Гидравлические компоненты Технические основы

3 Системы уплотнений

3.1 Общая информация

При очень высоких рабочих требованиях отдельные уплотнения не оправдывают всех ожиданий, или стойкость уплотнений из-за высоких нагрузок невысока. При одновременно возникающих экстремальных условиях эксплуатации и требованиях, как например:
• высокое рабочее давление, высокая скорость хода;
• длинный ход и большое количество циклов с дополнительным требованием минимальной течи, низкого трения уплотнения, высокой стойкости и надежности в эксплуатации, рекомендуется применение систем уплотнений.

Отдельные уплотнения, объединенные в одной системе, должны иметь следующие признаки:

3.2 Первичное уплотнение

• достаточная уплотняющая функция
• очень хороший обратный отсос
• низкое трение при высоком рабочем давлении
• высокая износостойкость
• возможность разгрузки давления

3.3 Вторичное уплотнение

• высокий уплотняющий эффект при низком давлении
• высокая износостойкость
• хороший обратный отсос при низком давлении в соединении с двойным грязесъемником

3.4 Направляющий элемент

• незначительная деформация под нагрузкой
• высокая износостойкость
• низкое трение

1.3.5 Грязесъемник

• высокая грязеудаляющая способность
• на входящем штоке должна оставаться масляная пленка

4 Система уплотнений 1

4.1 Особенности

Система уплотнений состоит из:
Первичное уплотнение: манжета Syprim SM
Вторичное уплотнение: манжета T 20
Грязесъемник: PU 5
Направляющий элемент: SB

4.2 Стандартный диапазон применения

Давление: ≤ 40 МПа
Скорость: ≤ 0,8 м/с
Температура: –30 °C до 100 °C
Среда: гидравлические масла HL, HLP
Поведение при течи:
Надежность эксплуатации:
Свойства трения:

удовлетв. оч.хор.  хор. отлично

4.3 Примеры использования

• землеройно-транспортные агрегаты
• цеховые транспорт. средства
• автокраны

5 Система уплотнений 2

5.1 Особенности

Система уплотнений состоит из:
Первичное уплотнение: Omegat OMS-MR
Вторичное уплотнение: манжета T 20
Грязесъемник: PU 5
Направляющий элемент: SB

5.2 Стандартный диапазон применения

Давление: ≤ 40 МПа
Скорость: ≤ 1,5 м/с
Температура: –30 °C до 100 °C
Среда: гидравлические масла HL, HLP
Поведение при течи:
Надежность эксплуатации:
Свойства трения:

удовлетв. оч.хор.  хор. отлично

5.3 Примеры использования

• цеховые транспорт. средства
• автокраны

6 Система уплотнений 3

6.1 Особенности

Система уплотнений состоит из:
Первичное уплотнение: Omegat OMS-MR
Вторичное уплотнение: Omegat OMS-MR
Грязесъемник: PT 1
Направляющий элемент: SB

6.2 Стандартный диапазон применения

Давление: ≤ 40 МПа
Скорость: ≤ 2 м/с
Температура: –30 °C до 100 °C
Среда: гидравлические масла HL, HLP
Поведение при течи:
Надежность эксплуатации:
Свойства трения:

удовлетв. оч.хор.  хор. отлично

6.3 Примеры использования

• цеховые транспорт. средства
• автокраны
• литьевые машины

7 Система уплотнений 4

7.1 Особенности

Система уплотнений состоит из:
Первичное уплотнение: Omegat OMS-MR
Вторичное уплотнение: манжета T 20
Грязесъемник: PT 1
Направляющий элемент: SB

7.2 Стандартный диапазон применения

Давление: ≤ 40 МПа
Скорость: ≤ 1,5 м/с
Температура: –30 °C до 100 °C
Среда: гидравлические масла HL, HLP
Поведение при течи:
Надежность эксплуатации:
Свойства трения:

удовлетв. оч.хор.  хор. отлично

7.3 Примеры использования

• литьевые машины

1 Герметичность, трение, износ.

1.1 Общая информация

Гидравлические приводы широко используются в различных устройствах и машинах для механизации и автоматизации процессов.

Основные области применения:
• машино- и приборостроение
• строительные машины
• грузовые автомобили
• сельскохозяйственные машины
• горные машины

Важнейшим компонентом в создании линейного приводного движения является гидравлический цилиндр. Работа и надежность эксплуатации механизмов с гидравлическим приводом существенно зависит от используемых в гидроцилиндре уплотнений.

