Кольцевые уплотнения и проектирование их канавок
2026-01-04
Кольцевые уплотнения являются типом уплотнений, работающих за счет сжатия. Степень сжатия по диаметру поперечного сечения и величина растяжения кольцевых уплотнений являются основными элементами проектирования уплотнений и имеют важное значение для герметичности и срока службы.
Хороший уплотняющий эффект кольцевых уплотнений в значительной степени зависит от правильного соответствия их размеров размерам канавки, что позволяет сформировать рациональные значения сжатия и растяжения.
При проектировании и изготовлении уплотнительных узлов, если степень сжатия кольцевых уплотнений слишком мала, это приводит к утечкам; если степень сжатия слишком велика, возникает релаксация напряжений, что также вызывает утечки. Аналогично, чрезмерное растяжение кольцевых уплотнений в процессе работы ускоряет старение материала и приводит к утечкам. Стандарты различных стран мира содержат строгие требования к этим параметрам.
Принципы проектирования уплотнения кольцевыми уплотнениями
1、Степень сжатия
При выборе степени сжатия кольцевых уплотнений необходимо учитывать следующие три аспекта:
1、Обеспечение достаточной площади уплотнительного контакта
2、Минимизация силы трения
3、Максимальное предотвращение остаточной деформации
Из приведенных факторов несложно увидеть, что между ними существует определенное противоречие. Большая степень сжатия кольцевых уплотнений позволяет получить высокое контактное давление, однако чрезмерное сжатие неизбежно увеличивает силу скользящего трения и остаточную деформацию.
Слишком малая степень сжатия кольцевых уплотнений может, в свою очередь, привести к утечкам из-за несоответствия допусков соосности канавки и размеров кольцевых уплотнений, в результате чего часть расчетного сжатия теряется.
Поэтому при выборе степени сжатия кольцевых уплотнений необходимо учитывать все факторы в совокупности. Как правило, степень сжатия при статическом уплотнении выше, чем при динамическом, однако ее предельное значение должно быть менее 30%. В противном случае происходит заметная релаксация напряжений сжатия и возникает чрезмерная остаточная деформация, особенно в условиях высоких температур.
Выбор степени сжатия кольцевых уплотнений должен учитывать условия эксплуатации: статическое или динамическое уплотнение.
Статическое уплотнение подразделяется на радиальное и осевое.
При радиальном уплотнении (или цилиндрическом статическом уплотнении) зазор утечки является радиальным;
при осевом уплотнении (или плоскостном статическом уплотнении) зазор утечки является осевым.
В зависимости от того, воздействует ли давление рабочей среды на внутренний или наружный диаметр кольцевых уплотнений, осевое уплотнение подразделяется на уплотнение под внутренним давлением и под внешним давлением. Внутреннее давление увеличивает растяжение кольцевых уплотнений, тогда как внешнее давление уменьшает их первоначальное растяжение.
Для различных форм статического уплотнения направление силы, действующей на кольцевые уплотнения со стороны рабочей среды, различно, поэтому различаются и требования к расчету предварительного давления.
Для динамического уплотнения необходимо различать возвратно-поступательное и вращательное движение.
1、Статическое уплотнение:
- для цилиндрического статического уплотнения и возвратно-поступательных уплотнительных узлов обычно принимают степень сжатия кольцевых уплотнений = 10%–15%;
- для плоскостного уплотнения степень сжатия кольцевых уплотнений = 15%–30%.
2、Динамическое уплотнение подразделяется на три случая:
- Для возвратно-поступательного движения степень сжатия кольцевых уплотнений обычно составляет 10%–15%.
- Для вращательного движения при выборе степени сжатия кольцевых уплотнений необходимо учитывать эффект джоулева тепла. Как правило, внутренний диаметр кольцевых уплотнений должен быть на 3%–5% больше диаметра вала, а степень сжатия по наружному диаметру W = 3%–8%.
- Для низкотренияных движений с целью уменьшения сопротивления трению обычно выбирают меньшую степень сжатия кольцевых уплотнений, а именно 5%–8%.
Кроме того, необходимо учитывать набухание резинового материала кольцевых уплотнений, вызванное воздействием рабочей среды и температуры. Обычно сверх заданной деформации сжатия допускается максимальная степень набухания 15%. Превышение этого значения указывает на неправильный выбор материала, и в таком случае следует заменить кольцевые уплотнения на изделия из другого материала либо скорректировать расчетную степень сжатия.
Конкретные значения деформации сжатия, как правило, регламентируются стандартами или рекомендуемыми значениями, разработанными в разных странах на основе практического опыта.
2、Величина растяжения
После установки в уплотнительную канавку кольцевые уплотнения обычно имеют определенную величину растяжения. В отличие от степени сжатия, величина растяжения кольцевых уплотнений также оказывает значительное влияние на герметичность и срок службы.
Чрезмерное растяжение кольцевых уплотнений не только затрудняет монтаж, но и приводит к изменению диаметра поперечного сечения do, что снижает степень сжатия и, как следствие, вызывает утечки.
3、Ширина контакта
После установки кольцевых уплотнений в уплотнительную канавку их поперечное сечение подвергается деформации сжатия. Ширина деформированного сечения и ширина контакта кольцевых уплотнений с валом напрямую связаны с герметичностью и сроком службы.
Слишком малая ширина контакта кольцевых уплотнений ухудшает уплотняющий эффект, а чрезмерно большая — увеличивает трение, вызывает дополнительное тепловыделение и сокращает срок службы кольцевых уплотнений.
