Понять функцию уплотнения несложно — оно удерживает жидкости внутри и загрязняющие вещества снаружи. Понимание того, как это сделать наиболее эффективно в конкретной ситуации, — это совершенно другой вопрос.

Успешная герметизация гидроцилиндров требует тонкого баланса взаимосвязанных факторов, влияющих на процесс герметизации в динамической системе. Эти факторы включают смазку и качество сопрягаемых поверхностей; конструктивные факторы, такие как форма, материал и технологический процесс; факторы окружающей среды, такие как давление, температура, время, скорость и т. п.

Понимание роли смазки является первым ключом к успешной герметизации в динамических системах. Полностью смазанная система будет испытывать некоторую утечку, обычно в виде плёнки жидкости, но трение будет низким, что приведёт к соответствующему уменьшению износа уплотнения. Верно и обратное: в системе с недостаточной смазкой плёнка жидкости уменьшается, а трение — и, следовательно, износ — увеличиваются.

Кроме того, герметичность уплотнения имеет тенденцию улучшаться по мере увеличения давления жидкости. Поскольку давление системы на уплотнение сжимает его в осевом направлении, уплотнение более плотно прилегает к канавке, улучшая контакт с ответными поверхностями. Если уплотнение сконструировано правильно, то по мере увеличения давления в системе сила и эффективность уплотнения также увеличиваются.

Способность уплотнения противостоять экструзии является следующим ключевым фактором. Уплотнения в динамических системах должны выдерживать усилия сдвига, возникающие в результате разницы давлений. Силы сдвига имеют тенденцию вдавливать уплотнение в зазор между соседними металлическими поверхностями. Поэтому материал уплотнения и профиль должны быть достаточно прочными и жёсткими, чтобы противостоять разрушению.

Уплотнение штока.

В тяжелых условиях эксплуатации герметичность и длительный срок службы не могут быть обеспечены единственным уплотнительным элементом.

Решением являются системы с резервированием, которые включают специально разработанные уплотнения, расположенные последовательно, часто называемые тандемом. Каждый уплотнительный элемент в таких системах выполняет определенную функцию, и их взаимодействие имеет решающее значение для повышения эффективности всей системы.

Для тандемных уплотнительных систем рекомендуются две основные конфигурации. Первая представляет собой, в качестве первичного уплотнения, одностороннее уплотнение из политетрафторэтилена (ПТФЭ) с каналами для сбороса давления с поджимным кольцом, а так же, в качестве вторичного уплотнения, односторонее уплотнение из ПТФЭ или полиуретана.

Преимуществом такой конфигурации является образование микропленки жидкости под уплотнением и обеспечение обратного всасывания пленки жидкости при втягивании штока. Результатом является герметичное уплотнение с низким коэффициентом трения и пониженным износом. Кроме того, описанные выше материалы вторичного уплотнения обеспечивают превосходную способность к скольжению при максимальной износостойкости.

Вторая конфигурация представляет собой буферное уплотнение, которое имеет встроенное опорное кольцо и полиуретановое U-образное уплотнение в качестве вторичного уплотнения. Такая конфигурация обычно более дешевая, чем первый вариант, и может быть эффективна для систем, требующих высокой стойкости к истиранию или где величина давления будет постоянно меняться. Модифицированная версия буферного уплотнения также может быть использована для обеспечения смазки U-образного уплотнения, для предотвращения сухого трения.

Загрязнение гидравлической жидкости является наиболее распространённой причиной повреждения уплотнений, колец и других компонентов. Для систем динамического уплотнения рекомендуются грязесъёмники с поджимным кольцом, а также полиуретановые грязесъёмники с двойными губками, выбор которых зависит от типа ожидаемых загрязнений и требований к трению и скольжению в целом.

Грязесъёмники с поджимным кольцом изготовлены из ПТФЭ или другого термопластичного материала и устанавливаются с эластичным поджимным кольцом в одной канавке. Поджимное кольцо поддерживает давление губок грязесъёмника на сопрягаемую поверхность, что компенсирует отклонения штока и позволяет эффективно удалять загрязнения — даже прочно прилипшую грязь.

