содержание      ..     25      26      27      28     ..

Parker Руководство по кольцам круглого сечения (2017 год) - часть 27

8 Терминология уплотнений

Обработка поверхности часто выражается в виде «R_t» и «R_a»

R_t

R_p

R_a

t_p [%]

(см. рис. 8.15). R_t — это вертикальное расстояние между наи-

[μм]

[μм]

[μм]

0,25

0,50

0,75

большей и наименьшей точками в профиле шероховатости на

R_t

R_t

R_t

длине кривой l_m. R_t постепенно заменяется значением R_max, мак-

1

0,5

0,5

50

50

50

симальной глубиной шероховатости. R_max — это наибольшая

единичная шероховатость, обнаруженная в 5 последователь-

1

0,5

0,25

25

50

75

ных отдельных участках кривой l_e. На рис. 8.15 глубина шерохо-

1

0,5

0,25

25

50

75

ватости Z₄ = R_max. В этом измерении R_max может быть не самым

1

0,75

0,28

12,5

25

37,5

большим пиковым значением шероховатости, так как таким

1

0,25

0,28

62,5

75

87,5

значением может являться R_t.

1

0,785

0,188

3,5

14

35

Среднее значение шероховатости R_a — это среднее арифме-

1

0,215

0,188

65

86

96,5

тическое всех абсолютных значений шероховатости в преде-

лах участка кривой l_m. R_z — среднее значение шероховатости 5

1

0,5

0,39

43

50

57

последовательных участков кривой l_e, всегда предпочтительнее

Таб. 8.7 Сечения идеального профиля для оценки поверхности

R_a.

Если известно R_a, R_z может быть найдено из рис. 8.16 и наобо-

рот. Рис. 8.16 приведен из стандарта DIN 4768, часть 1, Прило-

жение 1. При достижении значением R_z верхней границы гра-

фика можно предположить, что указанные значения R_a не будут

превышены. Нижние границы будут использоваться в случае

3

применения заданного значения R_Z .

1

Наконец, глубина шероховатости R_p также важна. Это верти-

кальное расстояние между наивысшей точкой и центральной

линией профиля шероховатости.

2

R_t:

R_t

l_m

R_max / R_z:

Z₁

Z₂

Z₃

Z₄ = R_max

Z₅

Величина R_z в мкм

1: верхний предел для R_z при перемещении от R_a к R_z

2: верхний предел для R_a при перемещении от R_z к R_a

3: отклонение.

Рис. 8.16 Зависимость между R_a и R_z

l_e

l_m = 5 × l_e

Значения R_t мало информативны для получения вывода о при-

R_z = 1 5 (Z₁ + Z₂ + Z₃

+ Z₄ + Z₅)

менимости шероховатости поверхности с точки зрения уплот-

нения. В таблице 8.7 показано, что для одного и того же зна-

чения R_t могут быть произведены все уровни шероховатости.

R_a / R_p

:

R_p

Значения R_a сами по себе также не подходят для сравнения, так

R_a

как профили 6 и 7 имеют одинаковое значение R_a. Необходимо

также учитывать значение R_p и (или) зону нагрузки t_p.

Статическая поверхность уплотнения R_t ≤ 6,3 мкм (старое зна-

чение: ∇∇∇ шероховатость по стандарту DIN 3141; новое зна-

l_m

чение: √R_t 6,3 шероховатость по стандарту DIN IS0 1302) более

грубая, чем динамическая поверхность. Производители уплот-

R_t = вертикальное расстояние между наивысшей и наинизшей точками;

нений рекомендуют применять шероховатость R_t ≤ 2,5 мкм для

R_p = глубина шероховатости;

поверхности динамических уплотнений (R_a = от 0,25 мкм до

R_a = среднее значение шероховатости;

Рис. 8.15 Терминология шероховатости

0,5 мкм) (старое значение: ∇∇∇ шероховатость по стандарту DIN

108

8 Терминология уплотнений

3141; новое значение: √R_t 2,5 шероховатость по стандарту DIN

Динамическое трение уплотнений зависит от многих факторов.

