)	Стирольная ре- зина (буна S) 		Хлоропрены (неопрены)		Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	1 Натуральный	каучук или сти- рольная резина (буна S)	Бутил-каучук				Хлоропрены (неопрены)	Нитрильная ре- зина (буна N)	
Деготь ....	у	У	У	У	Н	Н	Н		Н	п	У	Н	У	У	У	У
Толуол .... Трансформатор-	У	н	п	п	У	П	Н		П	п	У	Н	У	п	н	У
ное масло ....	У	У	п	У	У	У	У		Н	п	У	У	У	У	У	У
Трихлорэтилен	У	н	п	п	У	п	п		П	п	п	п	п	п	п	У
Скипидар . . .	У	У	п	н	У	п	У		п	п	н	У	У	п	н	У
Олифа .... Растительное	У	У	н	н	У	н	У		н	п	У	У	У	н	У	У
масло 		У	У	У	У	У	н	У		н	н	У	У	У	и	У	У
Вода 		У	У	У	У	н	н	н		н	н	У	н	н	У	У	У
Морская вода	У	У	У	н	н	н	н		н	и	У	н	н	У	У	У
Виски	. . . Древесный	У	н	У	У	н	У	У		У	У	У	У	н	У	У	У
спирт 		У	У	У	У	н	У	У		У	У	У	У	н	У	У	У
Ксилол ....	У	У	п	п	У	п	н		п	п	У	и	н	п	н	У
Обозначения: у — удовлетворительная, н — неплохая, п
Асбестовые материалы. Асбест представляет собой минераль-
ные волокна, состоящие в основном из силиката магния или двой-
ной соли (карбонат — силикат железа). В качестве прокладочных
материалов используются два вида асбестовых волокон.
Хризотиловый асбест — обычный белый асбест. Это — волок-
нистый минерал, состоящий в основном из силиката магния и при-
близительно 14% кристаллизационной воды. Он плохо противо-
стоит воздействию сильных минеральных кислот, но может при-
меняться в слабых кислотных и многих щелочных растворах.
Крокидолитовый асбест — обычно называемый голубым асбе-
стом. Этот материал представляет собой двойную соль (карбо-
нат — силикат железа), применяемую при изготовлении кислото-
упорных прокладок.
Асбестовые волокна сохраняют свою природную прочность до
400° С. При температурах выше этой наблюдается потеря кристал-
лизационной воды — процесс, который при 700° С протекает
почти мгновенно, и затем волокна легко истираются в порошок
при легком трении. Многие склонны рассматривать температуру
+260° С как разумный предел применения асбеста.
Асбестовые прокладки и материалы, включающие асбестовые
волокна, обнаруживают высокую стойкость по отношению к воз-
действию раздавливающих нагрузок и мало подвержены надре-
зам от узких уступов фланцев или их острых кромок. Асбест отли-
чается постоянством своих размеров. Однако в чистом виде асбест
обладает очень низкими прочностными характеристиками и высо-
кой пористостью. По этой причине асбест почти всегда употреб-
ляется в смеси с другими веществами. Для повышения прочности
он может смешиваться с металлическими или целлюлозными ни-
тями, для приобретения непроницаемости — с наполнителями и
связующими. Асбест проявляет хорошую смешиваемость, поэтому
он используется в качестве наполнителя в резино-пластиковых
составах (фиг. 2).
Основные асбестовые материалы. Главными прокладочными
материалами на основе асбеста являются:
плетеный асбест и асбестовая ткань. Волокна их могут быть
сотканы в ткань или другие формы, более мягкие, чем прессованные
листы и более удобные для пропитки специальными веществами;
картон и бумага. Эти материалы представляют собой почти
чистые асбестовые волокна, связанные крахмалом и сульфитами.
Асбестовый картон и бумага применяются как мягкий напол-
нитель кассетных неметаллических прокладок и других усилен-
ных конструкций. Прокладки под головки цилиндров автомобиль-
ных двигателей — одна из наиболее важных областей применения
этих материалов.
Резино-асбестовые материалы. Это •— прессованный асбест, а
также некоторые другие виды листового асбеста с аналогичными
физико-механическими свойствами и областью применения.
.30
Фиг. 2. Структура асбеста:
а — асбестовые волокна Х100; б — асбестовые волокна покрыты резиной
по обычной технологии; а—асбестовые волокна с пропиткой резиной в ролле.
231
Листы резино-асбестовых материалов отличаются по внешнему
виду в зависимости от способа и технологии их производства.
Прессованный асбест получают каландрованием асбестовой волок-
нистой массы в смеси с каучуковым клеем. Он имеет ярко выра-
женную волокнистую структуру и при внимательном рассмотре-
нии можно обнаружить пучки неразрозненных асбестовых воло-
кон. Готовый продукт отличается твердостью и жесткостью, малой
текучестью и стабильностью линейных размеров.
С помощью некоторых других способов — таких как обра-
ботка асбестовой бумаги латексом или пропитка асбестового кар-
тона резиновыми смесями, можно получить прокладочные мате-
риалы аналогичных характеристик, но менее жестких и более эла-
стичных.
Обработка асбестовых волокон полужидкими каучуковыми
добавками перед изготовлением листов, известная обычно под
названием «пропитка в ролле», является сравнительно новым
процессом, который позволяет получить более высококачествен-
ные материалы с однородной структурой и ненаправленным рас-
положением волокон, с повышенной эластичностью и хорошими
упругими свойствами.
Асбесто-резиновые смеси могут быть приготовлены с натураль-
ным каучуком или с любой из синтетических резин. При исполь-
зовании натурального каучука или резины GR-S материал не
может считаться маслостойким. Применение неопрена позволяет
получить маслостойкие материалы, а нитрильные резины в еще
большей степени повышают их стойкость в среде масел и аромати-
ческих топлив. Содержание резины составляет, как правило,
10—25% от общего веса.
Прессованный асбест лучше применять при высоких усилиях
затяжки болтового соединения, в этом случае происходит доста-
точное уплотнение структуры, что делает материал непроницае-
мым. По сравнению с более текучими прокладочными материалами
прессованный асбест требует значительных усилий сжатия, не-
обходимых для заполнения всех микронеровностей фланцевых
уплотнительных поверхностей, применяется он в сравнительно
тяжелых массивных конструкциях с жесткими фланцами и мощ-
ными болтами.
Прессованный асбест обладает низкими эластичными свой-
ствами. После затяжки болтов, когда прокладка плотно легла
в канавку и заполнила собой все микронеровности поверхностей
и другие погрешности формы, асбест вряд ли проявляет лучшую
текучесть, чем сами металлические фланцы.
Стоимость- Листы из резино-асбестовых материалов выпу-
скаются различных сортов и стоимость их колеблется в широких
пределах. Цена определяется стоимостью различных типов при-
меняемых резин и содержанием минеральных волокон. Резино-
асбестовые материалы выпускаются в листах, рулонах или в виде
232
высеченных в штампе изделий. В продаже имеются листы разме-
ром 3000 на 3000 мм, 3800 на 3800 мм, а также листы размером
1000 на 1000 и 1250 на 1250. Ленты имеют обычно ширину от
600 мм и выше и скатываются в рулоны с общей площадью поверх-
ности от 21 до 42 ju2. Минимальная толщина листов обычно состав-
ляет 0,8 и 1,6 мм- При изготовлении прокладок не требуется боль-
шая толщина листа, чем 6,5 мм-
Плетеный асбест и асбестовая ткань. Асбестовые волокна
можно спрясти в нити, а из них соткать ткань или сплести шнуры.
Шнуровой асбест иногда усиливается металлическими проволоч-
ками или хлопковыми нитями.
Но упрочнение асбеста снижает
его теплостойкость. Плетеный
асбест частично подвергается
пропитке смазочными вещест-
вами и прографичивается. Асбес-
товые ткани изготовляются как
из белого, так и голубого асбеста,
но последний применяется в ос-
новном в трудноуплотняемых,
кислотных средах.
Плетеный асбест употреб-
ляется в качестве набивки саль-
ников. Для этой цели он выпус-
кается в виде спиралей или
разрезных колец. Из тканей мо-
гут быть вырублены детали раз-
Фиг. 3. Структура пробки. Х200.
личных размеров и конфигура-
ций, обычно они подвергаются
обработке резиновыми смесями,
складываются и прессуются в кольца круглой, овальной, квад-
ратной и других нужных форм.
Асбестовые ленты получают складыванием ткани. Кольцевые
полые прокладки, применяемые в котельных установках для
герметизации крышек люков, входных отверстий, печных две-
рец ит. п., изготовляются из асбестовых тканей.
Пробка и резина. Это материалы с очень разными свойствами.
Пробка—пневматически сжимаемый материал, поскольку каждый
пузырек воздуха окружен непроницаемой пленкой. При сжатии
прокладки пузырьки работают как пневмопружина, давление
в пузырьках увеличивается, объем их уменьшается. Под нагруз-
кой объем ее уменьшается, причем текучести при этом почти не
наблюдается (фиг. 3), пробка превосходно восстанавливает свой
первоначальный объем при снятии напряжений. Резина несжи-
маема, так как никакого изменения объема под давлением не про-
исходит. Под воздействием усилий резина течет в свободных на-
правлениях.
233
Пробко-резиновые прокладочные материалы получают вулка-
низацией смеси натурального или синтетического каучука и обыч-
ных ингредиентов, перемешанных с пробкой. Из синтетических
резин используются чаще всего нитрильные резины, GR-S и не-
опрены. Пробку лучше сочетать с такими резинами, которые вул-
канизуются при умеренных температурах.
Такие характеристики пробко-резиновых материалов, как теку-
честь и сжимаемость, могут быть получены самыми различными
в широких пределах от сжимаемости пробки до свойств чистой
резины. В большей степени они определяются относительным
содержанием пробки и резины, но могут зависеть также и от раз-
мера пробковой крошки.
Пробка почти совсем не подвержена воздействию продуктов
переработки нефти и может придать материалу свойство инерт-
ности и стойкости в отношении набухания. Она не изменяет своих
характеристик со временем.
Связующие на основе резин образуют непрерывную фазу (мат-
рицу) смеси и поэтому делают ее непроницаемой для газов и жидко-
стей. Для полного соприкосновения поверхностей уплотнитель-
ных торцов фланцев и пробко-асбестовой прокладки практически
не требуется существенных усилий затяжки.
Прокладки из пробко-асбестовых материалов удерживаются
в стыке между фланцами даже при наличии следов масла или дру-
гой смазки, так как этот материал не обладает заметной текучестью,
а крупинки крошки, выходящие на поверхность, препятствуют
скольжению прокладки. Эластичные свойства достаточно высоки
при нормальных температурах, но под воздействием повышенных
температур и давлений в течение длительного времени наблю-
дается некоторая усадка. Пробко-резиновые материалы при дли-
тельном соприкосновении с металлическими поверхностями про-
являют сильные адгезионные свойства-
Химическая стойкость пробко-резиновых материалов опре-
деляется в основном типом примененной резины. Пробку не сле-
дует использовать в крепких щелочных и кислотных средах. В вод-
ных растворах пробко-резиновые материалы набухают. Но это
происходит по причине снятия механических напряжений сжатия
пробковой крошки, которые возникли в процессе изготовления,
и не свидетельствует об ухудшении свойств прокладки.
Пробко-резиновые материалы рекомендуется применять при
температурах ниже +70° С. В некоторых случаях они удовлетво-
рительно работают вплоть до +120° С. Материалы на основе неко-
торых новых синтетических резин типа полиакриловых эфиров
могут быть использованы при температурах свыше +150° С.
Стоимость. Благодаря широкому разнообразию составов
пробко-резиновых материалов, отличающихся друг от друга про-
центным содержанием в них пробки и резины, а также типом при-
меняемой резины, существует обширный диапазон цен.
234
Композиции на основе регенерированной резины стоят много
дешевле, чем материалы, полученные с использованием дорого-
стоящих синтетических резин. Пробко-резиновые материалы не-
сколько дороже пробковых и растительных волокнистых листо-
вых уплотнительных материалов, но почти равны по цене или
даже дешевле, чем высококачественные резино-асбестовые компо-
зиции. Они дешевле высококачественной листовой чистой резины
того же состава.
Особенности производства изделий из пробко-резиновых мате-
риалов могут оказать существенное влияние на их стоимость.
Плоские кольца легко могут быть нарезаны из пробко-резиновой
трубы и обойдутся дешевле, чем вырубленные из листов пробко-
вых и других прокладочных материалов на основе растительных
волокон. По сравнению с резиновыми прокладками стоимость
прокладок из пробко-резиновых материалов может быть менее
высокой, при соответствующих партиях продукции эти материалы
допускают высечку в штампах и механическую обработку с такими
затратами, что производство их оказывается выгоднее, чем инди-
видуальная формовка прокладок.
Пробко-резиновые материалы чаще всего выпускают в виде
листов, отрезанных от блоков. Стандартные размеры 915x915 мм
при любой толщине — от 0,8 до 12,7 мм и выше.
Существуют различные виды лент и полос. Одной из интерес-
ных форм являются пенистые материалы, усиленные с одной сто-
роны тканью, на которую нанесено покрытие с высокой адгезион-
ной способностью при повышенных давлениях. Характерные свой-
ства пробки и резины лучше всего сохраняются при изготовлении
прокладок из полуфабрикатов высечкой в штампах или механи-
ческой обработкой.
Пробка имеет скорее клетчатую структуру, нежели волокни-
стую. Эти очень мелкие клеточки содержат воздух, окружены
целлюлозной пленкой и склеены природной смолой. Под воздей-
ствием давления происходит сжатие пузырьков воздуха и возни-
кает деформация почти исключительно в направлении приложен-
ного усилия.
Пробка не содержит капилляров, легка по весу, не изменяет
своих свойств со временем, практически инертна и обладает высо-
ким коэффициентом трения. В природном необработанном виде
пробка может сильно различаться по структуре, качеству и раз-
мерам, использовать ее целесообразно в сочетаниях с другими мате-
риалами.
Пробковые композиции получают смешением пробковой крошки
с подходящими связующими, подвергая смесь давлению и нагреву.
Благодаря своей мягкости, сжимаемости, непроницаемости в отно-
шении жидкостей пробковые составы находят широкое применение
в качестве прокладок для уплотнений технологических аппаратов,
работающих при умеренных температурах и низких рабочих давле-
235
ниях. Пробковые прокладки полезно применять в легких кон-
струкциях фланцевых соединений с большим шагом расположения
болтов, т. е. в условиях, где изгиб фланца неизбежен. Другой рас-
пространенный случай применения пробковых материалов — это
фланцевые соединения стеклянных и керамических деталей с ме-
таллическими. Допуски в таких сборных узлах очень велики
и пробка может смягчить ударные нагрузки, опасные для стекла
и керамики.
Характеристики. Размер пробковых крупинок мало сказы-
вается на различии физических свойств различных композиций.
В обычных пробковых прокладочных материалах содержание
пробки и связующих составляет соответственно 70 и 30%. В каче-
стве связующих берутся пластифицированный протеин (клее-
глицериновый состав) или смолы. Протеиновые связующие пред-
почтительны, поскольку они отличаются более высокой стабиль-
ностью эластичных свойств, сжимаемости и линейных размеров.
Смоляные связующие обладают большей стойкостью в отношении
плесени, кислот и атмосферного воздействия. Объемный вес проб-
ковых материалов зависит от того, какое количество рыхлой смеси
сжимается в форме до определенного объема. Предел прочности
при растяжении меняется прямо пропорционально плотности ма-
териала, а сжимаемость — обратно пропорционально ей.
Объемный вес пробковых материалов лежит в пределах от 224
до 480 кг/м3. Для специальных условий применения изготовляются
материалы с удельным весом 160, 190 и 640 кг/м3.
Пробковые прокладочные материалы имеют светлый рыже-
вато-коричневый или темно-желтый цвет и иногда неправильно
называются пробковым картоном. Пробковый картон представ-
ляет собой красновато-коричневый легкий материал, выпускае-
мый в плитах и применяющийся в качестве изоляции в низкотем-
пературных установках. Для тонких деталей он слишком хрупок
и не пригоден для изготовления прокладок. Природные смолы,
подвергнутые активации при высоких температурах, являются
единственным связующим материалом в пробковом картоне. Проб-
ковые прокладочные материалы всегда содержат и другие допол-
нительные связующие.
При уплотнении жидкостей пробковые материалы достаточно
непроницаемы в условиях невысоких рабочих давлений. Однако
при отсутствии жидкости пробка обнаруживает слабую проницае-
мость в отношении воздуха и газов, что обусловлено наличием мел-
ких пор, которые не закрылись полностью при изготовлении мате-
риала или сборке соединения.
Пробка — очень упругий материал и продолжает поддержи-
вать противодавление сжатия даже через длительные промежутки
времени. Этому способствует набухание края пробковой про-
кладки в среде большого числа жидкостей. Набухание высвобо-
ждает силы сжатия, возникшие при прессовании материала
236
в процессе его изготовления. При рабочих температурах свыше
70° С наблюдается остаточная усадка прокладки.
Пробковые материалы стойки в среде масел и ароматических
растворителей. Они не очень хорошо переносят контакт с водой
и довольно быстро распадаются в щелочных растворах. Пласти-
фикаторы довольно легко вымываются водой, а цикличное высу-
шивание и увлажнение приводит к появлению усадки и отвер-
дению.
Присущие пробковым материалам влажность и кислотность
могут вызвать коррозию алюминиевых и магниевых сплавов и,
в некоторой степени, нержавеющих сталей. Пробка в сочетании
с протеиновыми связующими очень плохо сопротивляется разви-
тию грибковых образований и, наоборот, очень хорошо, если в ка-
честве связующего материала взяты фенольные смолы. Защитить
поверхность от плесени можно специальной внешней пропиткой
готовых деталей. Фунгициды, вводимые в связующие, не прони-
кают внутрь пробковых крошек, а поэтому поверхность среза не
является защищенной.
Пробковые материалы — это самые дешевые из эффективных
мягких прокладочных материалов. Простая бумага и тряпичный
картон имеют, правда, еще более низкую цену, но во многих слу-
чаях применять их нельзя.
Отходы при производстве изделий могут отразиться на сравни-
тельной характеристике прокладочных материалов по стоимости.
