Принцип работы уплотнительных элементов

Если мы хотим создать перепад давления между двумя областями в гидравлических системах, возникает необходимость обеспечения герметизации.

Как видно на диаграмме-1, в зависимости от требуемой разницы давлений в зазоре между штоком и цилиндром возникает утечка.

Где перепад давления = ΔP

• Если ΔP = P1-P2,
• То Q, расход масла из зазора «S», будет равен Q = π.d. ΔP.S3 / 12.μ.L
• Где, Q = расход μ = вязкость

В реальных условиях односторонний зазор «S» не всегда одинаков в обоих направлениях штока поршня. Из-за радиальных сил они часто могут соприкасаться в одном направлении.

Это означает, что одностороннее S-пространство увеличено.

Если мы посмотрим на приведенную выше формулу, то двукратное увеличение пространства «S» вызовет восьмикратное увеличение количества пропущенного масла, так как оно пропорционально его кубу.

Практически невозможно установить допуски на обработку так, чтобы зазор «S» был равен нулю.

По этой причине в тех случаях, когда утечка нежелательна, обязательно использовать уплотнительный элемент.

В таких случаях обычно используются уплотнительные элементы из эластомерных материалов. Изучая логику работы уплотнительных элементов, мы можем посмотреть на логику работы уплотнительных колец, показанных на рисунке 2 ниже.

Уплотнительное кольцо, показанное на рисунке, функционирует динамически и как элемент уплотнения горловины. По общему принципу, после установки в канавку, в канавке должно оставаться достаточное количество свободного места.

Когда установленная система уплотнительных колец находится в разгерметизированном состоянии, она оказывает давление на шток из-за своей конструкции. Это называется предварительным натягом или усилием зажима. Предварительная загрузка очень важна для уплотнения в разгерметизированном состоянии.

Когда система находится под давлением, должна быть предусмотрена конструкция, обеспечивающая беспрепятственный доступ жидкости под давлением к каналу уплотнительного элемента.

Жидкость под давлением, которая заполняет прорезь уплотнительного элемента, раздувает уплотнительный материал, заставляя его увеличивать силу давления, оказываемую на статические и динамические поверхности. Таким образом обеспечивается герметичность.

Результат FEA (анализ методом конечных элементов) показан на рисунке 3 ниже. Здесь работа уплотнительного кольца моделируется в цифровой среде. Из-за критических нагрузок, возникающих в материале уплотнительного кольца, деформации проявляются разными цветовыми тонами.

Не следует забывать, что эти критические нагрузки могут возрасти из-за одностороннего пространства, оставшегося в негерметичной части системы, а материал уплотнительного кольца может перейти в вязкостное (водяное) свойство, то есть может возникнуть проблема с протеканием. . В то время как производители уплотнительных элементов проектируют с учетом этой ситуации, производители гидравлических цилиндров также должны учитывать этот важный вопрос.

Если в канале уплотнительного элемента нет зазора, поскольку жидкость под давлением не может раздуть материал уплотнительного элемента, уплотнительный элемент быстро изнашивается из-за высоких сил трения, и возникает проблема утечки.

 СТАТИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ 

Увеличение контактного давления уплотнительного элемента приводит к уменьшению утечки масла при статическом уплотнении. Контактное давление в оптимальной точке обеспечивает полное прекращение утечки масла. Безусловно, немаловажным фактором, о котором нельзя забывать, являются значения шероховатости на наносимых поверхностях. Естественно, более высокие значения шероховатости поверхности требуют большего контактного давления.

Материалы уплотнительных элементов создают различные значения эластичности и остаточной деформации при сжатии при различных температурах. По этой причине изменения температуры могут привести к значительным функциональным изменениям уплотнительного элемента. Следует иметь в виду, что он не может выполнять свою работу из-за изменения твердости материала уплотнительного элемента, особенно при очень низких температурах.

 ДИНАМИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ 

Когда мы проверяем динамическое уплотнение, мы должны посмотреть на принцип работы, который объясняется формулой потока

Q = π.d. ΔP.S3 / 12.μ.L

В этой формуле стержень статичен, а давление уменьшается. Если стержень динамичен и давление не уменьшается.

Q1 = π.d.S.V/2

Расход можно рассчитать по формуле V= скорость. Если поршень движется в направлении давления, Q динамический = Q+Q1

То есть Q dynamic = π.d ( ΔP.S3/12. μ.L ± V.S/2)

При рассмотрении этой формулы скорость и направление скорости приобретают важное значение в динамическом уплотнении. Кроме того, если пространство S не параллельно из-за радиальных сил в динамических приложениях, локально возникает дополнительное давление (гидродинамическое давление).

Фактически за счет этого эффекта в микроскопических размерах образуется эластичная гидродинамическая масляная пленка между уплотнительным элементом и динамической поверхностью. Эта масляная пленка имеет толщину всего несколько микрон.

Эта толщина масляной пленки пропорциональна направлению движения. Таким образом, в динамических приложениях невозможно добиться нулевой герметизации. Однако толщина масляной пленки может быть увеличена или уменьшена в зависимости от области применения и геометрии уплотнительного элемента. 

 СИЛА ТРЕНИЯ 

Из-за описанного выше проскальзывания по масляной пленке его нельзя объяснить классическими законами силы трения. За счет масляной пленки происходит 3 вида трения:

1. Статическое (сухое трение)
2. Смешанное трение (сухое и жидкостное трение) 
3. Жидкостное трение (без сухого контакта)

Когда начинается движение создается высокая сила трения и сразу возникает смешанное трение. По этой причине происходит очень резкое уменьшение силы трения.

Затем начинается жидкостное трение, то есть скольжение по масляной пленке. С увеличением скорости сила трения начинает линейно возрастать. 

 

Образующаяся здесь масляная пленка напрямую связана с вязкостью жидкости, а также со скоростью системы. Два наиболее важных фактора, влияющих на силу трения: давление и температура в системе. Несоответствующие силы трения в уплотняющих элементах локально вызывают сильное нагревание, что приводит к порче материала уплотняющего элемента и потере его функциональности.

При этом истирание происходит из-за разрывов образовавшейся масляной пленки и влияния неподходящих значений шероховатости поверхности. Проблема износа, вызванная силой трения, создает утечку.