ISO 1302) при зоне нагрузки более 50 % или при шероховатости

На практике невозможно произвести точную количественную

обработки поверхности R_p ниже 50 %. Эти ограничения часто

оценку этих факторов, особенно из-за того, что лишь некото-

завышены. Тем не менее, связь между обработкой поверхно-

рые из них могут быть точно воспроизведены. Это также явля-

сти и зоной нагрузки очень важна из-за того, что «открытый»

ется причиной того, почему сложно предсказать силу трения

профиль может иметь острые углы (например, профили 2-6 в

для отдельных изделий. Наиболее важными факторами явля-

таблице 8.7). Эти открытые профили получаются в результате

ются:

процессов резки, таких как проточка или шлифование. Более

широкая зона нагрузки получается в результате процессов хо-

Относительно уплотнения:

лодного формования, таких как прокатывание, протяжка или

• геометрия уплотнения, включая допуски при изготовлении и,

волочение.

таким образом, предварительное нагружение;

• твердость и текстура материала;

• коэффициент трения сухого и смазанного компаунда;

• характеристики разбухания и температуры.

Относительно гидравлической жидкости:

• формирование смазочной пленки и распределение смазоч-

Поверхности, получаемые в результате обкатывания роликом (поверхность

холодного формования)

ного материала;

• зависимость вязкости от уровня и температуры.

Относительно условий эксплуатации:

• рабочее давление;

• скорость скольжения, тип материала и обработка поверхно-

Поверхности, получаемые в результате обычной механической обработки

Рис. 8.17

сти металлических поверхностей уплотнения;

• допуски механической обработки;

• осевые нагрузки и направляющие кольца на поршнях.

Из рис. 8.17 четко видно, что поверхности, получаемые в ре-

зультате обкатывания роликом, не имеют острых пиков, ко-

Большинство этих факторов оказывают не одиночный, а нако-

торые могут вызвать повреждение уплотнения. Более того,

пительный эффект при наложении с другими влияющими фак-

углубления формируют потенциальные смазочные емкости, ко-

торами.

торые улучшают динамическое поведение уплотнения.

При перемещении лицевой стороны уплотнение проходит две

На практике следует обеспечить, чтобы все эти значения шеро-

фазы трения. Если движение начинается из состояния покоя,

ховатости, измеренные на очень короткой длине, также были

обычно существует состояние пограничного трения (преиму-

действительны для всей поверхности. Более того — как мини-

щественно контактное или сухое трение с малым количеством

мум для сравнения поверхностей — должна быть указана спра-

смазываемых полей и коэффициентом трения μ около = 0,3).

вочная длина. Иначе высота профилей будет отличаться.

Далее следует широкий диапазон смешанного трения, при ко-

тором коэффициент трения может упасть вплоть до значения

от 0,06 до 0,08 в соответствии с пропорцией смазанных / нес-

мазанных зон (рис. 8.18). В уплотнениях редко происходит об-

8.17 Трение и износ

8

разование зоны чистого гидродинамического трения. Эта зона

Уплотнительные кольца контактируют с поверхностями уплот-

характеризуется также сильным увеличением утечек из-за од-

нения благодаря своей упругости и диаметральному сжатию, а

нородной смазочной пленки.

также дополнительному наложению давления системы. Когда

эти поверхности двигаются относительно друг друга, появляю-

Статическое трение (пограничное трение)

щееся в результате трение имеет два последствия: одно из них

— износ, другое — уменьшение силы вращения цилиндра, ко-

Смешанное трение

торая сокращается силой, требуемой на преодоление трения.

Гидродинамическое трение

8.17.1 Трение

При динамическом применении необходимо учитывать отличие

Скорость V

между статическим трением, которое необходимо преодоле-

вать при запуске двигателя, и динамическим трением при дви-

Рис. 8.18 Кривая Штрибека

жении. Проблема статического трения особенно важна в слу-

чае колебательного движения, например в цилиндрах.

109

8 Терминология уплотнений

Гидравлические уплотнения

значительно изменяются при различном давлении, они имеют

Компаунд влияет на трение за счет своих свойств скольжения,

склонность к выравниванию при более высоких скоростях.

которые могут значительно изменяться, а также через твер-

дость, которая влияет на деформацию под давлением. С ро-

На трение оказывает сильное влияние диаметр уплотнения, так

стом давления трение может пропорционально возрастать до

как площадь износа выше. Шероховатость поверхности метал-

площади упомянутого характерного сжатия.