Например, кольца, нарезанные из трубных заготовок резиновых
и пробко-резиновых материалов, могут оказаться дешевле, чем
вырубленные из плоского листа пробки. Другой пример: очень
редко можно применить пробковые прокладки толщиной менее
1,6 мм, в то время как в этих же условиях удается использовать
фибровые прокладки толщиной 0,8 мм. Это обстоятельство может
иногда изменить соотношение цен в пользу фибры.
Прокладки из пробковых материалов изготовляются обычно
вырубкой (высечкой в штампах). Формы прокладок, которые не
удается получить простой вырубкой, приходится изготовлять с по-
мощью механической обработки, включая распиловку, отрезку,
зачистку, шлифование, расточку и сверление. Некоторые фирмы
разработали специальное оборудование для производства из проб-
ковых материалов дисков, лент, труб, прутков брусков и даже
бесконечных лент (рулонов), но все это выпускается для специаль-
ных целей, а не для изготовления прокладок.
Пробка не течет под давлением, и для размягчения клетчатки
и усадки связующих требуется значительный нагрев. Поэтому
экономически оправдано изготовление из пробковых материалов
методом формования только деталей самых простых конфигураций.
Полуфабрикаты часто представляют собой плиты или блоки тол-
щиной в несколько дециметров; от блоков в дальнейшем отрезаются
листы любой требуемой толщины. Размеры листов могут быть
237
самыми различными, площадь их поверхности обычно лежит в
пределах от 0,55 до 1,10 м2.
Резина. Термин «резины» охватывает ряд эластомеров, каждый
из которых в смеси с другими веществами способен дать большое
количество разнообразных материалов. Отличия в свойствах этих
материалов большей частью касаются химической и температурной
стойкости и степени растворимости в рабочих средах. Основные же
параметры, необходимые при конструировании и расчетах, явля-
ются общими для всех видов резин и резиноподобных пластиков.
Общие свойства и прочие характеристики натурального кау-
чука и материалов на основе синтетических резин приведены
в табл. 4. Каждая резина, однако, обладает некоторыми характе-
ристиками, на которых следует остановиться подробнее.
Каучук или натуральная резина. Составы на основе натуральной
резины плохо работают в среде нефтяных масел и топлив — на-
бухают и размягчаются. Чрезмерное набухание вызывается также
скипидаром, сернистым углеродом, хлороформом и четыреххлори-
стым углеродом. Растительные же масла вызывают умеренное ее
набухание. Глицерин, этиленгликоль и простая вода вызывают
лишь ничтожное набухание. Вулканизированные смеси могут
обладать стойкостью в слабых растворах большинства неоргани-
ческих кислот, солей и щелочей. Смеси с натуральным каучуком
выдерживают постоянное воздействие температур до -Д 70° С и крат-
ковременное до +120° С. Эластичность сохраняется при низких
температурах вплоть до —55° С.
Бутил-каучук. Этот сополимер изобутилена и изопрена обладает
превосходной стойкостью в среде растительных масел и в разбав-
ленных органических кислотах и щелочах. Высокая газонепрони-
цаемость способствует широкому распространению. Диапазон
предельных рабочих температур составляет от —55 до 4-120° С.
Однако вулканизированный бутил-каучук имеет худшие свойства
в отношении усадки при сжатии и стойкости в растворителях.
Как прокладочный материал он получил ограниченное применение.
Стирольные резины- Эти резины общего назначения известны
под названием буна S или GR-S. Они являются сополимерами
бутадиена и стирола и производство их в части ингредиентов
смесей, технологических методов и способа вулканизации анало-
гично производству составов на основе натурального каучука.
Акрилонитрильные резины. Сокращенное название — «ни-
трильные» резины, их называют также буна N. Это — сополимер
бутадиена и акрилонитрила. Вулканизированные составы обла-
дают хорошими физическими свойствами, теплостойкостью и не-
обычайно высокой стойкостью по отношению к набуханию в неф-
тяных маслах, топливах и растворителях. Нитрильные резины
обладают антиадгезионными свойствами, в то время как другие
резины проявляют зачастую сильную адгезию к металлическим
поверхностям.
238
Таблица 4
Свойства промышленных синтетических резин
Свойства	Натуральный каучук	Бутадиеновый каучук (буна S GR-S)	Бутадиен (бу- на N)акрило- нитрилы		Неопрены		Бутил-каучук	Тиоколы		Силиконовые резины	Полиакрилаты
			S s А а 5 га Г* _ £ и к а	S S . га Л 40 о га S Q X К	Z О га с X	£ л X S		ьй.	от га а S		
Удельный вес (чистой смеси)	 Предел прочности при растяжении в кГ/см2'. чистой смеси 	 усиленной резины 	 Удлинение (% максимальное) 	 Сопротивление надрыву 	 Сопротивление старению: в среде озона 	 в окислительной среде 	 при воздействии тепла	 при складском хранении 	 Сопротивление усадке при сжатии 	 Мас лостой кость: для масел с низкой анилиновой точкой 	 для масел с высокой анилиновой точкой .... Бензиностойкость: для ароматических бензинов 	 для неароматических бензинов 	 Кислотостойкость: в слабых растворах (ниже 10%)	 в концентрированных кислотах, за исключением азотной и серной 	   Стойкость в щелочной среде: в слабых растворах (ниже 10%)	-	. . в концентрированных 	 Морозостойкость	 Непроницаемость по газам 	 Влагостойкость 		0,92 210 315 700 х—п х—у X X п II п п X X—у у У X	0,94 28 210 500 у—п п X—п X—у X п п п п х—у X У У ох	0,98 42 245 600 У п х—п X ох о X п У X X X У у У ох	0,98 42 245 600 У п X—п X ох X о X о у У у	1,23 245 245 600 X о о—х ох ох У У X п X У X X У	1,23 245 245 600 X о 0—X ох ох X У п X X У X X У X У	0,92 210 210 700 X о О—X X О X—у п п п п О О X X О	1,34 21 105 400 у — п о о—X п X п о 0 О о У У п п У X у	1,34 21 105 400 у — п о 0—X п X п о о о О У п и У X У	0,98 14—32 *300 ’ У о о о О о п п п У У у II о X У	1,1 '175 * 500 У ох ох о ох х-п О о о О У У п п и п
Обозначения: о — отличная, ох — очень хорошая, >			— хорошая, у		— удовлетворительная,			п — плохая.			
Хлоропрен. Более известен под названием неопрена; эта резина
является полимером хлоробутадиена. Составы на ее основе можно
получать с использованием натурального каучука, но при вулка-
низации не требуется введения серы. Хлоропрены легче обрабаты-
ваются, чем нитрильные резины, детали из них прочнее и более
стойки в отношении озона и действия тихого разряда, хотя в среде
масел и топлив химическая стойкость их не так высока. Тепло-
стойкость их также ниже.
Полисульфидные каучуки. Известны под названием «тиоколовые
резины»; эти материалы более термопластичны и менее тепло-
стойки, чем другие синтетические резины, и характеризуются
сильным запахом. Из всех выпускаемых промышленностью резин
тиоколы наиболее стойки в различных растворителях. Однако
в полярных жидкостях они имеют показатели хуже, чем нату-
ральные каучуки и GR-S.
Силиконовые резины обладают теплостойкостью и сохраняют
эластичные свойства при низких температурах. У них превосход-
ные диэлектрические свойства и высокая стойкость в отношении
окисления и атмосферных воздействий. Силиконовые резины хо-
рошо работают в маслах с высокой анилиновой точкой и не вы-
держивают воздействия масел с низкой анилиновой точкой,
а также ароматических и неароматических бензинов. Силиконы
разрушаются в контакте с паром под давлением. Они имеют более
низкие характеристики, чем у других резин, как, например,
предел прочности при растяжении, износостойкость, относитель-
ное удлинение и абразивостойкость. Следовательно, разумно
ограничить применение силиконовых резин областью неподвижных
соединений и теми случаями, где диапазон рабочих температур
очень широк (от —75 до +200 С).
Особым достоинством силиконовых резин является отсутствие
адгезии к металлическим поверхностям при высоких температурах,
и в то время как по многим другим физическим и химическим
свойствам они совершенно аналогичны фтороэтиленовым термо-
реактивным смолам, по своим характеристикам в отношении
сжимаемости, растяжимости, формуемости и способности к вул-
канизации они ближе к обычным резинам.
Характеристики резин. Резины несжимаемы. Они могут быть
деформированы с той или иной степенью легкости, которая зависит
от твердости материала и величины поперечного сечения, но на-
стоящие резиновые составы не изменяются в объеме. Следова-
тельно, необходимо предусматривать свободное пространство для
обеспечения возможности деформации резины. Или, наоборот,
резиновая деталь полностью или частично заключается в ограни-
ченное пространство с тем, чтобы под нагрузкой деформация не
превысила определенных величин.
Резина растяжима. Как и в предыдущем случае, это свойство
можно рассматривать с разных точек зрения. С одной стороны,
240
облегчаются некоторые конструктивные проблемы, с другой —
при конструировании и монтаже появляется необходимость кон-
троля еще одного параметра. Растяжимость резины очень ценна
при сборке, когда необходимо провести прокладку над выступами
или создать предварительное обжатие поверхности канавки. За
исключением некоторых пластиков, лишь резины обладают свой-
ством растяжимости. В то же время очень большое удлинение
резины вызывает опасность появления чрезмерных напряжений,
из-за которых в прокладке может возникнуть остаточная дефор-
мация.
Резины характеризуются высокой непроницаемостью. В этом
отношении особенно отличаются неопрены и бутил-каучуки. Для
полного соприкосновения поверхностей резиновой прокладки
с уплотнительной поверхностью фланцев достаточно очень неболь-
ших усилий сжатия. Наиболее часто применяемые резины имеют
твердость HS 80. Для составов с твердостью выше HS 80 величина
требуемых контактных давлений при затяжке фланца примерно
такая же, как и в случае резино-асбестовых листовых материалов.
Резина достаточно эластична, чтобы компенсировать изменение
формы фланца. Лучшими резинами для изготовления прокладок
считаются резины с малой остаточной деформацией при сжатии.
Если резиновая прокладка не утоплена в канавке, при повторном
подтягивании она может выйти из уплотняемого стыка или разор-
ваться от чрезмерных напряжений.
Резиновые материалы, за исключением силиконовых, рекомен-
дуется применять при температурах не выше +70 С. Сохранение
эластичных свойств при низких температурах является характе-
ристикой, которая меняется в широких пределах в зависимости
от типа базового каучука, однако состав смеси и особенно пласти-
фикаторы также оказывают значительное влияние на эту характе-
ристику. Благодаря отсутствию у резин способности поглощать
и удерживать влагу, они не вызывают коррозии фланцев, но в слу-
чае применения некоторых металлов на поверхности их может
появиться коррозия или другие дефекты, обусловленные наличием
в резиновой смеси различных ингредиентов. Например, серебро
при соприкосновении с резиной, в состав которой входит сера,
покрывается пленкой окислов и тускнеет.
Изделия из резины, их применение. Резиновые материалы це-
лесообразно применять в таких конструкциях, где величина их
деформации строго контролируется. Обычные типы простых флан-
цевых соединений, в которых прокладка непосредственно под-
вергается сжимающим усилиям, не используют наилучшим обра-
зом уникальные свойства резин.
Листовая резина сплошная. Многие фланцевые соединения тру-
бопроводов и систем, заполненных водными растворами при уме-
ренных давлениях и температурах, собираются на резиновых
прокладках. При отсутствии в уплотняемой среде нефтяных масел
16 Дж. А. Паркс и др.	241
широко применяются натуральные каучуки, известные под на-
званием красной резины. Они содержат большое количество на-
полнителя, а поэтому не обнаруживают заметной тенденции к вы-
давливанию или растеканию при сжатии. Прокладки из материа-
лов с невысоким содержанием инертных наполнителей будут
выдавливаться из фланцевого стыка, если они слишком толсты,
пережаты или если уплотнительные поверхности фланцев замас-
лены. Деформируемость листовой резины под нагрузкой изме-
няется в зависимости от размеров прокладки — толщины и ши-
рины ее. Это усложняет расчет конструкций. За исключением
очень тонких листов, вырубка резиновых прокладок не может
быть выполнена без конусности поверхности по наружному и
внутреннему диаметрам, что недопустимо в некоторых приме-
нениях. При вырубке из тонких листов резиновых прокладок
легкая деформируемость материала может помешать изготовлению
точных деталей.
Чтобы устранить деформацию материала, иногда применяют
тканевые прослойки.
Листовая резина губчатая. Из двух разновидностей губчатой
резины — с замкнутыми и с сообщающимися ячейками первая
имеет ряд преимуществ, если применять ее в качестве прокладок.
Одним из очевидных доводов в пользу этого положения может
служить неспособность этой резины впитывать влагу. Обе разно-
видности губчатых резин частично решают проблему создания
сжимаемых резиновых материалов, которые вели бы себя под
нагрузкой подобно пневматическим пружинам. Применение губ-
чатых резин аналогично использованию пробковых материалов.
Особенно удобно применение их для уплотнения стыка между
хрупкими и неровными деталями. Рабочие давления, допускае-
мые прокладками из губчатой резины, довольно низки и основное
назначение их следует видеть в предохранении внутренних поло-
стей устройств от попадания влаги и пыли.
Формованные резиновые прокладки. Наилучшего использования
резины как прокладочного материала удается добиться изготов-
лением из нее деталей со специальной формой поперечного сече-
ния, что осуществляется техникой формования или выдавли-
вания. Одной из наиболее удачных стандартных формованных
прокладок является О-образное уплотнительное кольцо (см.
гл. 13).
Роль сдерживающего фактора в применении формованных ре-
зиновых прокладок играет их стоимость. Метод формования может
оправдать себя при изготовлении больших количеств прокладок
и за счет снижения отходов материала.
Отрезные прокладки. Легко изготовить резиновые кольца
с квадратной или прямоугольной формой поперечного сечения
нарезанием их на станке из трубной заготовки и при сборке
соединения деформировать эти кольца в прокладки с различными
212
формами поперечного сечения, например треугольными й ромбо-
видными. Такой способ более гибок, а прокладки обходятся
дешевле покупных формованных колец.
Машинное изготовление резиновых прокладок. Резиновые де-
тали могут изготовляться механической обработкой: отрезка,
шлифовка, вырубка, зачистка и т. д., но такой способ производ-
ства применяется не часто, если необходимо небольшое количество
прокладок. К механической обработке прибегают и в тех случаях,
когда выгоднее купить стандартные детали массового производ-
ства и путем несложных операций, как, например, снятием фаски
с помощью шлифования, изготовить из них нужные изделия.
Фтороэтиленовые полимеры. Они известны под наименованиями
тефлонов, Kel-F, фторотенов и отличаются целым рядом необыч-
ных свойств. Сюда входят: химическая инертность, жесткость
в широком температурном диапазоне, стойкость по отношению
к высоким температурам, чрезвычайно низкие диэлектрические
потери в широком спектре частот, стойкость в отношении почти
всех растворителей.
Тефлон TFE обладает превосходными физическими свойствами
и может применяться в более широком диапазоне рабочих темпе-
ратур, чем Kel-F, но последний дешевле и обладает лучшей техно-
логичностью. Тефлон TFE отличается исключительно широким
диапазоном допустимых рабочих темпаратур: от —68 до +250° С.
Kel-F в большей степени подвержен размягчению при температу-
рах выше 150° С и плохо переносит воздействие ультрафиолетовых
и рентгеновских лучей.
Эти пластики выпускаются в стандартных формах: листы,
прутки, трубы и ленты, в виде порошка для пресс-форм (кускового
и гранулированного) и в диспергированном виде — как стабиль-
ные водные суспензии с 50%-ным содержанием материала.
Сплошные прокладки из тефлона TFE. Эти прокладки полу-
чают вырубкой из формованных листов, нарезанием из формован-
ных труб или непосредственным формованием из порошка. Они
устанавливаются во фланцы стандартных конструкций. Для низ-
ких давлений от 10 до 20 кПсм1 обычно применяются простые
фланцы. Для более высоких давлений используются фланцы
с канавками и уступами или фланцевые муфты. В соединениях
такой конструкции прокладки из тефлона удовлетворительно
работают до давлений 2100 кПсм\
Тефлон TFE несжимаем, как и резина, и течет под давлением.
Конструкция тефлоновых прокладок и соединений напоминает
способы применения резино-асбестовых материалов. И тот, и дру-
гой материалы отличаются плохой упругостью. Поэтому возни-
кает проблема сохранения эффективности уплотнения в условиях,
когда изменение рабочей температуры приводит к изменению дав-
лений сжатия прокладки из-за тепловых деформаций фланцев
и болтов. Иногда применяют болты, нагруженные пружинами.
16*	243
Коэффициент линейного расширения тефлона TFE почти в 2
раза выше, чем у алюминия, что следует учитывать при конструи-
ровании соединений с использованием этих материалов, если теп-
ловое расширение детали чем-либо ограничивается.
Кассетные прокладки. Этот тип тефлоновых прокладок был
разработан для оборудования из стекла и форфора, где несоос-
ность фланцев и низкие усилия затяжки не обеспечивали доста-
точно хорошую посадку сплошных тефлоновых прокладок. Кас-
сетные прокладки применяются и для диаметров свыше 600 мм,
т. е. в размерах, на которые уже не изготовляются сплошные
прокладки. Обычная конструкция типа «Френч» состоит из до-
вольно мягкого наполнителя, покрытого рубашкой или оболочкой
из тефлона TFE. В зависимости от назначения прокладки напол-
нителем может служить усиленная тканью резина, резино-асбе-
стовые материалы, простая асбестовая бумага, металлические
и другие материалы.
Прокладки со спиральной оберткой. Тефлоновые прокладки со
спиральной оберткой металлической лентой выпускаются разных
форм и размеров. Химическая инертность тефлона в сочетании
с прочностью металла обеспечивает эффективность применения та-
ких прокладок в условиях высоких давлений в химической про-
мышленности. В зависимости от химических веществ, воздей-
ствию которых подвергается прокладка, могут употребляться
нержавеющие стали, монель и другие материалы. Прокладки со
спиральной оберткой обладают пружинящим эффектом благодаря
форме металлической ленты. Они требуют довольно высоких
усилий затяжки для создания начального уплотнения и имеют
высокую стоимость по сравнению с обычными плоскими проклад-
ками.