1.2 Статическая герметичность

В неподвижном состоянии все упругие гидравлические уплотнения, вследствие напряжения прессовой посадки p_v, непроницаемы. Уплотняемое давление p накладывается на преднатяг p_v. Контактное давление на уплотняемой поверхности p_d, таким образом, всегда больше, чем уплотняемое давление (→Рис. 4.9).

p_d = p_v p

1.3 Образование смазывающей пленки

При движении поверхность перемещения, смоченная жидкостью, проходит под контактной областью уплотнения.
Уплотнение при этом действует как жидкостной грязесъемник, но оно не в состоянии полностью снять жидкость.
В результате перемещения возникает сопротивление среды, и уплотнение, вследствие гидродинамического роста давления, отрывается от поверхности перемещения. За уплотнением на поверхности остается тонкая пленка жидкости.
Толщина растянувшейся жидкой пленки зависит от скорости роста давления (dp/dx)max на стороне входа жидкости в уплотнительный зазор, от динамической вязкости жидкости η и от относительной скорости перемещения между уплотнением и контрповерхностью (→Рис. 4.9).

Если растянувшаяся жидкостная пленка при обратном ходе снова полностью подается в камеру сжатия, говорят о динамической плотности.

1.4 Трение

На трение гидравлического уплотнения существенное влияние оказывает толщина смазывающей пленки между уплотнением и контрповерхностью.

Могут встречаться три состояния трения.
• Трение покоя
(сухое трение твердого тела)
• Смешанное трение
(трение твердого тела и жидкости)
• Жидкостное трение
(трение в жидкости без контакта с твердым телом)
Эти три области представлены на кривой Стрибека (→Рис. 4.10).

При пуске сначала должно быть преодолено высокое трение покоя. С возрастанием скорости все больше жидкости заносится между уплотнением и поверхностью трения, и непосредственная поверхность касания уменьшается. После этого сила трения резко снижается.
При все возрастающей скорости достигается область жидкостного трения. Сила трения постоянно увеличивается при росте скорости. В этой области гидродинамического смазывания сила трения возникает исключительно вследствие напряжения сдвига τ в жидкости.

1.5 Износ

Износ гидравлических уплотнений зависит от толщины смазывающей пленки, соответственно, от свойств трения.
Большая часть уплотнений работает в области смешанного трения и подвергается постоянному износу.

Наряду с условиями эксплуатации, давлением, температурой и скоростью, износ существенно зависит от свойств материала, пары трения и смазывающих свойств гидравлической жидкости. Воздух в гидравлической жидкости, как и примеси, также влияет на износ.

2 Влияние физических и химических параметров

2.1 Рабочее давление

Сила хода цилиндра определяется его размерами и давлением в системе. Давление служит первым критерием при выборе уплотнения и твердости применяемых уплотнительных материалов. Согласно рекомендациям CETOR стандартные цилиндры проектируются как для ступени давления 16 МПа(160 бар), так и для 25 МПа(250 бар). Преобладающая часть всех гидроцилиндров работает также при этих давлениях. Системы с высоким давлением до 40 МПа (400 бар) применяются сегодня в горной промышленности и в тяжелых передвижных гидравлических механизмах с соответствующими видами уплотнений.
При работе гидроцилиндра элементы уплотнения находятся под постоянным знакопеременным давлением. В дополнение к этому, при внешних воздействиях часто возникают пиковые давления, особенно в передвижных гидравлических механизмах.

Эти шоковые нагрузки могут многократно повысить давление в системе и поэтому предъявляют к уплотняющим элементам высокие требования. При выборе уплотнения следует принимать во внимание эти нагрузки.

2.2 Гидроудар

В пространстве между направляющей и уплотнением при малых допусках зазора направляющей в результате движения создается гидродинамическое давление. Причиной является гидродинамический напор, который зависит от динамической вязкости среды, ширины зазора, скорости и длины направляющей (→Рис. 4.11).
Образовавшийся в направляющей избыток давления рассчитывается как

При металлических направляющих, чтобы избежать роста гидродинамического сопротивления, нужно обеспечить разгрузочные каналы для компенсации давления.

Так, например, можно допустить для Т 20 как вторичного уплотнения 0,8 м/с или для Simko 300 при давлении от 250 бар – 0,8 м/с. Для PTFE-материалов допустимо 5 м/с.
Образование смазывающей пленки и трение в значительной степени зависят от скорости. В пределах от 0,05 м/с и ниже трение сильно увеличивается. В особенности при высоких температурах может возникнуть “скольжение-залипание”.
Это постоянно повторяемое движение рывками – стопорение и скольжение – между уплотнением и контртелом. Для устранения проблем используются материалы с низким коэффициентом трения (напр. PTFE).