лических зон уплотнения оказывает такое же влияние. Чем она

выше, тем больше формируется «металлических островков», и,

Рабочее давление определяет размер зазора под уплотнение

таким образом, уплотнение снова работает в зоне смешанного

и, таким образом, толщину смазочной пленки. Следовательно,

трения.

воздействие различается в зависимости от геометрии уплот-

нения. С уплотнительными кольцами круглого сечения трение

1,2

растет пропорционально увеличению давления, при этом ман-

Полиуретан

жетные уплотнения характеризуются более резким увеличени-

ем из-за радиального действия давления. При использовании

0,8

этого типа уплотнения даже мелкие детали геометрии могут

внести различия в характер трения.

0,4

NBR

Однако, так как трение только частично зависит от уровня ра-

бочего давления, важно минимизировать трение, особенно в

условиях низкого давления.

10 с 1 мин.

1 ч.

1 день 1 нед. 1 мес.

Срок службы

Правда это может быть достигнуто лишь до определенной сте-

Рис. 8.19 Уровень трения при запуске зависит от времени и компаунда

пени, так как уменьшение контактной силы автоматически при-

водит к увеличению утечек. Несмотря на то, что эта зависи-

мость может изменяться в определенных пределах в связи с

Как и во многих других областях, статическое срывное трение

геометрией уплотнения, выбор между низким трением и высо-

эластомеров (усилие сдвига) значительно выше динамического

кой герметичностью зачастую неизбежен.

трения. Независимо от типа компаунда и геометрии уплотнения

на увеличение силы трения сдвига оказывает влияние склон-

Кроме того, возможна недостаточная геометрическая стабиль-

ность к склеиванию, деформация, время простоя и обработка

ность, что зависит от поведения разбухания в рабочей жидко-

поверхности. Чем больше время простоя, тем больше масла

сти под давлением.

выжато из поверхности уплотнения из-за предварительного на-

гружения. В этих условиях уровень трения при запуске прибли-

Достаточное количество смазки, которое очевидно является

жается к уровню при сухом трении и может быть до 10 раз выше

важным условием для данной проблемы трения, по всей види-

в сравнении с рабочей силой трения (рис. 8.18 и 8.19). Для этих

мости обеспечивается при использовании минерального масла

же условий трение при высокой температуре (= низкой вязко-

в качестве гидравлической жидкости. Однако не только вяз-

сти) выше из-за частого нарушения смазочной пленки.

кость среды, но и опять же геометрия уплотнения помимо про-

чего играет здесь важную роль, так как оказывает влияние на

толщину смазочной пленки. В худшем случае уплотнение может

работать в сухих условиях из-за вытирания смазочной пленки.

Несмотря на то, что в этом случае уплотнение будет очень гер-

метичным, оно быстрее изнашивается. С другой стороны, хоро-

шее смазывание уплотнений, т. е. достаточно толстая смазоч-

ная пленка, может вызвать нежелательные утечки.

Оптимальным условием является относительно тонкая смазоч-

ная пленка с достаточными клейкими свойствами.

Увеличение скорости поршня оказывает главным образом по-

ложительный эффект из-за уменьшения трения. Однако в усло-

виях абсолютных величин существуют значительные отличия, в

зависимости от того, как сильно вытирается смазочная плен-

ка. Уменьшение трения связано с тем фактом, что плотная сма-

зочная пленка формируется при более высокой скорости. Это,

кстати, также относится к более твердым компаундам. При том,

что в диапазоне более низких скоростей коэффициенты трения

Рис. 8.20 Сила трения по отношению к давлению и скорости для ком-

пактного уплотнения штока с твердостью 90 единиц по шкале Шора

110

8 Терминология уплотнений

Наиболее важные факторы приведены на рис. 8.20. Здесь тре-

ние. Из этих трех параметров трение является единственным,

ние показано как функция давления и скорости. Рис. 8.20 дей-

на которое можно повлиять. Это требует хорошего взаимо-

ствителен только для определенного уплотнения в конкретных

действия между уплотнением, смазочной пленкой и ответ-

условиях применения. Для других уплотнений и применений

ной поверхностью с минимальным динамическим трением и

взаимосвязь меняется. Эффект прерывистого скольжения

благоприятным статическим трением. Можно также добиться

также зависти от трения на поверхности уплотнения. Так как в

определенных улучшений, если сделать систему более жест-

этом случае трение, или, точнее, разница между статическим и

кой, что потребует применения наименьшего возможного объ-

динамическим трением, играет важную роль, данное явление

ема масла под давлением на гидравлической стороне.