Пропитанные прокладки из волокнистого материала. Многими
ценными качествами тефлона TFE обладают сравнительно дешевые
прокладки, получаемые пропиткой подходящих волокнистых ли-
стовых материалов тефлоновой суспензией. Чаще всего исполь-
зуется асбестовая ткань. Тефлоновое покрытие предохраняет
асбест от воздействия химически активных веществ. Сочетание
голубого асбеста и тефлона TFE дает прокладки высокой кислото-
стойкости при умеренной цене.
Бумага. Прокладочная бумага изготовляется из органических
волокон, преимущественно из растительных или из асбестовых
(минеральных) волокнистых материалов, которые были уже
описаны.
Необработанная бумага, используемая в качестве прокладоч-
ного материала, охватывает весь перечень продукции бумажной
промышленности, включая такие разнотипные формы, как простая
коричневая оберточная бумага, летероид, чертежная бумага,
макулатурный и бирочный картоны, тряпичный строительный
картон и т. д.
244
Необработанная бумага обычно применяется в тех условиях,
где к прокладкам предъявляется скромное требование — защитить
от пыли и грязи. Применяется она и в качестве простой прослойки,
как, например, при сборке динамиков.
Бумага, пропитанная клее-глицериновым составом. Несмотря
на то, что во многих случаях она вытесняется бумагой с новой ла-
тексной пропиткой и материалами с пропиткой в ролле, наиболее
широко распространенным мягким прокладочным материалом
общего назначения все еще является бумага с клее-глицериновой
пропиткой. Там, где не требуется исключительно высокая сжимае-
мость, используются также и пробковые материалы. При отсут-
ствии строгих требований к стабильности, теплостойкости и проч-
ности такая бумага может использоваться вместо прессованного
асбеста. Наилучшие результаты она показывает при уплотнении
масел и бензинов при невысоких давлениях и умеренных темпера-
турах (не свыше +701 С). Следует избегать ее применения в усло-
виях соприкосновения со щелочами, сильными кислотами, паром
и при цикличном увлажнении и высушивании.
Бумага с латексной пропиткой, особенно с пропиткой в ролле,
близка по своей применимости к уплотнению масел и бензинов
с бумагой, пропитанной клее-глицериновым составом. Но при этом
бума'га с латексной пропиткой обладает и некоторыми преимущест-
вами. Во-первых, невымываемые связующие вещества позволяют
использовать эту бумагу в воде и при цикличном чередовании ув-
лажнения и высушивания. Во-вторых, латексная пропитка в мень-
шей степени корродирует поверхности фланцев. И, в-третьих,
бумага с латексной пропиткой мало подвержена грибковым обра-
зованиям.
Вулканизированная фибра представляет собой обработанную
бумагу, которую иногда употребляют для изготовления прокладок.
Ввиду ее твердости применение фибры в основном ограничивается
теми случаями, когда прокладка должна быть почти несжимаема
или служить прослойкой. Прокладки из вулканизированной
фибры, чтобы облегчить создание полного контакта между про-
кладкой и поверхностью фланца, часто покрывают тонким слоем
синтетической резины.
Характеристики. Необработанная бумага легко проницаема
и сохраняет это свойство даже после сжатия и смачивания уплот-
няемой жидкостью. Как правило, уплотнительные прокладки из
необработанной бумаги для герметизации жидкостей не приме-
няют, основное их назначение состоит в предохранении полостей
машин от пыли и от попадания брызг жидкости изнутри или сна-
ружи. В зависимости от материала фланцев используется твердая
или мягкая бумага. Обработанные бумаги сравнительно непро-
ницаемы; непроницаемость их возрастает при сжатии прокладки.
В свободном состоянии у прокладок из бумаги, пропитанных
в растворах, непроницаемость выще, чем у бумаг с пропиткой
245
в ролле. Последние нуждаются в дополнительном сжатии для за-
крытия пустот, свойственных всем волокнистым материалам.
Для обеспечения начального уплотнения достаточны невысо-
кие значения контактных давлений — от 35 до 70 кПсм1.
Обработанные бумаги выдерживают чрезвычайно высокие ра-
бочие давления. Применение тонкой прокладки вместе с длинными
болтами обеспечивает и после окончательной усадки герметичность
стыка при переменных давлениях.
Лучшим применением уплотнительных прокладок из пропи-
танной бумаги следует считать их использование для герметиза-
ции масел, бензинов и в некоторых случаях холодной воды.
Необходимо избегать применения материалов с глицериновой про-
питкой для работы с водой, так как вслед за вымыванием глице-
рина наступит усадка и отвердение прокладки. В этих условиях
гораздо лучше работают бумаги с пропиткой резинолатексными
составами или с пропиткой в ролле. Стойкость в отношении гриб-
ковых образований у простой бумаги, как и у материалов с про-
теиновой пропиткой, невелика. Лучшие показатели в этом отно-
шении имеют бумаги с латексной пропиткой или обработанные
смолами. При изготовлении полуфабрикатов в состав пропиты-
вающих веществ могут быть введены фунгисиды или готовые про-
кладки подвергаются внешней обработке.
Стоимость. Прокладки из необработанной бумаги очень де-
шевы — вероятно, это самые дешевые из всех прокладок. Обра-
ботанная бумага имеет среднюю стоимость несколько дороже
пробковых материалов, но дешевле прессованного асбеста.
Все типы обработанной и необработанной бумаги поставляются
в листах и рулонах; однослойные листы имеют толщину до 1,6 мм,
а в многослойном исполнении толщина может быть и большей.
Вырубка — обычный метод изготовления бумажных прокладок.
Кожа. Из применяющихся в настоящее время прокладочных
и набивочных материалов кожа является наиболее старым. Все
кожаные материалы можно разбить на четыре группы; сыромят-
ная кожа, не подвергнутая дублению, не применяется в качестве
прокладок; кожа растительного дубления, минерального дубле-
ния и комбинированного дубления. Во многих случаях наряду
с дублением требуется также и пропитка. Пропитывающими
веществами могут служить воски, смолы и жидкие синтетиче-
ские полимеры.
Благодаря замечательной совокупности свойств, таких, как
гибкость, податливость, прочность, абразивостойкость и способ-
ность удерживать смазывающую жидкость в своих волокнах,
кожа считается исключительно ценным материалом для набивок
динамических сальников.
Как и большинство природных материалов, кожа имеет очень
сложную структуру: это — тесно сплетенные пучки волокон
с одним преобладающим направлением расположения, сложным
246
образом сцепленные множеством ненаправленных волокон (фиг. 4).
Получается плотный материал, способный оказать сильное сопро-
тивление механическим воздействиям: износу, деформациям, раз-
рушению.
Пористость кожи позволяет осуществить ее пропитку, которая
улучшает природные свойства. Технология пропитки кожи сло-
жилась много лет тому назад; вносимые в нее изменения и введе-
ние новых пропитывающих веществ вызваны неуклонным ростом
рабочих давлений и новыми физико-химическими условиями
применения кожаных прокла-
док.
Предел прочности при рас-
тяжении колеблется в широ-
ких границах, но обычно он
превышает 210 кГ1смг. Кожа
отличается высокой абрази-
востойкостыо. По-видимому,
эта характеристика не зави-
сит от того, подвергается ли
абразивному контакту наруж-
ная или внутренняя сторона
кожи.
Сохранение эластичных
свойств при очень низких тем-
пературах является одним из
наиболее важных достоинств
кожи С точки зрения исполь- Фиг. 4. Волокнистая кожа. Х25.
зования ее в современном
общепромышленном и военном оборудовании.
Способность кожи к деформациям зависит от характера дубле-
ния и примененной пропитки, но вообще это податливый материал,
который сравнительно легко привести в плотное соприкоснове-
ние с металлической поверхностью фланца. Фланцы должны быть
плоскими, жесткими и гладко обработанными. При высоких давле-
ниях сжатия кожа проявляет тенденцию к выдавливанию. Следова-
тельно, кожаные шайбы и прокладки целесообразно размещать
в канавках.
Правильно пропитанные кожи способны работать в диапазоне
температур от —56 до +105° С. Они практически непроницаемы
для масел, бензина, газов и паров. С другой стороны, кожи, не
прошедшие дубление и пропитку, будут полностью обезжирены
под воздействием бензина или спирта, высохнут и станут хрупкими.
Кожу никогда не следует применять для уплотнения пара под
давлением кислотных и щелочных растворов.
Комбинированные и прочие виды прокладок. Слоистые мате-
риалы. При создании слоистых материалов обычно преследуется
цель скомбинировать свойства прочного, но сравнительно несжи-
247
маемого материала, со свойствами легко сжимаемых, но быть мо-
жет малопрочных составов.
Например, растительное волокно и пробковые материалы обла-
дают примерно одинаковыми химическими свойствами и одинако-
вой стойкостью по отношению к атмосферным воздействиям.
Поэтому их легко комбинировать в слоистые материалы и в зави-
симости от назначения и условий применения роль среднего слоя
с равным успехом могут выполнять и пробка и волокнистый ма-
териал.
Дешевые уплотнительные прокладки под головки цилиндров
автомобильных двигателей иногда изготовляются из стального
листа, покрытого с обеих сторон асбестовым картоном. Стальное
Фиг. 5. Типы кассетных прокладок:
/ — тефлоновая кассета; 2 — наполнитель; 3, 5 — мягкий наполнитель; 4, 6 — металли-
ческая кассета.
кольцо снабжается перфорацией, и асбестовое покрытие механи-
чески скрепляется с ним с помощью множества образующихся
выступов.
Кассетные прокладки (фиг. 5) обычно состоят из основного на-
полнителя и охватывающей его внешней металлической или неме-
таллической оболочки. Назначение этой оболочки, или кассеты,
заключается в предохранении материала-наполнителя от некото-
рых условий работы, опасных для него.
Например, асбест, резина и другие материалы-наполнители
в тефлоновых кассетах (фиг. 5) могут использоваться в качестве
прокладок для стеклянных сосудов и трубопроводов химических
производств. Прокладки в металлических кассетах весьма разно-
образных форм применяются в условиях, требующих высокой теп-
лостойкости и антикоррозионных свойств. Металлические про-
кладки более подробно рассмотрены в гл. 14. Гофрированные
металлические прокладки с мягким наполнителем предназначаются
главным образом для фланцевых соединений трубопроводов и
имеют кольцевую форму. Они способны выдерживать значитель-
ные усилия затяжки и особенно удобны при покоробленных флан-
цах. Конструктивно прокладка выполнена в виде гофрированного
металлического кольца, впадины которого заполнены асбестовым
материалом (фиг. 6).
Спирально-витые прокладки. Как показано на фиг. 7, эти
прокладки состоят из чередующихся слоев металла и асбеста или
иного заполнителя. Центральная складка в металлической ленте
обеспечивает постоянство внутренних напряжений при затяжке
248
и придает прокладке упругость. Такие прокладки обладают свой-
ством саморегулирования и высокими антикоррозионными качест-
вами.
Жидкие прокладки. В приготовленную канавку уплотняемого
соединения заливается через сопло жидкая синтетическая резина
или состав на основе смол, которые в ней и затвердевают под дей-
ствием нагрева. Применяются для герметизации приборных пане-
лей и крышек пищевых контейнеров.
Уплотнительные замазки. Состав может быть подобран таким
образом, что замазка или высыхает на воздухе, или сохраняет
пластичность длительное время. Они усложняют контроль за ка-
Фиг. 6. Комбинированная
прокладка из гофрированного
металлического кольца и ас-
бестового наполнителя.
Фиг. 7. Спнрально-витая комбиниро-
ванная прокладка:
1 — металлическая лента с выдавленным
выступом; 2 — асбестовая или тефлоновая
лента.
чеством сборки соединения и нередко приносят больше вреда,
чем пользы, допуская относительное скольжение уплотнительных
поверхностей.
Обработка и покрытия. Синтетические резины. Неопреновое
покрытие методом погружения пробковых материалов, используе-
мых в качестве прокладок для нижнего картера автомобильных
двигателей, препятствует прониканию масла в материал, ограни-
чивает высыхание и снижает вероятность поломки прокладки
в процессе сборки. Тиоколовое покрытие фибровых листов способ-
ствует выравниванию поверхности и созданию уплотняющего
контакта при затяжке этого материала, обладающего сравнительно
низкой текучестью.
Графит. Применяется в виде сухого чешуйчатого порошка,
в смеси с маслом или в виде водной эмульсии. Графит сглаживает
поверхность и препятствует адгезии.
Адгезионные покрытия. Чаще всего из синтетических резин
или смол или их комбинаций наносятся во влажном либо подсу-
шенном состоянии. Иногда они могут применяться и в совершенно
сухом виде в расчете на реактивацию под действием растворителя
или нагрева. Необходимость их применения возникает в тех
случаях, когда желательно сразу же создать неразрывную связь
249
прокладки и фланцев, облегчающую герметизацию соединения
в условиях широких колебаний температуры и подвижности
фланцев.
Фунгисиды. Такие вещества, как бетанафтол, пентахлорфенол,
салициланилид и различные медные и ртутные соединения, приме-
няются для повышения сопротивления образованию плесени или
как составная часть композиции основного материала, или как
поверхностное покрытие. Если фунгисидная обработка должна
защищать прокладки только при их перевозке и складском хра-
нении, то достаточно эффективным средством может служить
порошок формальдегида, засыпаемый в коробки с прокладками
Отражающее покрытие. Алюминиевая краска или лак, нано-
симые погружением в них прокладок, служат в качестве экрановой
изоляции, обеспечивающей некоторую защиту прокладки, если
последняя размещена вблизи источника тепла.
Масло или горячий парафин. Такие покрытия могут наноситься
методом погружения прокладок из растительных волокнистых
или пробковых материалов, предохраняя их от высыхания при
неблагоприятных условиях хранения.
Тальк или слюда. Применяемые в сухом виде или в составе
адгезионных покрытий, эти вещества снижают трение на поверх-
ности прокладок, что особенно важно в резьбовых фланцевых сое-
динениях.
ГЛАВА 13
СТАТИЧЕСКИЕ УПЛОТНЕНИЯ О-ОБРАЗНЫМИ КОЛЬЦАМИ
(Malcolm Н. Everett, Howard G. Gillette}
Все статические уплотнения О-образными кольцами класси-
фицируются как уплотнения прокладками. Вообще они проще
в конструктивном исполнении, чем уплотнения О-образными коль-
цами для подвижных деталей машин (допускается расширить
поля допусков и снизить требования к чистоте поверхностей со-
пряженных деталей). Диаметральное сдавливание поперечного
сечения кольца может быть взято большим. Различные типы ста-
тических уплотнений применяются во фланцевых соединениях,
фитингах, муфтах, крышках цилиндров, клапанов, пробках и т. д.
О-образные кольца, используемые как прокладки для фланцев
и фланцевых соединений, могут быть применены до давлений
1750 кПсм1, даже при наличии вибрации. Чрезмерные напряже-
ния в болтах, часто наблюдаемые при затяжке обычных мягких
прокладок, не возникают в случае О-образных колец, поскольку
достаточно подтянуть гайки лишь настолько, чтобы обеспечить
просто контакт металла с металлом у сопряженных деталей.
Устраняется опасность поломки чугунных деталей при затяжке
плоскими фланцами, тогда как в других случаях было бы необхо-
димо применять специальные болты с большой деформацией.
Гайки не требуется затягивать равномерно, как при обычных
прокладках, и нет нужды применять смазку для фитингов трубо-
проводов. О-образное кольцо не может расслоиться, расплестись,
от него не отрываются кусочки. Поэтому не происходит загряз-
нения фильтров и сеток перед насосами. Для сохранения герметич-
ности соединения вообще не требуется периодическая подтяжка
гаек. Будучи однажды установлено, О-образное кольцо надежно
сохраняет герметичность стыка металлических деталей.
Конструкция канавок. Общие принципы. Во фланцевых соеди-
нениях наиболее обычной для О-образных колец является прямо-
угольная форма поперечного сечения канавки. Размеры даны
в таблицах. Более широкие поля допусков в гидросистемах обще-
промышленного исполнения позволяют снизить стоимость изготов-
ляемых узлов,
251
Прямоугольная канавка может быть размещена в виде двух
выточек половинной глубины в обеих сопряженных деталях,
либо полностью в одном из фланцев (фиг. 1). На фиг. 2 показаны
различные способы уплотнения фланцевых соединений. В некото-
рых конструкциях фланцев канавка может иметь треугольную
форму поперечного сечения для того, чтобы упростить изготовле-
ние, а следовательно, и снизить стоимость. Рекомендуемые раз-
меры треугольных канавок даны в табл. 1. Применяются также
канавки и с полукруг-
лым сечением.
Конструкция кана-
вок здесь несколько от-
Фиг. 2. Типичные конструкции статических
уплотнений О-образными кольцами фланцевых
соединений.
Фиг. 1. Основные конструк-
ции прямоугольных канавок
под О-образные кольца флан-
цевых уплотнений. Канавка
может быть размещена:
а—в виде канавок половинной
глубины в обоих фланцах:
б—полностью в одном из флан-
цев.
лична от конструкции канавок во фланцевых соединениях. Раз-
меры канавок этого типа приведены в табл. 2. Из-за большого
разнообразия вариантов соединений в таблице не указаны вели-
чины внутреннего диаметра канавки. Однако растяжение кольца
по внутреннему диаметру не должно превышать 5% .
Применение О-образного кольца для уплотнения крышки ци-
линдра, глухих фланцев и т. п. показано на фиг. 2, а. Чем выше
давление, тем герметичнее уплотнение. Эта конструкция обеспе-
чивает начальное сжатие кольца в канавке. Болты затягиваются
лишь настолько, чтобы обеспечить и сохранить контакт метали
к металлу сопряженных поверхностей. Таким образом, при высоких
рабочих давлениях этот тип уплотнения не требует чрезмерной
затяжки болтов, необходимой при обычных мягких прокладках.
Два типоразмера О-образных колец, которые используются
для уплотнения прямоугольной камеры, находящейся под давле-
нием, показаны на фиг. 2, б. Внешнее кольцо зажато в канавке.