Полиуретановые грязесъёмники с двойными губками превосходят обычные эластомерные грязесъёмники. Кромка направленная наружу предназначена для эффективного удаления грязи, оставляя при этом масляную пленку, необходимую для правильной работы. Кромка обращенная внутрь выполнять уплотнительную функцию при низком давлении. Уплотнение по корпусу достигается за счёт плотной радиальной посадки между грязесъёмником и канавкой.

Опорно-направляющие кольца.

Опорно-направляющие кольца воспринимают боковые нагрузки, возникающие на поршне или поршневом штоке цилиндра, и устраняют контакт металла с металлом между скользящими частями цилиндра. Неметаллические опорно-направляющие кольца обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными металлическими кольцами. Неметаллические опорно-направляющие кольца имеют более длительный срок службы, более высокую несущую способность, меньшее трение и хороший эффект соскабливания. Они также гасят механические вибрации, снижая уровень шума, и являются экономически эффективными.

Что касается материала, износостойкие кольца на основе ПТФЭ рекомендуются для применения в условиях низкой и средней нагрузки с ограниченными радиальными усилиями. Низкое трение колец из ПТФЭ обеспечивает плавную работу на низких скоростях без эффекта залипания. Эти кольца следует выбирать с учётом высокой износостойкости и хорошей амортизирующей способности.

Кольца, изготовленные из стеклонаполненного нейлона (PA), рекомендуются для применений со средними и высокими радиальными нагрузками. Они обладают высокой прочностью на сжатие при высоких температурах и легко устанавливаются.

Износостойкие кольца из композитного материала, армированного тканью, являются лучшим выбором для тяжелых условий эксплуатации с высокими радиальными усилиями. Эти кольца равномерно распределяют высокие радиальные нагрузки и обладают хорошими свойствами скольжения и сухого хода, хорошим эффектом соскабливания и высокой износостойкостью.

Цилиндры высокого давления.

Уплотнения, усиленные угловыми вставками, являются отличным выбором для работы под высоким давлением (до 100 МПа), поскольку они обладают высокой устойчивостью к экструзии. Эти уплотнения содержат встроенные опорные кольца, изготовленные из полиэфирэфиркетона (PEEK) или полиацеталя, и могут работать при зазорах бОльших на 50% - 100% по сравнению с уплотнениями без углового усиления.

Уплотнения из ПТФЭ и полиуретана доступны с опорными кольцами как для штока, так и для поршня. Некоторые из них предназначены для однонаправленного использования, в то время как другие обеспечивают двустороннее уплотнение. При использовании уплотнений одностороннего действия следует выбирать версии которые предотвращают опрокидывание уплотнения в канавке при противодавлении.

Обработка ответной поверхности и покрытия.

Необходимо осознавать важность обработки ответной поверхности для функционирования уплотнений. Обработка ответной поверхности может значительно повлиять на:

Оптимальный профиль уплотнения содержит большое количество микроскопических впадин и минимальное количество пиков. Впадины выполняют функцию резервуаров для смазки и помогают созданию плёнки для уменьшения трения и износа. Высокая концентрация пиков может вызвать чрезмерный износ уплотнения. Однако, просто знать среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) обработанной поверхности недостаточно — как показано выше на рисунке, полностью различные поверхности могут иметь одно и то же значение Ra. Помимо среднего арифметического отклонения профиля (Ra), необходимо учитывать высоту наибольшего выступа (Rp), высоту неровностей профиля (Rz), относительную опорную длину профиля (tp), асимметричность профиля (Rsk) и общую высоту профиля шероховатости (Rt).

Уплотнения хорошо работают на поверхностях без покрытия при умеренных скоростях и давлениях, но при возвратно-поступательном движении с высокой скоростью и высоким давлением рекомендуется применение специальных покрытий. Чем мягче металл, тем больше вероятность того, что уплотнение отполирует свою сопрягаемую поверхность в течение периода обкатки (начальный период времени с высоким износом и трением). И наоборот, более твердые поверхности могут ускорить износ уплотнений. Поэтому необходимо правильно выбрать топологию ответной поверхности, чтобы сохранялась достаточная пленка смазки. Кроме того, можно использовать уплотнительные материалы с более стойкими наполнителями, такими как бронза или PEEK, которые лучше работают с твердыми поверхностями в период обкатки.