также относится к применению и (или) использованию уплотне-

ний, выполненных из эластомеров, у которых эта разница осо-

Отделение смазочной пленки также вызывает радиальные ко-

бенно большая.

лебания уплотнения. Было отмечено, что при использовании

масел с хорошей смачивающей способностью, данное явление

Для возникновения прерывистого скольжения должны однов-

не возникает в тех же уплотнениях и при таких же условиях экс-

ременно присутствовать три следующих условия:

плуатации.

• статическое трение стабильно выше динамического трения,

Пневматические уплотнения

которое достигает минимального уровня трения при рабочей

В принципе здесь применяются такие же условия, как и для ги-

скорости v μmin (см. кривую Штрибека, рис. 8.18);

дравлических уплотнений, за исключением того, что некото-

• рабочая скорость ниже v μmin;

рые из пограничных условий значительно ухудшаются в случае

• мощность передается через эластичное тело, обычно столб

пневматических уплотнений. Особенно это относится к наиме-

сжимаемого масла при использовании цилиндра.

нее благоприятным условиям смазки, которые только пример-

но сопоставимы со смазкой масляным туманом, что более не

Для более наглядного понимания термина прерывистого сколь-

желательно, так как смазочная пленка постоянно пополняется

жения обратитесь к рис. 8.21. Для ускорения массы m от нуля

за счет постоянного притока новой смазки.

до максимальной скорости статическое трение μH должно

быть преодолено силой F₁. Пружинный элемент нагружен си-

При использовании густой смазки смазочная пленка не может

лой F₁, и с увеличением скорости значение трения μ_H умень-

восстанавливаться, так как новые смазочные материалы бо-

шается до μ_G, а сила до F₂. Сила, которая содержится в пружи-

лее не подаются в систему. От каждого рабочего хода штока

не, ускоряет массу еще дальше. Как только эта сила полностью

Пленка фактически убывает вплоть до ее «полного вытирания»

исчезает, масса начинает торможение вследствие увеличиваю-

уплотнительными манжетами. Этот процесс «износа смазочно-

щейся силы трения в направлении μ_H. В свою очередь, это тре-

го материала» зависит от толщины оригинальной пленки и ско-

бует другого повышения силы до уровня около F₁, и процесс

рости скольжения уплотнения поршня (рис. 8.22).

повторяется.

Это, опять же, означает, что выбор меньшей скорости сколь-

жения приведет к соответствующему уменьшению толщины

оставшейся пленки. Несмотря на то, что «износ смазочного ма-

териала» относительно небольшой, можно ожидать, что слой

подаваемого в конструкцию смазочного материала будет сра-

батываться после нескольких ходов поршня на низкой скоро-

сти до такой степени, что гидродинамическая пленка смазоч-

8

ного материала больше никогда не сможет восстановиться на

рабочих поверхностях во время работы.

Разрыв смазочной пленки после длительной работы безуслов-

но ведет к возникновению контакта между уплотнением и ме-

таллическими поверхностями. Это заставляет уплотнение ра-

ботать в диапазоне смешанного трения, и увеличение трения

Скорость [V]

вызывает высокий износ. По этой причине для пневматических

уплотнений были разработаны скругленные края уплотнения,

которые больше не вытирают смазочную пленку (или вытирают

ее в меньшей степени). Несмотря на то, что это решение оказы-

вает небольшое действие на статическое трение, оно заметно

Рис. 8.21 Системная схема для явления прерывистого скольжения

влияет на динамическое трение.

Следовательно, определенное отношение между трением

уплотнения и вовлеченной в движение массой (поршнем и на-

грузкой) с ее скоростью скольжения имеет решающее значе-

111

содержание      ..     25      26      27      28     ..