252
Таблица 1
Размеры треугольных канавок под О-образные кольца
во фланцевых соединениях в мм
шО £	Номер кольца	Диаметр се- чения кольца		Ширина А
		Д X S А о сз X X	действи- тельный	
	004—045 110-163 210—281 325—349 425—460	1,6 2,4 3,2 4,8 6,35	1,78±0,076 2,62+0,076 3,53±0,102 5 34±0,127 6,98±0,152	2,42+0,076—0,000 3,48+0,127—0,000 4,73+0,178—0,000 7,09+0,254—0,000 9,42+0,381—0,000
Таблица 2
Размеры прямоугольных канавок
исключительно для фланцевых соединений в мм
Снять фаску О,122пп		Номер кольца	Диаметр сечения кольца		Максималь- ная глубина канавки Е +0,0 —0,051	Минималь- ное диамет- ральное сдавливание	Длина ка- навки F +0,127 —0,000	Радиус гал- тели R
			номи- наль- ный	действи- тельный				
								
		L;	001—028 110-149 210—274 325-349 425—460	1,6 2,4 3,2 4,8 6,35	1,78±0,076 2,62+0,076 3,53±0,102 5,34+0,127 6.98+0,152	1,32 2,11 2,92 4,57 5,94	0,38 0,43 0,51 0,635 0,89	2,54 3,18 4,32 6,09 8,00	0,4 0,4 0,8 0,8 1,6
								
90У								
а под головки крепежных винтов в раззенкованную частв отверстий
закладываются маленькие кольца. Эта конструкция проста и до-
статочно эффективно уплотняет рентгеновские камеры, торцовые
крышки шестеренчатых насосов и т. п., не требуя притирки по-
верхностей.
О-образное кольцо, используемое во фланцевом соединении
в качестве прокладки, показано на фиг. 2, в. Уплотнение соз-
дается при навертывании гайки на резьбу корпуса от руки. Округ-
лая канавка имеет такой же диаметр, как и действительный диа-
метр поперечного сечения кольца. Над поверхностью фланца
О-образное кольцо выступает на величину от 0,4 до 0,8 мм. Объем
канавки равен минимальному объему кольца.
Вариант фланцевого соединения показан на фиг. 2, г. Этот
тип уплотнения с треугольной канавкой применяется там, где
253
требуется упростить изготовление и снизить стоимость. Для обес-
печения эффективного уплотнения рекомендуется пользоваться
размерами и допусками табл. 1. Такое соединение обладает высо-
кой герметичностью. Однако кольцо длительное время находится
в деформированном состоянии. Предельное рабочее давление огра-
ничивается только величиной зазора между сопряженными по-
верхностями и прочностью самого металла.
Конструктивные особенности. Конструкция канавок под О-об-
разные кольца статических уплотнений топливных авиационных
Фиг. 3. Типы конструк-
ций статических уплотне-
ний О-образными кольца-
ми нефланцевых соеди-
нений:
1 — заглушка; 2 — корпус;
3 — крышка; 4 — стяжной
болт; 5 — стенка цилиндра;
6 — пружина; 7 — регулиро-
вочный винт; 8 — гайка.
систем требует специального рассмотрения. Чрезвычайно большое
набухание О-образных колец в среде авиационных топлив не по-
зволяет использовать размеры канавок, рекомендованные для
обычных гидросистем.
Другой способ уплотнения кольцевого зазора заглушки пока-
зан на фиг. 3, а. Особенно широко он применяется для герметиза-
ции стыка крышки с цилиндром. Для облегчения сборки кольцо
обжимает цилиндрическую часть канавки в заглушке. Диаметраль-
ное сдавливание кольца обеспечивает уплотнение зазора при низ-
ком давлении. Под действием рабочего давления О-образное кольцо
деформируется и обеспечивает эффективное уплотнение.
Такая конструкция может применяться для уплотнения кры-
шек цилиндров, клапанов, пробок и т. п. Так как заглушка и ци-
линдр могут быть плотно подогнаны и какие-либо перемещения
деталей отсутствуют, такое уплотнение способно удерживать вы-
сокие давления в течение длительного периода времени.
254
Герметичный гидроцилиндр изготовлен (фиг. 3, б) из куска
трубы нужной длины и закрыт торцовыми крышками, которые
удерживаются стяжными болтами. Это — простая, дешевая и эф-
фективная конструкция. Болты и цилиндр имеют возможность
расширяться или сжиматься независимо друг от друга. Стяжные
болты нагружены только усилием от давления уплотняемой
жидкости. Предварительной затяжки болтов не производится.
Для того чтобы получить дешевую, простую и легко собираемую
конструкцию гидроцилиндра, применяют такое уплотнение одно-
временно с динамическим на О-образных кольцах. Для уплотне-
ния крышек цилиндров применяется конструкция, показанная
на фиг. 3, в.
Уплотнение регулировочного винта с использованием О-об-
разного кольца показано на фиг. 3, г. Может применяться на
предохранительных клапанах, дроссельных вентилях холодиль-
ных устройств и во многих других случаях.
Уплотнение резьбовой крышки цилиндра О-образным кольцом
показано на фиг. 3, д. Такая конструкция может оказаться неудоб-
ной из-за «слепой» сборки. Предварительно кольцо закладывается
в канавку и для фиксации его на месте смазывается густой конси-
стентной смазкой. Во избежание защемления кольца стенка ци-
линдра должна иметь фаску.
В табл. 3 и 4 даны конструктивные размеры двух наиболее рас-
пространенных типов канавок, отвечающих требованиям самолет-
ных топливных систем. Рассмотрим конструктивные особенности
этого уплотнения.
Вертикальное сдавливание. В канавке номинального размера
вертикальное сдавливание О-образного кольца должно состав-
лять 25% от номинального диаметра поперечного сечения кольца.
С учетом допусков на размеры кольца и канавки в авиационном
исполнении вертикальное сдавливание лежит в пределах 20—
30%.
Объем канавки. Объем канавки должен быть на 3—36% больше,
чем объем нового О-образного кольца (здесь также учтены возмож-
ные отклонения размеров в пределах допусков).
Размещение кольца в канавке. Рекомендуется располагать ка-
навку таким образом, чтобы воздействие переменного рабочего
давления не приводило к заметным перемещениям кольца. Следует
придерживаться данных табл. 3 относительно диаметра канавки.
Вообще там, где рабочее давление действует по направлению от
центральной оси поперечного сечения кольца кнаружи, наружный
диаметр канавки должен быть равен номинальному наружному
диаметру кольца. Аналогично, там, где рабочее давление дей-
ствует внутрь по направлению к оси, внутренний диаметр канавки
должен быть равен номинальному внутреннему диаметру кольца.
Угол наклона стенок канавки, обозначенный на эскизе табл. 3,
берется в пределах от 0 до 7°, благодаря чему возможны различ-
255
Таблица 3
Размеры канавок под неподвижные О-образные кольца,
применяемые в авиационных топливных системах, в мм
Давление действует —-----Давление действует
по напоадлению к оси —------по направлению от оси
Номер кольца	Диаметр сечений кольца		Длина канавки U7	Глубина канавки D	Размер Е (расстоя- ние Р от верхней плоскости)	Макси- мальный радиус галтели Р
	номи- нальный	действи- тельный				
004-028	1,6	1,78	2,64+0,076	1,32±0,05	0,66	0,5
110—149	2,4	2,62	3,53± 0,076	1,96+0,076	0,97	0,5
210—274	3,2	3,53	4,63+0,127	2,64+0,076	1,32	0,76
325—349	4,8	5,34	7,11± 0,254	3,99+0,127	1,98	0,76
425—460	6,35	6,98	8,94+0,254	5,28±0,127	2,62	0,76
Примечание. Максимальный внутренний диаметр канавки равен но-
минальному внутреннему диаметру кольца плюс 1%, по не более 1,5 мм.
Минимальный внутренний диаметр канавки равен номинальному внутрен-
нему диаметру кольца.
Максимальный наружный диаметр канавки равен номинальному наружному
диаметру кольца.
Минимальный наружный диаметр канавки равен номинальному наружному
диаметру кольца минус 1%, но не более 1,5 мм.
ные методы изготовления канавки. В направлении действия рабо-
чего давления угол наклона никогда не должен быть отрицатель-
ным. Там, где это возможно, лучше всего применять канавки с вер-
тикальными стенками.
Средний диаметр. Поскольку для упрощения технологии изго-
товления канавки угол наклона ее стенок может быть различ-
ным, необходимо ввести понятие среднего диаметра канавки,
на котором длина канавки оставалась бы неизменной при любых
углах наклона. За средний диаметр принимается средняя ариф-
метическая величина наружного и внутреннего диаметров канавки.
Радиусы закругления кромки и галтели. Радиус кромок и гал-
телей, от которых несколько зависит и объем канавки, следует
назначать исходя из технологических соображений,
256
Таблица 4
Размеры наклонных канавок,
применяемых в авиационных топливных системах, в мм
			-/5-4* 	к/ 	- /////////////////			(////,		
						/рабочее Убавление		
Номер кольца	Диаметр сечения кольца			Глубина канавки D ±0.025	Длина канавки +0,127		Макси- мальный зазор А	Радиус
	номинальный	действи* тельный						
004—028 110—149 210—274 325—349 425—460	1,6 2,4 3,2 4,8 6,35	1,78+0,076 2,62+0,076 3,53+0,102 5,34± 0,127 6,98-Ь 0,152		1,4 2,08 2,82 4,29 5,64	3,2 4,7 6,35 9,59 12,57		0,063 0,063 0,076 0,089 1,016	0,8 1,2 1,6 2,4 3,2
Чистота поверхности. Для хорошего эффективного уплотне-
ния О-образными кольцами в авиационных изделиях требуется
обработка дна канавки до чистоты поверхности, соответствую-
щей среднеквадратичной величине микронеровностей в 2,5 мк
или меньше. Так как состояние поверхности стенок канавки не
оказывает существенного влияния на герметичность уплотнения,
они могут быть обработаны не грубее 6,25 мк.
Допуски. Чтобы удовлетворить требованиям, которые предъяв-
ляются к величинам объема канавки и вертикальному сдавлива-
нию, устанавливаются допуски на размеры канавки (табл. 3).
Эти допуски учитывают возможности современного технологиче-
ского оборудования.
В тяжелых условиях работы статического уплотнения иногда
применяются канавки с наклонным дном. Размеры канавки поме-
щены в табл. 4. Дно канавки поднимается в ту сторону, куда стре-
мится переместиться кольцо под воздействием рабочего давления .
Такое уплотнение клинового типа обеспечивает дополнительное
сдавливание кольца в месте потенциальных утечек. На практике
наклонные канавки применяются очень редко, так как трудно
изготовить их достаточно точно.
Материалы. При выборе конструкции канавки должны быть
учтены специфические особенности синтетических материалов, из
которых изготовляется О-образное кольцо. Вообще синтетические
материалы могут выдерживать температуры от —90 до +260° С.
17 Дж. А. Паркс и др.	257
Однако оба предела не могут быть отнесены к одному и тому же
материалу. Материалы, способные работать при очень низких
температурах, не подходят для высокотемпературных условий,
и наоборот. Существует одно исключение — использование сили-
коновых материалов в среде сухого воздуха. Некоторые силиконо-
вые материалы будут сохранять работоспособность в диапазоне
температур от —90 до +260° С. В динамических уплотнениях
и силиконовые материалы, подвергаясь воздействию различных
синтетических гидравлических и смазочных жидкостей, могут
применяться или в диапазоне рабочих температур от —55 до
+ 150° С или от —30 до +230° С.
Некоторые из новых температуростойких полимеров обнару-
живают высокое сопротивление старению при +260° С во многих
синтетических жидкостях. Но они отличаются очень высокими
значениями остаточной деформации при сжатии и снижением
уплотняющего усилия. Это особенно справедливо в отношении
фторированных эластомеров, которые при температуре +150° С
имеют остаточную деформацию порядка 25—30%. При -%200° С
она достигает 50%, а при 4-260° С становится равной 100%.
Если возможен свободный выбор типа смазочной жидкости, то
лучше использовать уже опробованную смазку, хорошо поддаю-
щуюся уплотнению и желательно такую, которую можно было бы
уплотнить обычными резинами.
ГЛАВА 14
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОКЛАДКИ
Прокладки изготовляются из более мягких материалов, чем
фланцы, и уплотняющий эффект достигается вследствие деформа-
ции прокладки и заполнения прокладочным материалов всех ми-
кронеровностей уплотнительной фланцевой поверхности. Для
низких давлений прокладки выполняются из неметаллических
материалов: пробки, резины, асбеста (см. гл. 12). Для высоких
давлений и при тяжелых условиях работы применяются металли-
ческие и комбинированные прокладки. В первой части этой главы
описаны наиболее распространенные металлические прокладочные
материалы, типы прокладок и соединений. Пустотелые металли-
ческие О-образные уплотнительные кольца, которые получили
распространение сравнительно недавно, описаны во второй части
этой главы.
ОБЩИЕ ТИПЫ
(Heber Н. Dunkle)
В любом случае выбор прокладочного материала зависит от
рабочих условий, конструктивного оформления фланцевого соеди-
нения и характеристик прокладки. Вообще рабочие условия пред-
определяют выбор материала прокладки, в то время как размеры
и конструкция фланцевого соединения сказываются на выборе
ее типа.
Для грубо ориентировочного решения вопроса, какую же при-
менить прокладку — металлическую или неметаллическую, можно
поступить следующим образом. Умножьте величину рабочего
давления в кГ/см2 на рабочую температуру в °C. Если результат
превысит число 10 000, то следует применять исключительно ме-
таллические прокладки. Кроме того, неметаллические прокладки
не рекомендуется использовать при температурах выше Н-450° С
и при давлениях свыше 85 кГ/см2 (исключение составляет сравни-
тельно чистый асбест, допускающий при низких давлениях темпе-
ратуры до +650° С).
17*	259
В табл. 1 содержатся общие рекомендации по Металлическим
и полуметаллическим прокладкам, часто применяемым в обычных
условиях.
Таблица 1
Рекомендации по применению металлических
и полуметаллических прокладок
Применение	1 вариант	2 вариант	3 вариант
Чугунные фланцы Кованые сталь- ные фланцы: с торцовым вы- ступом с канавкой и вы- ступом, большие муфты Аммиачная аппа- ратура Автоклавы Гидроцилиндры прессов Газопроводы Теплообменники Паровые котлы Вакуумные си- стемы Крышки клапа- нов: резьбовые с диа- метром меньше 6,5 мм резьбовые с диа- метром больше 6,5 мм болтовые круг- лые: болтовые прямо- угольные	Гофрированные с наполнителем Спирально-витые с дистанционным кольцом Спирально-витые То же Дельтаобразные и типа «Бридж- мен» Простые плоские металлические Гофрированные Двусторонние кассетные метал- лические Спирально-витые Сплошные метал- лические с круг- лым сечением, простые или в кассетах Одноэлементные кассетные типа «Френч» Плоские метал- лические рифле- ные Спирально-витые Двухэлементные кассетные типа «Френч»	Спирально-витые Гофрированные кассетные Плоские метал- лические рифле- ные Простые плоские металлические Спирально-витые То же Кассетные типа «Френч» Простые плоские металлические Одноэлементные кассетные Одноэлементные кассетные типа «Френч» Плоские метал- лические рифле- ные Гофрированные Плоские метал- лические рифле- ные Гофрированные	Кассетные одно- сторонние Гофрированные с наполнителем Простые плоские прокладки Гофрированные с покрытием Двухэлементные кассетные метал- лические То же » . Гофрированные 1 металлические Простые плоские металлические Одноэлементные кассетные метал- лические То же Одноэлементные кассетные типа «Френч»
260
Основные факторы, влияющие на выбор прокладки. Давление.
За исключением двух случаев применения, рабочее давление
уплотняемой среды не оказывает непосредственного влияния на
выбор типа металлической прокладки. Величина рабочего давле-
ния определяет собой конструкцию соединения (например, тип
фланцев) и лишь косвенным образом сказывается на выборе про-
кладки. Одним из исключений являются гофрированные про-
кладки, применение которых ограничено предельно допустимой
величиной рабочего давления, равной 70 кГ/см2. Другое исклю-
чение — это чрезвычайно большие давления,от 1400до 3500 кГ/см2.
Температура. Рабочая температура является важным пара-
метром при выборе типа и материала прокладки. Предельно допу-
стимые значения рабочих параметров полуметаллических про-
кладок ограничиваются возможностями мягких наполнителей.
Например, асбестовые наполнители допускают применение про-
кладки при температурах не свыше 450—480° С, хотя металличе-
ские элементы сохраняют работоспособность и при более высо-
ких температурах. Верхний предел по температуре для металли-
ческих прокладок зависит от ряда факторов, в том числе от окис-
ляемое™ и ползучести материала. В табл. 2 указаны некоторые
обычные материалы, используемые для изготовления металличе-
ских прокладок, и верхние пределы применения их по темпера-
туре (при длительной непрерывной работе). Значения этих пре-
дельных температур резко снижаются при соприкосновении про-
кладки с корродирующими средами.
Таблица 2
Предельно допускаемые температуры для прокладочных металлов
Материал	Макси- мальная темпера- тура в °C	Материал	Макси- мальная темпера- тура в °C
Свинец 	 Обычная латунь .... Медь	 Алюминий 	 Нержавеющая сталь 304 Нержавеющая сталь 316 Мягкое железо, малоуг- леродистая сталь .....	100 260 315 425 425 425 540	Нержавеющая сталь 502 Нержавеющая сталь 410 Серебро 	 Никель	 Монель	 Нержавеющая сталь 309 Нержавеющая сталь 321 Нержавеющая сталь 347 Инконель		620 650 650 760 815 870 870 870 1090
Механические факторы. Каждый тип прокладки имеет пре-
дельно допустимые размеры и форму. Прокладки всех рассматри-
ваемых групп могут быть изготовлены в виде колец, но для огра-
ниченных размеров диаметров и ширины. Лишь некоторые из
основных типов прокладок могут иметь не кольцевую форму.
261
Фиг. 1. Силы, дей-
ствующие на про-
кладку:
/ — усилие затяжки;
2 — гидростатическая
сила; 3 — внутреннее
давление.
Об о а бот к
Болты или другие средства стягивания фланцев должны обес-
печить создание достаточных уплотняющих усилий и предотвра-
тить раскрытие стыка под воздействием рабочего давления (фиг. 1).