Как только пики на сопрягаемой поверхности сглаживаются, а оборудование и уплотнение достигают баланса, период обкатки заканчивается. Трение и износ уплотнений уменьшаются после периода обкатки, поэтому имеет смысл максимально сократить этот период, чего можно достичь точно формулируя требования к профилю поверхности, особенно для твердых покрытий. Это обеспечит максимально эффективную работу системы с самого начала и поможет увеличить общий срок службы уплотнений.

Будущие тенденции.

Одной из важных тенденций, на которую следует обратить внимание, является отказ от хромирования деталей, используемых в гидравлических системах. Хром по-прежнему является наиболее часто используемым покрытием в промышленности, но шестивалентный хром был идентифицирован как канцероген, и процесс хромирования приводит к образованию токсичных отходов. Поскольку вводятся новые ограничения на использование хрома для покрытий, варианты нанесения покрытий, которые являются более экологически чистыми, вероятно, будут набирать популярность.

С точки зрения герметизации будет крайне важно понять, как повсеместно используемые материалы уплотнений взаимодействуют с новыми типами покрытий. Производителям уплотнений необходимо будет оценить, как различные варианты покрытия влияют на трение, износ и общую масштабируемость, и либо внести изменения в существующие уплотнения, либо разработать новые материалы для обеспечения высокой производительности и длительного срока службы.

Уплотнения в пневматических цилиндрах.

Пневматические цилиндры обычно работают при значительно меньших давлениях, чем гидравлические цилиндры. Кроме того, пневматические цилиндры и клапаны часто работают на высоких скоростях и высокой частоте вращения, потому что они могут выпускать воздух прямо в атмосферу при изменении направления вместо того, чтобы направлять гидравлическое масло по обратному потоку.

Хотя во многих старых пневматических системах используется насыщенный маслом воздух, в большинстве новых систем используется сухой, безмасляный воздух. Минимальная смазка, присутствующая в этих системах, может создать проблемы с герметизацией. Первоначальное нанесение консистентной смазки может помочь при начальном движении, и если уплотнение способно поддерживать эту смазочную пленку, первоначально используемая смазка может продлить срок службы уплотнения без необходимости в дополнительной смазке. Важно отметить, что загрязненный воздух будет медленно разрушать смазку, сокращая срок службы уплотнения.

При расчете цилиндра необходимо учесть дополнительное усилие, необходимое для преодоления внутреннего трения из-за уплотнений и подшипников, а так же потери давления из-за засорения фильтров и сопротивления в контуре. Также могут быть потери давления из-за утечек с течением времени. Чтобы избежать подобных проблем, профили уплотнений, аналогичные тем, которые используются в гидравлических цилиндрах (U-образные уплотнения и уплотнения с поджимным кольцом), должны быть оптимизированы с целью снижения трения, сохранения смазочной плёнки и минимизации утечек.

Полиуретан является широко используемым материалом из-за его стойкости к истиранию и износу, которые имеют решающее значение в безмасляной среде. В ситуациях, когда требуется низкое трение и отсутствие эффекта залипания, можно использовать ПТФЭ и другие термопласты.

Существуют специальные пневматические уплотнения, оптимизированные для амортизации в ситуациях, когда могут возникать пики высокого давления. Данные уплотнения имеют встроенный обратный клапан чтобы обеспечить приложение давления ко всей поверхности поршня в момент изменения направления давления. Это уменьшает воздействие нагрузок на внутренние части и продлевает срок службы.

Опорно-направляющие кольца из полиацеталя (POM) часто используются из-за их способности работать без смазки. Они также обладают высокой прочностью на сжатие и хорошей стойкостью к истиранию. Опорно-направляющее кольцо выполняет двойную функцию: направляет поршень или шток в цилиндре и поглощает поперечные нагрузки внутри него.

Пневматические цилиндры обычно предъявляют более высокие требования к чистоте поверхности из-за способности газа проникать через микронеровности.

Основными факторами, влияющими на выбор уплотнения, являются температура, износостойкость, истирание, рабочее давление, ожидаемый срок службы уплотнения, рабочая среда.
Наши технические специалисты смогут помочь вам в подборе уплотнений и требований к поверхностям исходя из условий работы.