По DIN3760/3761

Как выбрать подходящее промышленное уплотнение вращения/уплотнение вала в зависимости от условий работы оборудования

Для всех вращающихся механизмов на заводах в различных отраслях промышленности уплотнения вала (rotary seals) (рис. 1) играют решающую роль в защите подшипниковых узлов и повышении надежности оборудования и систем. Надлежащее уплотнение в конечном итоге обеспечивает эффективную защиту, позволяющую машинам работать должным образом.

Процесс принятия решения при выборе промышленного уплотнения вала был бы легким, если бы имелась просто одна «универсальная» конструкция уплотнения и материал, подходящие для любых без исключения применений. К сожалению, это не так. На идеальный выбор уплотнения всегда влияют условия эксплуатации и требования.

Переходя к критериям подачи заявки

Промышленные уплотнения вала(shaft seals) в основном служат для удержания смазки, исключения загрязнения (например, пыли или влаги), отделения среды (включая смазку) и сопротивления давлению. Радиальные уплотнения вала являются наиболее распространенными типами для общих и тяжелых промышленных применений. Они служат для закрытия отверстия между вращающимся и неподвижным компонентами или между двумя компонентами, движущимися относительно друг друга.

Как правило, их конструкция состоит из цилиндрического внешнего покрытия из листовой стали («кожух») или эластомера, обеспечивающего необходимую посадку с натягом для статического уплотнения относительно отверстия корпуса. Кроме того, уплотнительная кромка из эластомерного или термопластичного материала обеспечивает динамическое и статическое уплотнение относительно вала.

«Губа/lip» манжеты спроектирована с уплотнительной кромкой, сформированной путем формования или механической обработки и обычно прижимаемой к контрольной поверхности вала (с определенной радиальной нагрузкой) пружиной. Край уплотнительной кромки и поверхность прилегания к валу в конечном итоге образуют наиболее важную функциональную область любого радиального уплотнения вала.

Сотни различных конструкций радиальных уплотнений вала и комбинаций материалов были в значительной степени стандартизированы за эти годы, и при необходимости могут быть разработаны специальные версии.

Итак, с чего начать при выборе правильного уплотнения?

Первым шагом является рассмотрение неотъемлемых критериев применения и эксплуатации, которые повлияют на целостность и производительность уплотнения.

Внутренняя и внешняя температуры.

Материалы для уплотнений разработаны для работы в оптимальном рекомендуемом диапазоне температур. За пределами указанного диапазона термическое напряжение может привести к отрицательному затвердеванию или иному разрушению материала уплотнения (особенно нитрильного каучука(NBR)). Такое тепловое старение часто проявляется в виде серии радиальных трещин на уплотнении. И наоборот, если рабочая температура слишком низкая, материал уплотнения может затвердеть и протечь. В обоих случаях переход на другой уплотнительный материал, чтобы приспособиться к крайним условиям, может помочь.

Обработка поверхности вала.

Помимо теплового повреждения, шероховатость поверхности вала является основной причиной выхода из строя уплотнения из-за утечки. Поверхность вала на самом деле представляет собой набор пиков и впадин. Слишком гладкая поверхность с трудом удерживает масляную пленку, что приводит к высокой температуре нижней губы. Слишком шероховатая, и выступы могут выступать через смазочную пленку и истирать кромку. Производители обычно предоставляют характеристики шероховатости и отделки поверхности на основе отраслевых стандартов. Эти спецификации должны соблюдаться, чтобы предотвратить преждевременный износ и выход из строя уплотнения.

Поверхностная скорость вала (окружная скорость).

Радиальные уплотнения вала (армированные манжеты) по своей сути предназначены для работы с установленными ограничениями скорости поверхности. Как правило, скорость вращения поверхности и такие параметры, как крутящий момент уплотнения, потребляемая мощность, температура под кромкой кромки и эффект динамического биения, принимают обратные пропорции. Все эти факторы, связанные со скоростью, могут повлиять на срок службы уплотнения. Если окружная скорость превышает рекомендованные, следует учитывать специальные конструктивные особенности, поскольку превышение предела может привести к тому, что кромка уплотнения не сможет управлять жидкостью, включая смазку.

В качестве примеров изменений, помогающих компенсировать более высокие скорости вала, можно сделать выбор, чтобы уменьшить радиальную нагрузку на кромку уплотнения, перейти на уплотнительный материал, который может выдерживать более высокие температуры, возникающие при более высоких скоростях, изменить тип или вязкость смазочного материала, оптимизировать уплотнительную поверхность вала и / или превратить в бесконтактную конструкцию уплотнения.

Внутреннее и внешнее давление.

Нагрузка давлением из-за условий системы или неисправности (например, закупорки вентиляционного отверстия) приведет к механической нагрузке и деформации профиля кромки уплотнения, что приведет к быстрому износу и отказу. Ориентировочно стандартные промышленные радиальные уплотнения вала рассчитаны всего на 453гр на квадратный дюйм.

При более высоких скоростях вращения вала допустимый перепад давления на уплотнении становится меньше. При приложении давления к уплотнению большая часть поверхности кромки прижимается к валу, что вызывает большее трение (как и увеличение скорости вала). Поскольку слишком большое трение приведет к более быстрому износу и более короткому сроку службы уплотнения, два параметра давления(P) и окружной скорости(V) (известные как фактор PV) должны быть сбалансированы друг с другом для достижения максимальной производительности уплотнения.

Среди вариантов для компенсации воздействия давления, добавляя металлическую опорное кольцо под задней поверхностью губ или губы профиля уплотнения может быть переработаны производителем, чтобы противостоять деформациям под нагрузкой давления.