При избыточном рабочем давлении усилие затяжки прокладки
уменьшается на величину гидростатической силы. Внутреннее
давление стремится, кроме того, выдавить прокладку из стыка
между фланцами.
Жесткость фланцев. За редким исключением метал-
лические прокладки при сборке соединения получают остаточную
деформацию и в противоположность неметал-
лическим прокладкам практически не восста-
навливают свою первоначальную форму, т. е.
не компенсируют перемещений, раскрывающих
стык. Следовательно, соединения с металличе-
скими прокладками, чтобы сделать минималь-
ным изгиб фланцев при создании начального
уплотнения, а также в процессе работы, должны
быть достаточно жесткими.
Фланцы, использующие прокладки в пол-
ную ширину, чтобы предотвратить изгиб фланца
между соседними болтами, должны быть доста-
точно толстыми. Фланцы с прокладками, рас-
положенными внутри окружности болтов,
должны быть достаточно жесткими, чтобы
противодействовать выпучиванию части внутри
контактного кольца. Выпучивание может при-
вести к раскрытию стыка уплотнительных
поверхностей по внутреннему диаметру в наи-
более ответственном месте уплотнения.
а поверхности. Любой тип металличе-
ских прокладок дает наилучшие результаты при обработке уплот-
нительных торцов фланцев до определенной чистоты поверхности.
В зависимости от типа прокладки оптимальная чистота обработки
поверхности может быть очень тонкой или грубой. Указываемые
изготовителем минимальные уплотняющие усилия сжатия про-
кладки применимы лишь к фланцам с оптимальной чистотой по-
верхности. Любое отклонение от этих условий потребует увеличе-
ние усилий затяжки.
Коррозия. Существуют различные виды коррозии, и про-
кладки подвержены большинству из них.
Гальванокоррозия. При соприкосновении двух раз-
нородных металлов, смоченных электролитом, возникает гальвани-
ческая коррозия. Электролитом может служить любая токопро-
водящая жидкость, даже воздух с определенным содержанием не-
которых газов может стать электролитом. Электрический ток,
возникающий вследствие разнородности металлов, переносит
ионы от катода к аноду, на котором они осаждаются. Металл
262-
анода разрушается, в то время как катод остается почти неизмен-
ным.
При выборе прокладки для уплотнения коррозионных сред
ее можно сделать анодом по отношению к фланцам, и коррозии
будет подвергаться прокладка, или, наоборот, анодом могут быть
фланцы, тогда они будут подвергаться разрушению. Конкретное
решение принимается в зависимости от рабочих условий и типа
уплотнительной прокладки. Гальванокоррозию можно умень-
шить, подбирая сочетание металлов, близко расположенных в галь-
ваническом ряду.
Коррозия с удалением цинка сходна с гальванической корро-
зией. Она характерна для латуни, которая содержит более 15%
цинка. В присутствии электролита цинк переходит в раствор, что
сопровождается повторным отложением пористой меди в металле.
Пористая медь обладает низкими прочностными характеристиками,
но внешне латунь выглядит как при незначительной коррозии.
Химическая стойкость. Активные химические растворы
могут воздействовать на некоторые металлы. В табл. 3 содержатся
сведения по стойкости обычных металлов в химических средах.
Уплотняющее усилие. Герметизация стыка с помощью прокла-
док достигается при затекании прокладочного материала в следы
механической обработки и микронеровности уплотнительных по-
верхностей фланцев. Величина усилия сжатия, приходящаяся на
единицу площади прокладки и необходимая для полного сопри-
косновения уплотнительных поверхностей прокладки и фланца,
называется минимальным уплотняющим давлением. Она зависит
от типа, материала прокладки и чистоты обработки поверхности
фланца (табл. 4).
Приведенные в табл. 4 значения минимальных уплотняющих
давлений были получены опытным путем и обеспечивают удовле-
творительные характеристики соединения без применения уплот-
нительных замазок. Они не зависят от величины рабочего давле-
ния. Создание минимальных уплотняющих давлений обеспечивает
эффективность уплотнения соединения вплоть до того момента,
когда по каким-либо причинам, например из-за недостаточной
жесткости фланцев, не произойдет раскрытия стыка.
Многие соединения успешно работают при меньших усилиях
сжатия, чем рекомендованные. Эффективность уплотнения обусло-
влена многими взаимосвязанными факторами: давлением, темпера-
турой, типом уплотняемой жидкости, чистотой обработки поверх-
ности фланцев, применением уплотнительных замазок, величиной
допустимых утечек, возможностью образования новых веществ
в результате коррозии или выпаривания утечек и т. д.
Уплотнительные поверхности фланцев. Используются самые
различные типы фланцевых уплотнительных поверхностей (табл. 5),
но большинство из них можно включить в одну из следующих
трех групп.
263
Таблица 3
Коррозионная стойкость прокладочных металлов
	Материал прокладки								
Среда	ф X 5	л к	X X X 2	л ч ф 6	ч Ф	иа ч га О га Ч Ф	ержааеюгцая । *аль 304	ержавеющая аль 316	ержавеющая аль 347
	и	g	<	S	£		X о	X а	X о
Уксусная кислота: неочищенная 		п	н	н	н	н	п			н	—
чистая 		н	н	У	У	н	п	н	н	—
пары		п	н	—	н	н	п	н	н	—
10 кГ/см2, 200' С		п	н	—	н	н	п	—	н	—
Уксусный ангидрид , . . . .	п	п	У	У	—	—	н	н	н
Ацетон		У	У	У	У	У	У	У	У	У
Ацетилен		У	—	У	у	—	У	у	у	—
Воздух		У	У	У	у	—-	У	У	—	У
Хлористый алюминий ....	п	н	п	У	—'	н	п	п	н
Фтористый алюминий ....	—	—	п	—	—	—	—	—	—
Сернокислый алюминий . . .	У	н	—	н	—	п	н	н	н
Квасцы		У	н	—	н	—	п	н	н	н
Газообразный аммиак: при низких температурах . .	У	—-	У	У	—	У	У	у	—
при высоких температурах	п	п	—	—-	—	—	—	—	—
Хлористый аммоний		У	п	п	н	н	—	н	н	—
Гидроокись аммония 		У	п	н	—	—	У	У	У	У
Азотнокислый аммоний . . .	п	п	н	—	—	У	У	У	У
Фосфорнокислый аммоний: одноосновный		У	н	п	—	—	п	У	У	—
двуосновный 		У	н	н	У	—	н	У	У	—
трехосновный		У	н	н	У	У	У	У	У	—
Сернокислый аммоний . . .	У	н	—	У	—	У	У	У	У
Амилацетат		—	н	н	У	—	—	У	У	У
Амиловый спирт 		—	У	—	У	—	—	—	—	—
Анилин, анилиновое масло . .	—	п	п	У	—	У	У	У	У
Анилиновые красители . . .	—	—	—	У	—	—	У	—	—
Асфальт 		—	У	—	У	—	У	У	—	—
Хлористый барий		—	—	п	—	У	—	н	У	—
Гидроокись бария 		п	п	п	—	У	—	У	—	—
Сульфид натрия 		У	п	—	У	—	•—	У	У	У
Пиво		—	У	У	У	—	У	У	У	—
Растворы свекловичного сахара	—	У	У	У	—	У	У	У	—
Бензол, сырой бензол ....	У	У	У	У	—	У	У	У	—
Бензин, петролейный эфир, нафта 		У	У	У	У	—	У	У	У	—
Черный щелок 		—	н	—	у	—	У	У	—	—
Газ доменных печей		п	п	—	—	—	У	—	—	У
Бура		—	н	н	У	У	У	У	У	У
Борная кислота		У	н	У	У	У	п	У	У	У
Бром		п	п	—	—-	—	п	п	п	п
Бутан 				У	У		У		У	
264
Продолжение табл. 3
Среда	Материал прокладки								
	Д’ ф X X я О	J0 о %	« X X X S 2 ч <	А Ч Ф X о	<и & Я X	4 я X о я ф Ч Ф *	X я Н 2 ф £ £ О. х L	X я S £ -5 &я X 5	X я S’ 2 ф * £ х &
Бутилацетат 	 Бутиловый спирт, бутанол . . Бисульфит кальция 	 Хлористый кальций	 Гидроокись кальция 	 Хлорноватокислый кальций . . Чилийская рудная селитра, растворы	 Тростниковый сахар, растворы Карболовая кислота, фенол . . Углекислота: твердая 	 жидкая	 Сероуглерод 	 Окись углерода при высоких температурах 	 Четыреххлористый углерод . . Касторовое масло 	 Китайское древесное масло, тунговое масло 	 Хлор: сухой ... 	 влажный 	 Хлорированные растворители: осушенные 	 оводненные	 Хлоруксусная кислота .... Хлорсульфоновая кислота . . Хромовая кислота	 Лимонная кислота	 Коксовый газ	 Хлористая медь	 Сульфат меди 	 Кукурузное масло	 Хлопковое масло 	 Креозот: каменноугольный 	 древесный	 Крезолы, технический крезол . Теплоноситель даутерм (смесь дифенила и окиси дифенила): тип А 	 тип Е 	 Эфиры 	 Этилацетат 		У п п У У У п н У и У и п и У У У У У У У	У У п У У п У п п У п У п п п У У У У У п У У У	У п У У У У У У У п У п п п У п п У У У У У У п У н	У п и У У У У У У У У У У У п У У и н У У н У У У У У и У У	llll^l III III III 1 II 1 1« 1 1 1 1 1 1 1 1 III Illi	У п У У У У У н У У У У У п У п п п У н п У У У У н У У У У	У и У У У У У У У У У У п У п н У п У У У У У У	У У и У У У У У У У п У У У п У У У У У У У	У У У п
265
Продолжение табл. 3
	Материал прокладки								
Среда	я о		S к S S	Л ч	из ч 0)	ч я h X О эт О	жавеющая ь 304	к л ОСО £ 5	жавеющая ь 347
	S са и	о	2 ч	к о 2	£ S X	ч о	X Q	g. X 5	^5 о та X U
Этиловая целлюлоза						—	У	У	—	—	—	—
Хлористый этил		—	У	—	У	У	У	У	У	—
Этиленгликоль 		У	У	У	У	—	У	У	У	У
Хлористое железо		п	п	п	п	п	п	п	п	п
Сульфат окисного железа . . .	У	п	п	п	п	п	н	У	—
Формальдегид		п	н	н	У	—	н	У	У	—
Муравьиная кислота		п	н	п	—	—	п	н	н	—
Фреон 		У	У	У	У	—	—	—	—	—
Тяжелое жидкое топливо . . .	У	У	—	У	—	У	У	—	—
Тяжелое жидкое топливо, кислоты, образующиеся из про- дуктов его сгорания 		У			У										
Фурфурол (селективный рас- творитель для очистки масел)			У	У	У	—	У	У	У	—
Бензин: неочищенный 		У			У	—	—	—	У	—
очищенный		У	У	У	У	—	У	У	У	—
Желатин 			—	У	У	—	—	У	У	—
Глюкоза 		—	У	У	У	—	У	У	У	—
Животный клей		—		У	У	—	У	У	У	—
Глицерин, глицериновый . . состав 		У	н	У	У	—	У	У	У	—
Жидкий зеленый сульфат . . .		—		У	—	У	—	—	—
Бромистоводородная кислота .	—	—	п	—	—	п	—	—	—
Соляная кислота: при температурах ниже 65° С		н	п	п						п	п	п		
при температурах выше 65° С . ' 		п	п	п				п	п	п	—
'Синильная кислота		—	—	—	У	—	—	У	У	—
"Фтористоводородная кислота: при низких температурах: при концентрации менее 65% ... 			н		п	н	п	п	п	п	п
при концентрации более 65%		—	н	п	У	—	н	п	П .	п
при высоких температурах: при концентрации менее 65% . . . :		п	п	п			п	п	п	п	п
при концентрации более 65%		п	н	п	У			—	п	п	п
Кремнефтористоводородная ки- слота 			У						—	п	п	п	п
Водород; при низких температурах	У	У	У	У	—	У	' У	У	—
при высоких температурах	п	п	—	У	—	У	У	У	У
265
Продолжение табл. 3
Среда	Материал прокладки								
	о с S и О	ЕС Ф	«S S S S 2 ч <	Л ч ф S о	Л Ч ф * S X	£ га о S О я ф ч ф	К га S’ 2 dj Д ° га« Я -а си X 5	т я S gs К £ си 5 и га К и	К га 3 о. ч X U
Перекись водорода 	 Сероводород, сухой: при низких температурах при высоких температурах влажный: при низких температурах при высоких температурах Керосин 	 Лаки	 Растворители лаков	 Молочная кислота: при низких температурах при высоких температурах Льняное масло	 Смазочные масла: не очищенные от серы . . . очищенные	 Хлористый магний 	 Гидроокись магния 	 Сульфат магния 	 Двухлористая ртуть	 Ртуть 	 . Метиловый спирт, метанол . . Хлористый метил	 Молоко	 Минеральные масла	 Природный газ	 Хлористый никель 	 Сульфат никеля 	 Азотная кислота: необработанная 	 разбавленная 	 концентрированная .... Нитробензол 	 Олеиновая кислота 	 Нефтяная фракция, выкипаю- щая в пределах 148,9—204,4° С Щавелевая кислота ...... Кислород: при низких температурах при температурах менее 260° С 	 при температурах от 260 до 540° С 	 при температурах более 540° С 		н У У У У п У У У У п п п п п У п п п	п п п п п У У У н п У п п У У У п п п п . п н п У У У п п	У У У У У У У п У У п п п п У У У У п п п У У У У У п	н У п У п У У У У У У У н У У У У У У У У У п п п У У У У У У п	Н У п У п У н У п У п п п У У	п У п п У п п У У н У У У У У У У У п п п У У У У У п	У У У У У У У У н У У п У У У У У н У У н У У У У п	У У У У У У н У н У У п У У У У У н У У н У У У У У п	У У У У н У У п У У
267
Продолжение табл. 3
	Материал прокладки								
Среда	Свинец	1 1 Медь	Алюминий	Монель	Никель	Железо и сталь	Нержавеющая сталь 304	Нержавеющая сталь 316	Нержавеющая сталь 347
Озон										
Пальмитиновая кислота . . . Нефтяные масла, необрабо- танные: при температурах менее	У	У	У	У		У	У	У	
260° С 	 при температурах более	—	—	У	——	—	У	У	У	—
260° С 	 при температурах более	п	п	У	п	П	У	У	У	—
540° С 	 Фосфорная кислота:	п	п	п	п	п	п	—	—	У
неочищенная 	 очищенная при концентра-	—	п	п	п	п	—	—	—	—
ции менее 45% 	 при концентрации более 45%:	У	н	—	н	—	п	У	У	—
при низких температурах	У	н	п	н	—	п	У	У	—
при высоких температурах Пикриновая кислота:	п	—	п	—	—	п	п	—	—
расплавленная 		п	п	н	п	п	У	У	У	—
водный раствор		п	и	п	—	п	—	У	У	—
Хлористый калий		У	У	—	У	У	У	У	У	—
Цианистый калий		п	п	п	У	—	У	У	У	—
Гидроокись калия 		п	п	п	У	У	—	н	н	—
Сернокислый калий		У	У	У	У	У	У	н	н	—
Генераторный газ		У	—	У	У	—	У	—	—	—
Пропан		У	—	—	У	—	У	У	У	—
Сточные воды 		У	—'	н	У	—	н	н	н	—
Мыльный щелок 	 Кальцинированная сода, кар-	У	—	—	У	—	У	У	—	
бонат натрия		У	—	п	У	—	У	У	У	—
Бикарбонат натрия 		У	—	п	У	У	—	У	У	—
Бисульфат натрия		У	н	—	У	У	п	—	—	—
Хлористый натрий 		У	н	п	У	У	У	н	У	—
Цианистый натрий 		п	п	п	н	—	У	—	У	—
Гидроокись натрия 		н	п	п	У	У	У	н	н	—
Гипохлорит натрия 		п	—	п	—	—	п	п	п	—
Метафосфат натрия 		У	——	У	У	У	—	У	—	—
Азотнокислый натрий ....	У	н	У	у	у	у	н	У	—
Перборнокислый натрий . . .	—	—	У	У	У	—	У	у	—
Перекись натрия 	 Фосфат натрия:	—	—	У	У	У	—	У	У	—
одноосновный		—	—	У	У	У	—	—	У	—
двуосновный 		—	У	У	У	У	—	—	У	—
трехосновный		У	п	п	У	У	У	—	У	—
Силикат натрия		п	—	п	У	У	У	—	У	—
268
Продолжение табл. 3
Среда	Материал прокладки								
	Sf ф X X СП и	Д К Ф %	с X i 2 ч	ч ф X о г:	£ ф X £	J3 ч о СП ф Ч	Нержавеющая сталь 304	Нержавеющая сталь 316	Нержавеющая сталь 347
Сульфат натрия 	 Сульфид натрия	 Тиосернокислый натрий . . . Соевое масло 	 Четыреххлористое олово . . . Водяной пар: при температурах менее 260° С	 при температурах от 260 до 540° С 	 при температурах более 540° С	 Стеариновая кислота .... Сера	 Хлористая сера	 Двуокись серы, сухая .... Трехокись серы, сухая . . . Серная кислота: при концентрации менее 10%: при низких температурах . . при высоких температурах при концентрации от 10 до 75%: при низких температурах . . при высоких температурах при концентрации от 75 до 95%: при низких температурах . . при высоких температурах дымящаяся	 Сернистая кислота ..... Дубильная кислота 	 Деготь	 Винная кислота	 Толуол 	 Трихлорэтилен 	 Скипидар	 Уксус 	 Вода (шахтная): содержащая окисляющие со- ли 	 не содержащая окисляю- щие соли	 Вода: пресная, водопроводная . .	У У У п У У У У У У У У У У У У п У У н У У	У п п п У п п п У У п п п п п п У У	п и и У п У У У п п и У У У У У У	У н п У п У п У У п п У У У У У п У и	У н п У п У п У п п п п п У п	У У У У п У У У п и п п н У У п У п	У У У У У У У У н У У н п п п У п п н У у н У У	У У У У У У У У н У H I н н ”1 У п н н У У У У п У	У У У У У
269
Продолжение табл. 3
Среда	Материал прокладки								
	Свинец	Медь	Алюминий	Монель	Никель	Железо и сталь	Нержавеющая сталь 304	Нержавеющая сталь 316	Нержавеющая сталь 347
дистиллированная 	 конденсационная 	 морская 	 Виски и вина	 Хлористый цинк 	 Сульфат цинка 		п У У У	П У У п п	У У п п	У У У У У	Mill	П У п	у У н н п У	У У и У п У	—
Обозначения: Удовлетворительная коррозионная стойкость мате- , риалов обозначена буквой «у». В тех случаях, когда она не столь высока, но все же является приемлемой, ставилась буква «н» («неплохая»). Плохая коррозионная стойкость обозначалась буквой «п». Черточка означает, что или нет данных, или применение этого металла возможно в специальных условиях, но требует допол- нительных исследований.									