2.4 температура

Температура гидравлической среды и температура окружающей среды влияют на выбор материала.
Оптимальная температура для работы уплотнения и стабильности масла от 40 до 50. Температура на рабочей кромке уплотнения вследствие трения значительно выше, чем температура масла.
Обычно температура при работе гидроцилиндра, как правило, 80°C, в экстремальных условиях она достигает 110 °C. С повышением температуры материал уплотнения становится более эластичным и теряет стабильность формы. Если температура, при которой используется наш полиуретан достигает 110°C, мы рекомендуем фазу приработки для уплотнения при более низкой температуре (80 °C). В зависимости от конкретных условий эксплуатации, может быть целесообразным дополнительный подпор динамической кромки металлической пружиной или кольцом круглого сечения из FKM или HNBR.
Если ожидается температура выше 110°C, то необходимо применение особых материалов (напр. FKM, PTFE/FKM). При низкой температуре твердость уплотняющего материала повышается. Уплотнение теряет упругость. Одновременное увеличение вязкости масла почти не влияет на надежность действия уплотнений. В области низких температур до –40 °C хорошо себя зарекомендовали морозостойкие материалы на основе NBR.
Как уже неоднократно упоминалось, температура очень сильно влияет на физические свойства материалов из эластичной резины.
Диаграмма “Испытание на крутильные колебания” показывает зависимость динамического модуля сдвига от температуры (модуль сдвига при испытании на крутильные колебания определяется по DIN 53 520). Справа налево видна область эластичной резины с почти постоянным модулем, затем область перехода с крутым подъемом и, наконец, область стеклообразного состояния, в которой резина жесткая и хрупкая, снова с почти постоянным модулем. При новом подъеме температуры хладнохрупкость (по аналогии: хладноломкость) снова исчезает. Итак, процесс стеклования – обратимый. Переход из эластичной области в областьстеклования особенно важен, т.к. он во многих случаях определяет границу применения при низких температурах.

Этот переход, как следует из вышеупомянутой диаграммы “Испытание на крутильные колебания”, не резкий, а продолжается в определенной области.
Область перехода из эластичного в стеклообразное состояние характеризуется температурой перехода в стеклообразное состояние Tu (температурой максимума лог. декремента затухания Λ). Однако, эта температура дает только грубое представление о низкотемпературном пределе работы материала, т.к. на практике для эластомерного материала именно характер напряжения имеет решающее значение.
Один и тот же материал достигнет предела своего напряжения при более высокой температуре, если он подвергается шоковой нагрузке с большой скоростью деформации, чем, например, при медленном растяжении. С помощью испытаний на крутильные колебания реально различить два разных материала, однако, на практике предел рабочих температур определяется вместе с соответствующими элементами конструкции.

Пример:
У неподвижного уплотнения тепло возникает при начале движении за счет трения. При температурах, когда возникает опасность затвердевания при замораживании, теплоты трения может хватить для сохранения уплотнения упругим или, чтобы привести его в рабочее состояние быстро, сразу после начала движения. Испытания при низких температурах целесообразны только для сравнения материалов и определения их технического применения.
Более подробная информация → Общие технические данные и материалы со стр. 20.0.

2.5 Гидравлические среды

В гидравлике для переноса энергии от насоса к цилиндру используются рабочие жидкости различного типа. Основная и чаще всего применяемая рабочая жидкость – это минеральное масло.
Смазывающая способность масла имеет решающее значение для износа подвижных частей. Влияние на смазывающую способность оказывают вязкость и добавки для улучшения смазывания.
Для идентификации вязкости гидравлические масла подразделяются на классы вязкости по DIN ISO 51 519.
Критерием разделения является номинальная вязкость при относительной температуре 40 °C.
Вязкость гидравлического масла зависит от давления и температуры. Начиная с давления от 20 МПа (200 бар) вязкость значительно увеличивается. В зависимости от номинальной вязкости и температуры, вязкость удваивается приблизительно при 40 МПа (400 бар).

Табл. 4.1 Гидравлические жидкости на основе минерального масла

 Табл. 4.2 Гидравлические жидкости, поддающиеся биологическому расщеплению

Табл. 4.3 Трудновоспламеняющиеся жидкости