Эксцентриситет вала. Радиальные уплотнения вала могут допускать определенные диапазоны отклонения вала от истинного центра или диаметра вала, не вращающегося по «идеально ровной» окружности. За пределами ограничений производителя, эти условия могут «раздавить» кромку уплотнения, что приведет к быстрому износу и / или открытию зазора, вызывающему утечку. Следует соблюдать ограничения.

Жидкие среды.

Материал уплотнения должен быть химически совместим с герметизируемой жидкой средой и смазкой в ​​области применения. В противном случае уплотнение может подвергнуться химическому воздействию, что приведет к быстрому износу и повреждению, катастрофическому разложению материала и / или чрезмерному набуханию или усадке.

Выбор подходящего материала для обеспечения совместимости уплотнения со средой особенно заслуживает тщательного изучения. Например, нитрильный каучук(NBR) хорошо работает с широким спектром масел на минеральной основе в качестве смазок, но полярные растворители (такие как ацетон) могут вызвать катастрофическое разбухание (наблюдаемое как размягчение) и физическое разрушение уплотнения. Точно так же соединения уплотнения, такие как этиленпропилен, будут быстро набухать от контакта с ароматическими углеводородами и минеральными маслами. А некоторые смазочные материалы на синтетической основе, сопротивляясь окислению, могут разрушать резиновые смеси с пагубными последствиями.

Таким образом, материал уплотнения так же важен, как и его конструкция. Должно ли уплотнение работать в определенных диапазонах температуры и давления? Какие типы текучей среды герметизируются? А как насчет роли трения? Все эти и подобные соображения могут помочь указать путь к подходящему материалу (или материалам) уплотнения.

Однако, в то время как материал может демонстрировать превосходные свойства при удовлетворении некоторых требований в применении, материал может не соответствовать другим требованиям. В качестве общего обзора следующие относительные преимущества и недостатки обычно используемых уплотнительных материалов могут существенно помочь в сужении выбора.

Конечно, следует подчеркнуть, что эти общие плюсы и минусы представляют собой руководящие принципы только для дальнейшей оценки с точки зрения требований к применению для определения жизнеспособности материала. Опытный производитель поможет найти правильное решение.

Нитрильный каучук(NBR) (рис. 2). Преимущества: сопротивление абразивному износу и обычным маслам, работает при низких температурах (до -55º C). Недостатки: ограничен верхним температурным диапазоном (до 110º C) и склонен к сильному набуханию масла в случае сверхнизкотемпературных марок.

Гидрированный нитрильный каучук (HNBR). Преимущества: стойкость к износу и горячему маслу, работает в подходящем диапазоне температур (от -40 C до 150 ° C). Недостаток: во время формования и обработки уплотнения может происходить загрязнение.

Рисунок 2 – армированные манжеты (rotary seals) из резины(NBR) и HNBR (визиуально они не отличаются)

Фторкаучук (FPM, FKM, Viton) (рис. 3). Преимущества: отличная химическая и маслостойкость, надежная работа при высоких температурах (225 ° C) и способность работать всухую. Недостатки: проблемы с безопасностью фтороводорода, трудность обработки и плохая начальная отслеживаемость в холодном состоянии.

Рисунок 3 – уплотнения вращения из FPM/FKM/VITON

Политетрафторэтилен (PTFE) (рис. 4). Преимущества: работает в широком диапазоне температур (от -60 ° C до 250 ° C), устойчив к любым жидкостям, демонстрирует низкое трение и не разбухает. Недостатки: жесткость при низкой температуре, плохой динамический отклик из-за неупругости, отсутствие присущих гидродинамических свойств и возможность легко повредить.

Рисунок 4 – уплотнения вращения из PTFE

Полиуретан (PU/TPU) (рис. 5). Преимущества: отличная устойчивость к давлению и экструзии, очень хорошая устойчивость к высокоэнергетическому излучению, хорошая устойчивость к минеральным маслам и температуре, а также низкая газопроницаемость. Недостатки: возможное набухание в воде, плавление при высоких температурах, тверже и жестче, чем эластомеры.

Рисунок 5 – армированная манжета из полиуретана(PU) изготовленная методом точения по системе Seal Jet.

Полиэфирэфиркетон (PEEK) (рис. 6). Преимущества: стойкость к истиранию и хорошие износостойкость, химическая стойкость и устойчивость к высоким температурам. Недостатки: сверхвысокая жесткость.

Рисунок 6 – уплотнение ротора из материала PEEK с меандровой пружиной

Реальность такова, что при выборе подходящего материала уплотнения для конкретного применения будет задействовано множество факторов, и следует тщательно взвесить компромисс в выборе материалов. Однако исследования и технологии несут хорошие новости: комбинации материалов или специально разработанные составы могут дать хороший результат. 

Например, материалы могут быть объединены в пары, чтобы обеспечить преимущества прочности каждого из них, например использование резины FKM для герметизации и резервного копирования из PEEK для сопротивления давлению. Среди доступных запатентованных компаундов был разработан термопластичный полиуретан (TPU), обеспечивающий необычно высокую абразивную стойкость, низкую остаточную деформацию при сжатии, высокие физические свойства и прочность на разрыв, что делает уплотнение, изготовленное из этого материала, особенно подходящим для использования в гидравлических системах.

Помимо материалов, покрытия могут играть важную роль, компенсируя небольшие дефекты поверхности отверстия корпуса или увеличивая срок службы уплотнения.