Таблица 4
Минимальные уплотняющие давления для прокладок
Тип уплотнения	Материалы	Толщина в мм	Минимальные уплотняющие давления в кГ1смг
^/\/\/\/^	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	3,2	105 140 280 315 420
	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	3,2	140 175 210 245 280
	Углеродистая сталь Углеродистая сталь Нержавеющая сталь Нержавеющая сталь	3,2 4,8 3,2 4,8	175—1050 175—1050 210—2100 210—2100
			
			
			
270
Продолжение табл. 4
Тип уплотнения	Материалы	Толщина в мм	Минимальные уплотняющие давления в кГ/см2
tea*" "	1	Свинец Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Никель Монель Нержавеющая сталь	3,2	35 175 280 420 420 525 700
			
-			
	Свинец Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	<=3,6	35 70 175 245 315 420
	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	3,2	1020 2520 3850 4550 5250
1	1 1			
			
1=1.	l_i	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	0,8 и 1,6	1400 3150 4800 5700 6550
	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	Шаг 3,2, толщина любая	1750 2450 3850 4550 5250
	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	Шаг 1,6, толщина любая	2100 2800 4200 4900 5600
271
Продолжение табл. 4
Тип уплотнения	Материалы	Толщина в мм	Минимальные уплотняющие давления в кГ/см2
	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Монель Нержавеющая сталь	Шаг 0,8, толщина любая	2450 3150 4550 5600 6650
	J	Алюминий Медь Мягкая сталь (же- лезо) Нержавеющая сталь	Любые диаметры	232 кГ/см. окружности 800 кГ/см окружности 1070 кГ/см окружности
@	z<& 1	Алюминиевая	ру- башка Алюминиевое кольцо Алюминиевая	ру- башка Кольцо из нержа- веющей стали Рубашка из нержа- веющей стали Кольцо из нержа- веющей стали	] Любые > диаметры	268 кГ/см окружности 268 кГ/см окружности 1070 кГ/см. окружности
Примечание. Приведенные значения минимальных уплотняющих давлений не могут быть использованы в расчетах, рекомендованных правилами ASME. Таблица составлена для оптимальной чистоты обработки поверхности фланцев при отсутствии на них жира, смазочных масел и уплотнительных замазок .			
272
Таблица 5
Типы фланцев
Простые плоские фланцы со свободно лежащей
прокладкой. Уплотнительные поверхности обоих
фланцев—плоские. Прокладка может быть кольце-
вой с наружным диаметром, меньшим окружности
болтов, или заполнять собой всю ширину стыка
фланцев
Фланцы с канавкой и выступом, полностью фик-
сирующими прокладку. Глубина канавки равна |
или несколько меньше высоты выступа. Ширина I
канавки не должна превышать ширину выступа
более чем на 1,6 мм. Прокладка изготовляется
обычно по размерам выступа. При разборке фланцы
должны отжиматься в осевом направлении. Такое
соединение обеспечивает создание высоких уплот-
няющих давлений
Фланцы с затяжкой до соприкосновения металла
к металлу. Полная фиксация прокладки. Одна
уплотнительная поверхность плоская, на другой
имеется канавка под прокладку. Применяются
для соединений, в которых требуется точное соблю- i
дение осевых размеров. Соприкосновение фланцев
ограничивает дальнейшее сжатие прокладки. Та-
кое соединение допускает использование только
некоторых типов металлических прокладок, обла-
дающих максимальной упругостью. Могут приме-
няться спирально-витые, пустотелые металлические
О-образные кольца, самораспорные и кассетные
прокладки с металлическими наполнителями
Фланцы с торцовыми выступами и свободно ле-
жащей прокладкой. Уплотнительные поверхности
плоские, располагаются внутри окружности бол-
тов, торцы выступают на 2—6 мм. Прокладка обыч-
но кольцевая. Соединение легко разбирается без
отжима фланцев. При использовании в одном со-
единении стального и чугунного фланцев, чтобы
исключить возможность разрушения чугунного
фланца при затяжке болтов, уплотнительные по-
верхности следует делать плоскими
Фланцевое соединение под кольцевую прокладку,
известное также под названием «соединение API»
(Американский нефтяной институт). Оба фланца
имеют канавки с плоским дном и наклонными стен-
ками. Угол наклона, отсчитываемый от вертикали,
равен 23°. Прокладки выполняются сплошными
металлическими с овальным или восьмиугольным
поперечным сечением; последнее предпочтительнее
18 Дж. А. Паркс и др.
273
Продолжение табл. 5
Фланцы с направляющими выступами и односто-
ронней фиксацией прокладки: а — наиболее рас-
пространенная конструкция. Глубина проточки
равна или несколько меньше, чем высота торцо-
вого выступа ответного фланца и возможность
соприкосновения фланцев при затяжке болтов пол-
ностью исключена. Наружный диаметр проточки
не более чем на 1,5 мм превышает наружный диа-
метр выступа ответного фланца. Разборка соедине-
ния требует отжима фланцев в осевом направле-
нии: б — фланцевое соединение, фиксирующее про-
кладку по внутреннему диаметру; в — соединение
с затяжкой фланцев до соприкосновения металл
к металлу и фиксацией прокладки по ее наружному
диаметру
Фланцы со свободно лежащей прокладкой—для всех соедине-
ний, имеющих форму в плане, отличную от круглой, а также
для круглых больших диаметров.
Фланцы с уступом — для круглых форм с точной фиксацией
прокладки.
Фланцы с канавкой—для круглых форм с узкими прокладками,
применяются при высоких давлениях.
Другие специальные типы фланцев, не вошедшие в табл. 5,
включают фланцы с линзовыми прокладками, О-образными коль-
цами, дельтаобразными прокладками и резьбовые соединения.
Типы прокладок. Металлические прокладки можно разбить на
несколько групп:
1) гофрированные или рифленые тонколистовые прокладки;
2) кассетные прокладки с мягким наполнителем; 3) спирально-
витые прокладки; 4) простые плоские прокладки; 5) сплошные
прокладки с круглым поперечным сечением; 6) сплошные массив-
ные прокладки со специальной формой поперечного сечения;
7) самораспорные прокладки со специальной формой попереч-
ного сечения.
Гофрированные прокладки. Представляют собой тонколистовые
гофрированные или рифленые кольца. Применяются в различных
исполнениях: простые, с покрытием уплотнительными замазками,
с покрытием канавок асбестовым кордом на клею (табл. 6). Этот
тип прокладок позволяет применить наиболее экономичные спо-
собы изготовления нестандартных типов и неправильных форм.
При правильном подборе материалов эти прокладки могут рабо-
тать при любых температурах.
274
Таблица 6
Гофрированные прокладки
УХ/Х/Ху^Х]	Простая металлическая прокладка с гофрирован- ной или рифленой поверхностью. Гофры распо- ложены концентрично по отношению к внутрен- нему диаметру прокладки. Служат отличным сред- ством уплотнения соединений на низкие давления (не свыше 35 кГ/см2) с гладкими фланцами слож- ных иекруглых конфигураций, которые приме- няются на топливных и выхлопных трубопроводах авиационных газовых турбин, крышках клапанов и т. п. Выпускаются с толщиной металлической ленты от 0,25 до 0,8 мм и шагом гофров от 1,15 до 6,35 мм. Общая толщина прокладки составляет 40—50% от шага гофра
	Металлическая гофрированная прокладка с по- крытием уплотнительной замазкой. Покрытие рас- ширяет диапазон рабочих давлений до 70 кПсм1. Допускается более грубая обработка уплотнитель- ных поверхностей фланцев, чем для типа 1
	Гофрированные металлические прокладки с ас- бестовым наполнением гофров на клею. Рекомен- дуется применять при средних давлениях (40 кГ/см2) в соединениях больших размеров с довольно низкой чистотой обработки поверхности, например, в зо- лотниковых коробках паровых машин, патрубках выхлопных газов (низкие давления, но высокие температуры). Выпускаются прокладки только с тремя величинами шага гофров: 4,0; 4,8 и 6,35 мм. Общая толщина прокладки составляет 65—75% от шага гофров
Уплотняющий контакт в гофрированных прокладках осу-
ществляется по линии. Многочисленные концентрично располо-
женные гофры работают как лабиринты и одновременно служат
опорой для уплотнительных замазок или асбестового наполни-
теля, если таковые применяются. Гофры придают прокладке
упругость, степень которой зависит от их шага и высоты, типа
и толщины металла.
Материалы. Гофрированные прокладки изготовляются
почти из всех металлов; толщина листа колеблется от 0,25 до
0,8 мм. При толщине, меньшей чем 0,25 мм, наблюдается разру-
шение металла в процессе образования гофров. Прокладки с асбе-
стовым наполнением обычно изготовляются из листов толщиной
от 0,48 до 0,51 мм.
18*	275
Гофры. Хотя на каждой стороне прокладки желательно
иметь минимум по три гофра, во многих случаях их бывает всего
лишь по одному. Небольшое плоское кольцо у края внутреннего
гофра и такое же кольцо у края наружного придают прокладке
жесткость. Такие прокладки желательны, если располагаемое
место позволяет разместить их. Прокладки в полную ширину
фланцев легкой конструкции должны иметь от одного до трех
гофров с внутренней стороны от окружности болтов и один или
более гофров вне ее. Это обеспечит равномерность распределения
сжимающих усилий и уменьшит искажение формы фланцев.
Кассетные прокладки с мягким наполнителем состоят из мяг-
кого сжимаемого наполнителя, частично или полностью помещен-
ного в металлическую оболочку (табл. 7). Эти прокладки более
сжимаемы, чем гофрированные. Они легче компенсируют непра-
вильность формы фланцев при высоких рабочих давлениях.
Таблица 7
Металлические кассетные прокладки с мягким наполнителем
' 'I	Одноэлементная кассетная прокладка ти- па «Френч». Используется для круглых фланцев, когда требуется непрерывная ме- таллическая поверхность по всей ширине про- кладки. Для прокладок шириной менее 6,5 мм чистота обработки уплотнительных поверх- ностей фланца должна соответствовать сред- неквадратичной величине микронеровностей не более 2 мк. При ширине свыше 6,5 мм на уплотнительные поверхности фланцев должны быть нанесены концентрично рас- положенные риски. Минимальная ширина прокладки равна ее полуторакратной тол- щине
	Двухэлементная кассетная прокладка ти- па «Френч». Используется для фланцев раз- личной конфигурации в условиях, где не требуется металлическая экранировка мате- риала-наполнителя со стороны внешней кромки. В изготовлении несколько проще типа 1. Взаимозаменяемая с одноэлементной прокладкой
И	_J	Простая кассетная прокладка применяется наряду с прокладками типа «Френч», на ши- рину и диаметр ограничения не наклады- ваются. Как правило, стоят дешевле прокла- док типа «Френч». Могут выполняться круг- лой и любой другой формы. При ширине про- кладки более 6,5 мм рекомендуется исполь- зовать двухэлементную кассету. Чистота обработки уплотнительных поверхностей фланцев должна быть не грубее 2 мк
276
Продолжение табл. 7
	Двухэлементная кассетная прокладка. Применяется при необходимости полной экранировки металлом материала-напол- нителя. Сгиб кассеты по наружному диаметру обеспечивает дополнительную опору флан- ца. Может иметь в плане произвольную фор- му, но стоимость изготовления их выше, чем у прокладок других типов. При ширине меньше 4 мм целесообразно применять одно- элементные кассеты или прокладки типа «Френч». Чистота обработки уплотнительных поверхностей фланцев должна быть не гру- бее 2 мк.
	Гофрированные кассетные прокладки. Гофра придает рубашке кассеты упругость. Применяются для круглых или почти круг- лых фланцев, ширина от 12 мм и выше. Гер- метичность соединения благодаря наличию гофров выше, чем в случае применения про- кладок других типов. Эффективность уп- лотнения повышается еще больше, если при- менить уплотнительные замазки. При замене асбестового наполнителя гофрированными металлическими кольцами прокладки спо- собны работать при температурах, которые допускает сам металл
(в	1	Свернутые кассетные прокладки. Приме- няются в тех случаях, когда прокладка в замкнутой кассете должна иметь ширину, меньшую, чем у плоских двухэлементных кас- сетных прокладок. Изготовляются с внутрен- ним диаметром не менее 25 мм. Для прида- ния большей упругости неметаллический на- полнитель может быть заменен сплетенной металлической проволокой
Наиболее ответственным местом является внутренний сгиб
и стык внахлестку листов металлической кассеты (фиг. 2), где
сжатая прокладка имеет наибольшую толщину. В этом месте ме-
талл течет в холодном состоянии, создавая уплотняющий контакт.
Внутренний сгиб кассеты обязательно должен быть сжат. При
сжатии и внешнего сгиба кассеты (если он существует) образуется
дополнительный уплотняющий стык. Наличие промежуточных
гофр способствует проявлению лабиринтного эффекта.
Кассетные прокладки применяются с одинаковым успехом для
уплотнения соединений с фланцами круглой или других конфигу-
раций, если требуемая величина сжимаемости не превышает
277
Внутренний диаметр прокладки в мм	Толщина стенки кассеты в мм
До 115	От 0,2 до 0,3
От 115 до 200	» 0,25 » 0,48
Свыше 200	» 0,38 » 0,65
чрезвычайно коррозионных средах
Фиг. 2. Сгиб металлической кассетной
прокладки с мягким наполнителем. Не
вносите в спецификацию требования вы-
полнить сгиб впотай, заподлицо с поверх-
ностью прокладки. Предварительное сжа-
тие сгиба может резко ухудшить герме-
тичность соединения.
20—30%. Они могут применяться при рабочих температурах
не превышающих предельно допустимые значения для материала-
наполнителя и металла кассеты.
Из-за невысоких упругих свойств кассетных прокладок их
следует использовать лишь в тех соединениях, где упругость бол-
тов или другие факторы компенсируют ослабление усилия за-
тяжки. Не рекомендуется применять в конструкциях, требующих
точного сохранения толщины
сжатой прокладки.
Материалы. Кассетные
прокладки могут быть сделаны
из различных металлов и мяг-
ких наполнителей. Толщина ме-
таллических листов, используе-
мых для изготовления кассет,
лежит обычно в пределах от 0,2 до 0,65 мм. Чаще всего она вы-
бирается в зависимости от диаметра в соответствии с таблицей.
Толщина стенки свинцовой кассеты любых диаметров берется
равной 0,46 до 0,8 мм.
Стандартным наполнителем служит асбестовый картон с пре-
дельно допустимой температурой применения в 450—480° С. Однако
в несложных условиях можно использовать асбест и до 650° С.
Для прокладок повышенной прочности употребляется прессо-
ванный листовой асбест. В
при температурах до 260° С
применяют тефлон. Для рабо-
чих температур свыше 480° С
могут применяться рифленые
кассеты или свернутые кассет-
ные прокладки с металличе-
ским наполнителем.
Номинальная толщина
прокладок обычно равна 1,6;
2,4 или 3,2 мм. Действитель-
ная толщина кассетных про-
кладок отличается от номинальной
на толщину кассеты и наполнителя
деформаций стенки кассеты при ее
толщина подсчитывается суммированием номинальной толщины
наполнителя и удвоенной толщины стенки кассеты.
Ширина сгиба кассеты не может быть выбрана произвольной
в широких пределах. Максимальная ширина сгиба — это ширина
отбортовки, которую можно выполнить без трещин и морщин.
Величина ее зависит от свойств металла, толщины листа, толщины
прокладки и диаметра. При сравнительно малых диаметрах или
радиусах сгиба следует принимать во внимание максимально
достижимую ширину сгиба.
278
за счет набегания допусков
и восстановления упругих
изготовлении. Номинальная
Спирально-витые прокладки. Состоят из V-образных чередую-
щихся слоев спирально-свернутой ленты металла и мягкого мате-
риала, например асбестовой бумаги (табл. 8). V-образная форма
металлической ленты придает прокладке уникальные упругие
свойства.
Таблица 8
Спирально-витые прокладки
		Спирально-витая прокладка общего назна- чения. Состоит из предварительно отформо- ванной V-образной металлической ленты, навитой спиралью. Витки ленты разделены слоямимягкого наполнителя, обычно асбеста. Обладает высокой упругостью и эффектив- ностью. Применяется в тех соединениях, где не требуется центрирование прокладки и ограничение величины ее деформации. Мо- жет использоваться в соединениях с затяж- кой фланцев до соприкосновения металл к металлу
	1	Спирально-витая прокладка с внешним жестким металлическим кольцом, которое предназначено для центрирования прокладки и ограничения ее деформации при сжатии. Применяется в тех соединениях, где проклад- ка расположена вдали от болтов, либо дру- гих центрирующих элементов, а также в тех случаях, когда необходимо контролировать величину деформации прокладки из-за воз- можной перетяжки соединения, необходи- мости точно выдержать осевые размеры и т. д. Внешний контур металлического центрирую- щего кольца может быть выполнен любой конфигурации, как того требует конструкция узла. В нем могут быть предусмотрены и бол- товые отверстия
		Спирально-витая прокладка с внутренним и внешним ограничительными кольцами. Применяется для очень тяжелых условий ра- боты. Кольца заполняют пространство между фланцами, которое при отсутствии колец могло бы способствовать интенсивному про- явлению турбулентности течения и эрозии торцовых поверхностей
		Спирально-витая прокладка с внешним легким центрирующим кольцом. Величина деформации прокладки кольцом не ограни- чивается. Применяется в несложных услови- ях работы в соединениях с незначительными усилиями затяжки, где полностью исклю- чена возможность чрезмерного сжатия про- кладки или перенапряжения болтов. Суще- ствует много других способов центрирова- ния прокладки
279
Фиг. 3. Типичные характеристики спираль-
но-витой прокладки с толщиной 4,45 мм:
1 — высокая частота навивки; 2 — средняя час-
тота навивки; 3 — низкая частота навивки.
Эти прокладки обладают лучшими упругими свойствами, чем
все другие металло-асбестовые прокладки. Для обеспечения опти-
мальных условий уплотнения при различных усилиях затяжки
частота навивки может быть также различной. Спирально-витые
прокладки допускают применение довольно грубо обработанных
поверхностей фланцев, могут быть изготовлены из широкого пе-
речня металлов и некруглыми, но выполняются преимущественно
кольцевой формы.
Уплотняющий эффект соз-
дается совместной текучестью
слоев металла и мягкого на-
полнителя под сжимающим
усилием определенной вели-
чины. Внутренние и внешние
витки металлической ленты,
не имеющие между собой про-
слоек, должны быть сжаты.
Спирально-витые проклад-
ки кольцевой или почти коль-
цевой формы применяются
в конструкциях соединений,
допускающих толщину затя-
нутой прокладки от 2,4 до
3,2 мм. Особенно целесооб-
разно их применять в узлах,
где возможно значительное
снижение усилия затяжки
соединения, а также в усло-
виях циклично меняющихся
температур и давлений, при
наличии ударов и вибраций.
Такие прокладки показывают хорошие результаты в соединениях
с ограниченным перемещением при затяжке, поскольку их высокие
упругие свойства позволяют компенсировать незначительное рас-
хождение фланцев.
Спирально-витые прокладки обеспечивают наилучшие характе-
ристики при сжатии их до вполне определенной величины. Сжимае-
мость прокладок с высокой степенью точности может регулиро-
ваться изменением частоты навивки, т. е. изменением числа ме-
талло-асбестовых слоев на единицу ширины прокладки (фиг. 3).
Толщина асбестовых лент берется в пределах от 0,25 до 0,8 мм.
Стандартные прокладки имеют толщину 3,2 или 4,8 мм. Для про-
кладок с толщиной 3,2 мм рекомендуется сжатие при сборке узла
до толщины 2,4 ± 0,125 мм. Прокладки с номинальной толщи-
ной 4,8 мм рекомендуется затягивать до толщины 3,3 + 0,125 мм.
Материалы. Спирально-витые прокладки изготовляются
из большого числа металлов. Характеристики этих прокладок во
280
многом зависят от упругих свойств V-образных металлических
лент. Поэтому следует использовать такие металлы, которые
обладают наилучшими упругими свойствами при рабочих темпе-
ратурах. Для некоррозионных сред по меньшей мере в 80%
всех случаев применения кассетных металлических прокладок
можно использовать нержавеющую сталь 301 в широком диапазоне
рабочих температур от—196 до+540° С. Однако при темпера-
турах выше +400° С в соединениях с затяжкой фланцев до упора
в металл и некоторых конструкциях, требующих максимальной
упругости прокладки, нержавеющая сталь 304 работает недоста-
точно удовлетворительно и целесообразно использовать нержа-
веющую сталь 316, инконель или даже термообработанный
инконель X.
Асбестовые наполнители не рекомендуется применять в тех
случаях, когда действительная температура самой прокладки пре-
вышает 510—540° С, а фланцевое соединение подвергается воздей-
ствию циклично меняющихся температур и давлений. Однако
существует немало примеров эффективной работы уплотнения
в течение длительных периодов времени при температурах трубо-
провода, доходящих до +700° С. Асбестовые наполнители могут
применяться и при отрицательных температурах, но в этих усло-
виях лучше использовать тефлон. Наполнители из твердого теф-
лона допускают рабочие температуры от —196 до +230° С. Пре-
дельно допустимая температура для тефлоно-асбестовых наполни-
телей не превышает +316° С.
Ширина прокладки. Максимальная ширина про-
кладки зависит от ее диаметра и толщины. Как правило, чем
больше диаметр, тем уже прокладка. При конструировании спи-
рально-витых прокладок следует особенно тщательно проверять
правильность назначения размеров на уплотнительных поверх-
ностях, чтобы обеспечить сжатие между фланцами внутренних
и внешних металлических витков.
Форма. Спирально-витые прокладки могут иметь форму,
не очень отличающуюся от кольца, причем здесь проявляется и
влияние размеров. В прокладках приблизительно овальной формы
полуоси не должны отличаться более чем в 2 раза Прокладки
прямоугольной формы (с округлыми углами) трудно изготовить,
если внутренний размер больше 150 мм.
Обработка поверхностей фланцев. Хотя
в несложных условиях работы спирально-витые прокладки могут
применяться во фланцевых соединениях с практически любой чи-
стотой обработки торцов, которая является обычной для стан-
дартных конструкций, все же более предпочтительным следует
считать состояние уплотнительных поверхностей, соответствую-
щее среднеквадратичной величине микронеровностей 4,0—5,0 мк.
Для сложных условий работы рекомендуется обработка не гру-
бее 0,8—2,0 мк.
1578
281
Плоские металлические прокладки. Так называют прокладки,
у которых толщина по сравнению с шириной невелика (табл. 9).
Они могут применяться в том виде, в каком вырубаются из листо-
вого металла. Для повышения эффективности уплотнения, чтобы
уменьшить величину площади уплотнительных поверхностей,
прокладки подвергаются механической обработке.
Таблица 9
Плоские металлические прокладки
	.-'_i т	Простая плоская прокладка. Является самым распространенным типом прокладок, которые при- меняются в условиях, не требующих высокой сжи- маемости материала для компенсации шерохова- тости уплотнительных поверхностей, покороблен- ное™ или несоосности фланцев и если располагае- мые усилия затяжки достаточно велики для выбран- ного прокладочного материала. Может быть изго- товлена любой формы. Ширина прокладки должна быть равна не менее чем полуторакратной толщине, кроме прокладок, подвергающихся обработке па станке. На размеры плоской прокладки никаких ограничений не накладывается. Однако ширина стандартных листов может вызвать необходимость сварки при изготовлении особо больших прокладок
	Плоские металлические рифленые прокладки. Применяются в тех случаях, когда высокое рабочее давление, температура и коррозионность среды де- лают необходимым использование сплошных метал- лических прокладок, но располагаемое усилие за- тяжки недостаточно для герметизации стыка с по- мощью простых плоских прокладок. Другим при- мером применения могут служить резьбовые со- единения, использование в которых рифленых про- кладок снижает силы трения до приемлемых значе- ний благодаря малой ширине контакта на зубцах. Рифленые плоские прокладки могут изготовляться не только круглыми, но и некоторых других неслож- ных форм. Толщина от 1,2 мм и выше
Плоские металлические кольцевые прокладки сравнительно
недороги и имеют удовлетворительные характеристики. Если уси-
лия затяжки недостаточны для создания уплотнения с помощью
простых плоских прокладок, то механически обработанные про-
кладки с уменьшенной площадью поверхности могут применяться
при высоких рабочих давлениях, температурах и коррозионности
среды во фланцевых соединениях обычной конструкции.
Необходимым условием создания уплотняющего контакта за
счет текучести прокладки является приложение значительных
усилий сжатия. Нагрузки должны превосходить предел текучести
282
прокладочного Материала на Поверхности контакта. Поэтому
очень важное значение имеет обработка уплотнительных поверх-
ностей фланцев и прокладки.
Обработка. Простые металлические прокладки постав-
ляются в виде вырезанных из листового металла колец. Чистота
их поверхностей соответствует чистоте поверхности прокатанных
листов плюс повреждения во время хранения и при транспортировке.
Более того, в зависимости от способа вырубки кромки прокладки
могут иметь заусенцы или другие неровности, которые иногда
способны отрицательно сказаться на эффективности уплотнения.
Если к прокладкам предъявляются повышенные требования,
например отсутствие заусенцев, царапин, жесткие допуски на
размеры ит. п., то стоимость их возрастает.
Для лучшей герметичности соединения целесообразно в случае
применения плоских металлических прокладок наносить на уплот-
нительные поверхности фланцев концентрично расположенные
кольцевые риски. Можно также рекомендовать очень легкую
подрезку торцов со спиральным расположением следов обработки
с чистотой поверхности не грубее 2,0 мк.
Сплошные металлические прокладки с круглым сечением. Эти
прокладки изготовляются из проволоки нужного диаметра. Длина
заготовки подсчитывается по среднему диаметру прокладки.
Затем проволока свертывается в кольцо и сваривается (табл. 10).
Прокладки с круглым сечением обеспечивают создание эффектив-
ного газоплотного соединения при сравнительно небольших уси-
лиях затяжки. Малая площадь контактной линии обусловливает
высокие местные давления сжатия при незначительных нагрузках
на болтах. По мере сжатия прокладки ширина контактной полосы
увеличивается, при этом происходит затекание прокладочного
материала в микронеровности фланцевых поверхностей.
Сплошные прокладки с круглым сечением применяются в ос-
новном в конструкциях, специально для них разработанных. Флан-
цы, как правило, выполняются с канавками или проточками для
точного фиксирования прокладки при сборке узла. Однако су-
ществуют несколько типов применения таких прокладок в соедине-
ниях с простыми плоскими фланцами.
Фланцы. Чистота обработки поверхности простых плоских
фланцев должна соответствовать среднеквадратичной величине
микронеровностей 2,0 мк или меньше.
Если на одном из фланцев сделана V-образная канавка, то
другая уплотнительная поверхность должна быть плоской. Объем
V-образной канавки следует выбирать меньшим, чем объем про-
кладки, чтобы исключить всякую возможность затяжки соедине-
ния до соприкосновения фланцев. Чистота обработки поверхности
не грубее 4,0—5,0 мк.
Фланцы с конусными уплотнительными поверхностями очень
эффективны, если только объем замкнутого пространства меньше,
283
Таблица^! О
Сплошные металлические прокладки с круглым сечением
ф	(	Проволочное кольцо с круглым поперечным се- чением. Применяется для уплотнения крышек кла- панов, на воздушных и газовых компрессорах, вакуумных насосах и в их арматуре. Фланцы обычно выполняются с канавкой под прокладку
	Проволочное кольцо частично завернуто в рубаш- ку из того же самого или более мягкого металла. При использовании такой прокладки в соединении с простыми плоскими фланцами без канавок внеш- ний край рубашки центрирует кольцо относительно стяжных болтов. Эта конструкция позволяет при- менить одновременно мягкий металл для рубашки с целью повышения эффективности уплотнения и более прочный материал металлического кольца
£	Q (	Прокладка в полную ширину фланца. Приме- няется в тех соединениях, где нельзя использовать другие типы металлических прокладок с круглым сечением из-за чрезмерной деформации фланцев. Диаметр внутреннего кольца примерно на 0,5 мм больше диаметра внешнего кольца. Уплотняющий эффект создается на внутреннем кольце, в то время как внешнее ограничивает изгиб фланца. В рубашке на соединительном участке между кольцами имеются болтовые отверстия. Особенно целесооб- разно применять эти прокладки в соединениях ва- куумных систем большого диаметра. При специаль- ной форме фланцев прокладка обходится дорого
чем объем прокладки. Чистота обработки поверхности не грубее
4,0—5,0 мк
Сплошные массивные металлические прокладки. Эти прокладки
обычно имеют прямоугольную или треугольную форму попереч-
ного сечения и выполняются в виде массивных сплошных колец
(табл. 11). Их применяют при высоких давлениях и температурах,
где рабочие условия требуют разработки специальной конструк-
ции соединения.
Уплотняющий эффект таких прокладок объясняется теку-
честью материала в зоне линейного контакта или при заклинива-
нии. Некоторые типы сплошных прокладок используют рабочее
давление с целью повышения эффективности уплотнения, т. е.
чем выше давление, тем герметичнее становится соединение.
Материалы. Любые кованые металлы, допускающие
пластические деформации, пригодны для изготовления этого типа
прокладок. Применять отливки нельзя. Не рекомендуется также
284
Таблица 11
Сплошные массивные металлические прокладки
ж (Ж		1	Овальные или восьмиугольные. Применяются в системах трубопроводов и сосудах высокого дав- ления. Диапазон рабочих давлений от 70 до 700 кГ/см2. Превосходное механическое соединение. Позволяют обеспечить высокие уплотняющие давле- ния на прокладку при умеренном нагружении бол- тов. Изготовляются только кольцевых форм. Стан- дартные прокладки не обладают самоуплотняющим эффектом под давлением. Модификация ВХ прок- ладки с восьмиугольным поперечным сечением раз- работана для нефтяного технологического и буро- вого оборудования на давления до 1050 кГ/см2. Прокладка ВХ обладает свойством самоуплотнения под давлением
^Ц: '			Линзовые кольцевые прокладки. Линзовая про- кладка создает уплотняющий контакт по линии и применяется в трубопроводах высокого давления и в некоторых случаях для уплотнения крышек со- судов под давлением. Существует много различных конструкций линзовых колец. Наиболее распростра- ненные прокладки имеют сферическую форму уплот- нительной поверхности, как показано на фигуре, и применяются с прямыми и скошенными под уг- лом 20° торцами фланцев. Линия контакта распо- лагается примерно на расстоянии одной трети ши- рины фланца от его внутреннего края. Были случаи применения линзовых прокладок вместе с дополнительными упрочняющими коль- цами, но, видимо, это мало сказалось на характе- ристиках уплотнения. Изготовлялись прокладки и с канавкой на внутренней поверхности кольца в расчете на то, что под воздействием рабочего давления возникнет эффект самоуплотнения и гер- метичность соединения возрастет. Такие линзовые прокладки действительно работают хорошо, но до- пуски на их обработку и твердость приобретают критический характер. Твердость обычных линзовых колец меняется вместе с материалом, который подбирается в соот- ветствии с рабочими условиями. Как правило, про- кладка должна быть изготовлена из более мягкого металла, чем фланцы
285
Продолжение табл. 11
Прокладка типа «Бриджмен». Обладает свойством
самоуплотнения под давлением и применяется для
уплотнения крышек клапанов и сосудов. Рабочее
давление от 100 кТ/см1 и выше. Применяется также
для соединений трубопроводов, работающих в усло-
виях очень больших скачков рабочих температур.
Прокладка типа «Бриджмен» имеет несколько вари-
антов конструкции, название ее относится к типу
соединения. Прокладка опирается на стенку сосуда
и боковую цилиндрическую поверхность крышки,
так что возрастание рабочего давления увеличи-
вает усилие, прижимающее прокладку. Поэтому
уплотняющее давление сжатия всегда на определен-
ную величину выше, чем давление в сосуде. Такие
прокладки требуют высокой точности изготовления
и тщательной установки на место
Дельтообразные прокладки. Это не опертая по
поверхности прокладка. Применяется для уплотне-
ния крышек клапанов и сосудов под давлением.
Требуемая точность изготовления прокладки и ка-
навки слишком высока и дорогостояща, чтобы ис-
пользовать такой тип уплотнения во фланцевых
соединениях трубопроводов. Рабочее давление
от 350 кПсм? и выше.
Прокладка устанавливается в канавке треуголь-
ного сечения; вершина треугольника обращена на-
ружу. При начальном уплотнении лишь в двух точ-
ках поперечного сечения осуществляется контакт
с уплотнительными поверхностями фланцев. В этих
двух точках происходит деформация прокладки
и создается уплотняющий контакт.
Под действием рабочего давления на внутренней
цилиндрической поверхности прокладки возникает
сила, которая стремится искривить ее и расклинить
конические поверхности прокладки в канавке, по-
вышая тем самым герметичность уплотнения
использовать материалы, требующие термообработки после окон-
чательной механической обработки из-за возможного коробления.
Самораспорные металлические прокладки. Это прокладки
сильфонного типа с U-, К- и V-образной формой поперечного сече-
ния (фиг. 4). Они изготовляются из жестких металлов, причем
линия уплотняющего контакта с фланцевыми поверхностями про-
ходит вблизи внутренней кромки прокладки. Ширина прокладки,
отсчитываемая от точки контакта до периферии, определяет эф-
фективную поверхность сильфона.
Эти металлические прокладки могут заменить собой резиновые
О-образные кольца примерно при тех же размерах канавок и уси-
лиях затяжки, Они применяются при температурах и средах,
286
в которых неметаллические О-образные кольца работать не могут.
Принцип их действия основан на создании вблизи внутренней
кромки прокладки линии уплотняющего контакта, что достигается
при начальной сборке узла с помощью очень небольших усилий
затяжки. Когда давление уплотняемой среды возрастает до опре-
деленной величины, то на эффективной поверхности сильфона
возникают усилия, достаточные для поддержания уплотняющего
контакта даже при небольшом раскрытии стыка фланцев. После
создания начального уплотнения контактные давления на уплот-
няющем стыке возрастают под воздействием рабочего давления.
Фиг. 4. Типичные самораспорные металлические про-
кладки.
Большинство конструкций самораспорных прокладок запатен-
товано и относительно их использования необходимо получить
консультацию у фирмы-изготовителя.
Порядок выбора прокладок. Ниже изложены три различных
метода подбора прокладок. Они разработаны для следующих
условий:
1.	Конструкция узла выполнена в соответствии с Правилами
ASME. Приложение II «Правил для аппаратуры высокого давле-
ния без огневого обогрева» не указывает, как выбрать тип и перво-
начальные размеры прокладки. Окончательное решение принять
на основе опыта и соображений конструктора.
2.	Прокладку подобрать для уже готового соединения. Воз-
можны лишь незначительные изменения конструкции.
3.	Конструкцию разработать заново, необходимые изменения
могут быть внесены.
Существует несколько доводов в пользу дифференцированного
подхода к ссединениям, выполненным в соответствии с Правилами
ASME, и к соединениям, отличным от таковых. Во-первых, пре-
дельно допускаемые напряжения в болтах и фланцах согласно
Правилам берутся равными 25% от предела прочности при растя-
жении. Никаких поправок на повышение прочности материала
в результате термообработки не вносится.
Действительная нагрузка на болты превышает минимальную
величину, определяемую по Правилам, в 1,5—4 раза (в зависимо-
сти от размеров и материала болтов).
Представленный здесь метод выбора металлических прокладок
учитывает то обстоятельство, что рекомендованные Правилами
287
величины минимальных удельных давлений у на 25—75% ниже,
чем минимальные давления сжатия, необходимые для действи-
тельно плотного прилегания прокладки к поверхности фланца,
если только не применять уплотнительных замазок. Вводимый
Правилами поправочный коэффициент т, зависящий от типа про-
кладки, важен при расчете фланцев для обеспечения удовлетво-
рительной жесткости их при избыточном давлении. На выбор
прокладки этот коэффициент влияния не оказывает.
Метод подбора прокладки, рекомендованный Правилами ASME.
Выберите предварительно один из четырех основных типов ме-
таллических прокладок: спирально-витые, плоские кассетные
с асбестовым наполнителем, рифленые кассетные с асбестовым
наполнителем, кольцевые прокладки. Хотя для рекомендованных
Правилами типов фланцев пригодны и другие прокладки, их
применение требует значительного опыта конструирования и
умения оценить обстоятельства.
1.	Выбрать материалы в зависимости от рабочих условий.
2.	Выбрать тип фланца.
3.	Определить ориентировочные размеры прокладки.
4.	Строго придерживаться схемы расчета фланцев, изложенной
в «Приложении II», используя найденные по таблице UA-47.2
величины у и т и предельно допускаемые напряжения в болтах.
Методы подбора прокладки, отличные от предыдущего. В обоих
методах, не совпадающих с методикой Правил ASME, первым
шагом является определение общего усилия затяжки, которое
будет создано при сборке соединения. Это усилие мало зависит от
предельно допускаемых напряжений в болтах, указанных в спра-
вочнике. Для создания удовлетворительного уплотнения с по-
мощью металлических прокладок усилие, развиваемое затянутыми
болтами, должно лежать в пределах, указанных в табл. 4.
Для фланцевых соединений с прокладками следует принимать
начальные напряжения в болтах при затяжке в следующих пре-
делах: для углеродистых и нержавеющих сталей 1400 кГ/см2,
для легированных сталей 2100—3150 кПсм2.
Такая нагрузка болтов должна не только обеспечить сжатие
прокладки, но и предотвратить раскрытие стыка при достижении
рабочих давлений и температур. Усилие /б на одном болте равно:
/б = S6A6,
где S6 — допускаемое напряжение при затяжке болтов в кПсм2',
Аб — минимальная площадь поперечного сечения болта в см2.
Общее усилие затяжки F6 кг равно:
F6 = f6N6,
где N6 — число болтов.
Первый случай — готовые фланцы.
1.	Подсчитать действительное располагаемое усилие затяжки
фланцев.
288
2.	Выбрать приближенные размеры прокладки с учетом кон-
струкции фланцев.
3.	Подсчитать общую площадь поверхности прокладки Ан
(учитывать только поверхность контакта без выступающих участ-
ков).
4.	Подсчитать максимально возможное давление сжатия про-
кладки Sn при сборке фланцев по формуле
где Ап — площадь поверхности прокладки в см2.
5.	Выбрать металл для прокладки, наиболее подходящий
(и экономичный) для рабочих условий.
6.	Исходя из минимальных уплотняющих давлений (табл. 4),
подобрать тип прокладки, для которого это давление меньше, чем
максимально возможное давление сжатия Sn, или равно ему.
Определите необходимую чистоту поверхности (если располагае-
мая величина максимального сжатия прокладки Sn меньше табу-
лированных значений, см. и. 8).
7.	Проверить возможность получения прокладки, имеющей
требуемые размеры, форму и материал.
8.	Если ни один тип прокладки не обладает минимальными
уплотняющими давлениями, меньшими, чем располагаемые давле-
ния сжатия, и нагрузку на болты увеличить нельзя, то следует
попытаться уменьшить площадь поверхности прокладки за счет
увеличения ее внутреннего диаметра, введения частичных вырезов
вокруг болтовых отверстий, или, если это возможно, применить
более мягкие прокладочные материалы, чтобы понизить минималь-
ное уплотняющее давление до располагаемых давлений затяжки.
9.	Проверить работоспособность соединения по гидростатиче-
ской нагрузке Fh
F h Р(Д т ’
где pt — максимально возможное рабочее давление в кГ!см2;
Ат—площадь поверхности, подвергающейся гидростатиче-
скому осевому усилию, в см2 (подсчитывается по сред-
нему диаметру прокладки, см. фиг. 1).
Если общее усилие затяжки не превышает усилия от рабочего
давления, то фланцевое соединение не будет герметичным, пока
нагрузка на болты остается в тех же пределах.
Второй случай — подбор прокладок для вновь разрабатывае-
мой конструкции.
1.	Выбрать металл для прокладки, наиболее подходящий
(и экономичный) для рабочих условий.
2.	Подобрать тип прокладки или несколько типов, наилучшим
образом отвечающие размерам и конфигурации фланцев, а также
рабочим условиям.
19 Дж. А. Паркс и др.	289
3.	По табл. 4 определить минимальное уплотняющее давление
для выбранного типа прокладки и материалов. Определить необ-
ходимую чистоту поверхности.
4.	Сделать приближенный расчет размеров прокладки, исходя
из конструкции фланца и его размеров, подсчитать площадь по-
верхности прокладки.
5.	Вычислить общее усилие затяжки, необходимое для уплот-
нения прокладки.
6.	Проверить, достаточно ли это усилие также и для того,
чтобы не допустить раскрытия стыка под воздействием рабочего
давления. Определение числа и размеров болтов следует проводить
по усилию от рабочего давления, помноженному на некоторый
коэффициент запаса.
7.	Подсчитать общую площадь сечения болтов Аб по допускае-
мым напряжениям при начальной затяжке S6:
Отсюда методом последовательных проб определяют действи-
тельное число и размеры болтов.
ПУСТОТЕЛЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ О-ОБРАЗНЫЕ КОЛЬЦА
(R. L. Gastineau)
Прокладки в виде пустотелых металлических О-образных ко-
лец обладают в рабочих условиях некоторыми характеристиками,
которые несвойственны статическим сплошным резиновым О-об-
разным кольцам. При очень высоких давлениях уплотняемый
зазор для резиновых колец должен быть предельно малым, чтобы
предотвратить выдавливание резины. Область применения рези-
новых О-образных колец ограничивается верхним пределом по
температуре, равным температуре разложения резины. Диапазон
рабочих давлений для обычных О-образных колец ограничен
нижним пределом, так как при высоком разрежении резина «га-
зит», нарушая тем самым вакуум.
Принцип действия. Пустотелое металлическое О-образное
кольцо, выполненное в виде тора, обладает природной упругостью,
аналогично резиновым кольцам, но для применения металличе-
ских колец нет температурных ограничений. Металлические
кольца применяются в качестве прокладок для уплотнения непо-
движных соединений.
Они изготовляются из трубок нержавеющей стали сваркой кон-
цов в стык с последующим шлифованием заподлицо сварного шва.
Существуют два типа статических соединений для металлических
290
О-образных колец: с полностью закрытой канавкой и с полуот-
крытой канавкой.
В обоих типах соединений уплотнение металлическими коль-
цами основано на создании высоких местных напряжений, которые
заставляют металл течь в холодном состоянии. При этом стык
уплотняется так же, как и в случае обычных прокладок.
Наиболее часто применяются полуоткрытые канавки (табл. 1).
В них кольцо вдавливается только в одном направлении. Размеры
Таблица 1
Типы пустотелых металлических О-образных колец
Простое уплотнительное металлическое О-образ-
ное кольцо; применяется в конструкциях с пол-
ностью закрытыми и полуоткрытыми канавками.
Стандартные металлические кольца и кольца, за-
полненные газом под давлением, допускают ис-
пользование их в соединениях с закрытыми ка-
навками при температурах от —251 до +1650° С.
Они способны уплотнить высокий вакуум, корро-
зионные жидкости и газы, сохранять давления до
700 к/7сл12. Стандартные О-образные металлические
кольца в полуоткрытых канавках обладают мень-
шими пределами по температуре и давлению, чем
кольца, заполненные газом, но зато они более эко-
номичны
Самораспорные металлические кольца; приме-
няются исключительно в конструкциях с полуот-
крытыми канавками. По внутренней окружности
кольца расположены мелкие отверстия, и, таким
образом, давление внутри кольца равно рабочему
давлению в системе. Так как в верхней и нижней
точках поперечного сечения существует уплотняю-
щий контакт, то внутреннее давление расширяет
кольцо в канавке, способствуя герметизации стыка.
Рекомендуется применять этот тип колец при рабо-
чих температурах ниже 480° С и давлениях выше
7 кПсм2
Металлические О-образные кольца, заполненные
газом под давлением; применяются в конструкциях
с полностью закрытыми или полуоткрытыми канав-
ками. Кольцо обычно заполняется инертным газом
под давлением около 42 кПсм?. С повышением тем-
пературы давление газа возрастает, компенсируя
снижение прочности вследствие нагрева и увеличи-
вая упругость кольца. Этот тип колец не может
применяться при столь высоких давлениях, какое
допускают самораспорные кольца, но их целесооб-
разно применять в диапазоне рабочих температур
от +430 до +815° С
19
291
канавки выбраны так, что при затяжке фланцев круглое сечение
кольца деформируется. Уплотняющий стык возникает на обеих
уплощенных поверхностях кольца. Возможны и такие конструк-
ции, где уплотнение достигается по внутреннему или наружному
диаметру кольца, но они более сложны.
Типичное соединение с закрытой канавкой под пустотелое ме-
таллическое кольцо имеет две V-образные проточки на сопряжен-
ных поверхностях фланцев (фиг. 1). Это соединение напоминает
конструкцию с обычной сплошной металлической прокладкой.
Объем V-образной канавки приблизительно равен объему О-об-
разного кольца. Сопряженные V-образные проточки расположены
на поверхностях ответных фланцев. При за-
тяжке соединения поперечное сечение кольца
деформируется в квадрат с округлыми угла-
ми. После разборки соединения кольцо ни-
когда полностью не восстанавливает свою
первоначальную форму. Хотя это соедине-
Фиг. 1. Полностью за-
крытая канавка для
пустотелого металли-
ческого кольца.
ние обеспечивает эффективное уплотнение,
жесткие требования к несоосности канавок
делают его очень дорогим.
Выбор конструкции. Пустотелые метал-
лические О-образные кольца, изготовляемые
в соответствии со стандартами, имеют наружный диаметр от 6,35
до 1000 мм и диаметр поперечного сечения от 0,9 до 12,7 мм.
По специальным заказам изготовляются кольца с наружным диа-
метром до 3800 мм. Они могут иметь в плане прямоугольную или
другую произвольную форму. Радиус закруглений на углах колец
прямоугольной формы не делается меньшим, чем четыре диаметра
поперечного сечения кольца.
Толщина стенки. Кольца с относительно тонкими стенками
(0,25 мм для диаметра трубки 3,2 мм) обладают несколько большей
упругостью. Для таких колец требуются меньшие усилия затяжки;
малые усилия назначаются во избежание раздавливания кольца.
Предельно допустимое давление уплотняемой жидкости пропор-
ционально усилию затяжки фланцев.
Толстостенные кольца требуют больших усилий сжатия, но
выдерживают и более высокие рабочие давления. Упругость тол-
стостенных колец возрастает при их заполнении газом под давле-
нием или соединением внутреннего пространства кольца с рабочей
полостью машины.
Толщина стенки пустотелого кольца, требуемая в конкретных
условиях применения, в значительной степени зависит от природы
уплотняемой среды. Тяжелые жидкости, легче всего поддающиеся
герметизации, можно уплотнять тонкостенными кольцами. Газы,
с их малыми молекулами и отсутствием эффекта капиллярных
сил, требуют применения толстостенных колец с покрытием,
которые способны выдерживать более значительные усилия
292
затяжки фланцев и потому обеспечивать лучшую герметизацию
стыка.
Материалы. Почти все пустотелые О-образные кольца изго-
товляются из какой-либо марки нержавеющей стали, обычно
типа 321. Нержавеющая сталь 321 стабилизирована титаном, что
предотвращает выпадение карбидов при сварке. Применяются
и другие материалы, например алюминий.
Пустотелые металлические О-образные кольца часто имеют
тефлоновое покрытие для повышения эффективности уплотнения
при грубо обработанных поверхностях канавки. Иногда употреб-
ляется покрытие серебром и другими металлами. Покрытие поз-
воляет уменьшить задирание и наволакивание металла в резьбо-
вых фланцевых соединениях и является необходимым для эффек-
тивного уплотнения газовых сред.
Давление. Для вакуумной техники применяются простые
кольца из нержавеющей стали с покрытием серебром, индием или
тефлоном, а также алюминиевые кольца с тефлоновым покрытием.
При давлениях до 7 кПсм* используются простые кольца со сред-
ней толщиной стенки. При давлениях от 7 до 2800 кПсм? приме-
няются самораспорные толстостенные кольца. Уплотнение газов
или летучих жидкостей, находящихся под давлением, требует
применения колец с покрытием.
Температура. При очень низких температурах следует изготов-
лять фланцы, болты и О-образные кольца из одного и того же ма-
териала. Простые пустотелые кольца могут применяться в диапа-
зоне рабочих температур от —210 до +95° С. Самораспорные
кольца из инконеля с серебряным покрытием употребляются
при температурах от +290 до 650° С.
Конструкция пустотелых металлических О-образных колец.
Имеется ряд требований, выполнение которых существенно для
удовлетворительной работы колец. Например, величина сжатия
или деформация кольца не должна превышать определенного
предела.
Сдавливание поперечного сечения. Величина необходимого диа-
метрального сдавливания поперечного сечения определяется ус-
ловиями работы кольца: рабочими температурами и давлением.
Реальные значения этой величины при условии эффективного
уплотнения составляют обычно 20—30% от диаметра трубки.
Усилие сжатия, развиваемое при этом, зависит от материала и
толщины стенки.
Изготовители колец прилагают к своей продукции все харак-
теристики подобного рода.
Лучшим способом ограничения сдавливания кольца является
размещение его в канавке или проточке одной из сопряженных
деталей соединения. В этом случае фланцы могут быть затянуты
до соприкосновения поверхностей без риска повредить кольцо
(фиг. 2). Эти конструкции ограничивают максимальную величину
293
диаметрального сдавливания поперечного сечения и обеспечивают
подкрепление уплотнительного кольца.
Подкрепление кольца. В условиях повышенных рабочих давле-
ний требуется некоторое подкрепление колец. Выполняется оно
в виде механически обработанной детали или уступа, которые
Фиг. 2. Типичные конструкции фланцевых соединений с полу-
открытой канавкой для пустотелых металлических колец.
контактируют с уплотнительным кольцом по его наружному диа-
метру, предотвращая появление под воздействием рабочего дав-
ления чрезмерных кольцевых растягивающих напряжений.
Одним из общепринятых методов ограничения диаметрального
сдавливания и подкрепления пустотелого уплотнительного кольца
ское уплотнительное кольцо
с упорным подкрепляющим коль-
цом.
лотнительному кольцу.
является использование специаль-
ного упорного кольца (фиг. 3). Упор-
ное кольцо служит опорой и ограни-
чивает величину диаметрального сдав-
ливания. Внутренний его диаметр на
несколько сотых миллиметра превы-
шает наружный диаметр уплотнитель-
ного кольца: при затяжке фланцев
создается нужное диаметральное
сдавливание поперечного сечения.
При сжатии уплотнительного кольца
происходит его расширение в ради-
альном направлении до плотного со-
прикосновения с поверхностью внут-
ренней расточки упорного кольца.
Обработка поверхности. Рабочие поверхности фланцев и ка-
навки должны быть обработаны до чистоты, соответствующей сред-
неквадратичной величине микронеровностей 0,8 мк или меньше.
Следы обработки должны быть концентричны по отношению к уп-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Введение (James A. Parks).............................. 7
Глава 2. Войлочные радиальные уплотнения (Edward A. Smith)	12
Глава 3. Радиальные контактные уплотнения (С. R. McCray) . .	19
Глава 4. Защитные уплотнения (Robert О. Isenbarger)............ 35
Глава 5. Уплотнения с контролируемыми зазорами (Theodore С.
Kuchler, Ward Pearson)..................................... 47
Глава 6. Уплотнение разрезными кольцами (Paul R. Shepler,
Oscar Noren)............................................... 58
Глава 7. Осевые механические уплотнения........................ 81
Общие типы (Harry Tankus).................................. 82
Торцовые сильфонные уплотнения	(Justus В. Stevens)......... 105
Глава 8. Кольцевые контактные уплотнения (Ernest Taschenberg,
Ward Pearson)............................................. 114
Глава 9. Простые набивочные сальники (М. М. Main, Е. Н. Stu-
benrauch) ................................................ 123
Глава 10. Фасонные уплотнения................................. 142
Язычковые уплотнения	(J.	N.	Smith)..................... 142
Уплотнительные сдавливаемые фасонные кольца (Malcolm Н.
Everett, Howard G. Gillette).............................. 166
Глава 11. Диафрагмы (John F. Taplin, John J. Phillips)........ 191
Глава 12. Неметаллические прокладки........................... 205
Конструкция прокладок и соединений (Earl М. Smoley) ....	205
Неметаллические прокладочные материалы и типы прокладок
(Earl М. Smoley, Е. С. Frazier)........................... 221
Глава 13. Статические уплотнения О-образными кольцами (Mal-
colm Н. Everett, Howard G. Gillette)...................... 251
Глава 14. Металлические прокладки............................. 259
Общие типы (Heber Н. Dunkle).............................. 259
Пустотелые металлические О-образные кольца (R. L. Gastineau) 290
Редактор издательства В. В. Быстрицкая
Переплет художника Л. С. Вендрова
Технический редактор Н. Ф. Демкина
Корректор И. И. Шарунина
Сдано в производство 10/IX-63 г.
Подписано к печати 7/1-64 г.
Тираж 5000 акз.
Печ. л. 18,5 Уч.-изд. л. 19,25
Бум. л. 9,25 Формат 60 X 90’/1«
Темплан 1964 г., № 28
Зак. 1578 Цена 1 р. 50 к.
Ленинградская типография № 6
Главполиграфпрома Государственного
комитета Совета Министров СССР по печати.
Ленинград, ул. Моисеенко, д. 10