Эластично шагая в будущее

Известно, что гидроцилиндр является гидродвигателем объемного гидропривода с прямолинейным возвратно-поступательным относительным движением поршня со штоком и корпуса (гильзы) с крышками (буксами).

Уплотнения герметизируют неподвижные и подвижные гермоконтакты – гидроцилиндр имеет две группы уплотнений: поршневые и штоковые. Более высокие требования герметичности предъявляются к штоковым уплотнениям, поскольку в случае утечек загрязняется окружающая среда и повышается пожароопасность.

Уплотнения гидроцилиндров в своем развитии прошли относительно долгий путь, который, конечно же, связан прежде всего с развитием всего объемного гидропривода. Здесь мы попытаемся изложить основные вехи развития уплотнений гидроцилиндров.

Одной из первых машин с гидроприводом принято считать гидравлический пресс, запатентованный английским изобретателем Джозефом Брама (Joseph Bramah, 1748–1814 гг.) в 1795 г. и изготовленный им в 1797 г. При его создании была решена одна из основных проблем – проблема уплотнения зазора между поршнем и корпусом цилиндра. Эту задачу успешно решил ученик Дж. Брама Генри Модсли (Henry Maudslay, 1771–1831 гг.) [1].

До этого времени в качестве уплотнений применялись сальниковые набивки. Это, пожалуй, одно из самых древних видов уплотнений. В качестве набивочного материала применяли промазанную жиром пеньку, другие материалы. Данный вид уплотнений сохранился и до наших дней (ГОСТ 5152-84). Материалы же, конечно, современные. Однако для уплотнения подвижных гермоконтактов гидроцилиндров такое уплотнения было непригодным.

Г. Модсли вместо прежнего сальника в углубление на боковой поверхности поршня положил кольцеобразный вкладыш из крепкой кожи (юфти), выпуклый сверху и вогнутый внизу (см. Q на рис. 1). Когда вода поднималась под сильным давлением и наполняла выемку в кольце, она раздвигала загнутые края кожи и прижимала ее к поверхности цилиндра так крепко, что кожа плотно закрывала собой зазор. Как только давление воды начинало уменьшаться, прижатие кожи к цилиндру ослаблялось. Саморегулирование изменения контактных давлений при работе уплотнения является его очень важным качеством. Данное уплотнение служит прообразом современных манжетных уплотнений.

Рис. 1. Гидравлический пресс Дж. Брама

Следующим важным этапом в развитии уплотнений послужило изобретение способа получения резины путем ее серной вулканизации натурального, а впоследствии и искусственного каучука. Это запатентовал 15 июня 1844 года американец Чарльз Гудиер (Charles Nelson Goodyear , 1800–1861 гг.).

Важным свойством резины, которым должен обладать материал уплотнений, является ее эластичность, т. е. способность восстанавливать свою форму после достаточно больших деформаций. На тот период это был лучший материал для уплотнений. Для получения требуемых качеств в каучук (натуральный или искусственный) стали добавлять различные добавки (пластификаторы, противостарители, наполнители, красители и др.), получая таким образом резиновую смесь. Рецептуростроение резиновых смесей по настоящее время является основной и весьма наукоемкой составляющей технологии переработки резины [2].

Наиболее универсальным уплотнением являются резиновые кольца круглого сечения. Ими уплотняют как неподвижные, так и подвижные соединения, как гидравлику, так и пневматику. В России имеются стандарты на эти кольца: ГОСТ 9833-73 на конструкцию и размеры, и ГОСТ 18829–73 на технические условия. Имеются также стандарты на резиновые манжеты – ГОСТ 14896-74, резиновые грязесъемники – ГОСТ 24811-84.

Существенным недостатком резино-вых уплотнений является свойство резины прилипать к сопряженным металлическим поверхностям в состоянии покоя, особенно если поверхность имеет высокую чистоту обработки. Это опасно тем, что в подвижных узлах при начальном движении штока или поршня могут возникнуть значительные силы трения, которые ведут к преждевременному изнашиванию уплотнения или даже к выходу его из строя. При эксплуатации в условиях высокого давления также может происходить выдавливание резины в зазоры уплотняемых соединений и возникновение течи.

Резиновые уплотнения имеют низкую морозостойкость. Они при температуре примерно –20 °С начинают затвердевать и допускать повышенную утечку рабочей жидкости. При температуре –20…–50 °С работают недостаточно надежно. Надежность герметизации также понижается и при значительном нагреве жидкости, например, свыше +80…120°С.

Уплотнения из резины при повышенных давлениях обладают сравнительно малой долговечностью. Резина должна быть маслобензостойкой, морозостойкой, хорошо сопротивляться действию знакопеременных напряжений и износу. Она должна быть достаточно жесткой, не должна сильно прилипать к стальным деталям.
Резина не должна значительно изменять свои механические свойства при хранении запасных деталей.

Еще одним недостатком резины является невозможность ее вторичной переработки, т. е. с этой точки зрения резина похожа на реактопласты.

Таким образом, имелась потребность в разработке новых материалов для уплотнений [3].

Для частичного исключения описанных недостатков были разработаны комбинированные уплотнения (рис. 2). С металлом в уплотняемом соединении контактируют, например, фторопласт или полиэфирный термопластичный эластомер, а поджимаются они резиновым кольцом.

Рис 2_а. Комбинированное уплотнение поршня

Уплотнение компактно, поршневые уплотнения могут применяться в цилиндрах двойного действия.

Рис 2_б. Комбинированное уплотнение штока

Следующим важным этапом развития уплотнений для гидроцилиндров является этап разработки и промышленного освоения синтетических эластомеров – термоэластопластов (ТЭП). Это период 40-х годов XX века, т. е. порядка 70–80 лет назад. Так, например, полиуретан был получен в германском Ливеркузене в 1937 г. Отто Байером (Оttо Bayer) с коллегами. Фирма "Байер" сейчас весьма известный производитель пластмасс, в том числе и полиуретанов. В это же время такие работы проводились и в Америке, в том числе на также хорошо известной фирме DuPont [4].

Отличительной особенностью ТЭП служит то, что они перерабатываются, как термопласты, а в рабочих условиях
ведут себя, как эластомеры. То есть возможна практически безотходная их переработка. Из всего многообразия ТЭП, а в большинстве своем это блочные сополимеры, имеющие жесткие и аморфные блоки, для уплотнений гидроцилиндров наиболее подходят полиуретановые ТЭП. До недавнего времени единственным сдерживающим их применение фактором служил узкий диапазон рабочих температур (–30…+80 °С). В это время для уплотнений гидроцилиндров применяли ТЭП на основе полиэфиров (например, ТЭП Hytrel фирмы DuPont) с рабочим диапазоном температур –50 ...+110 °С. Только сравнительно недавно, порядка 5 лет, были разработаны марки полиуретанов с расширенным температурным рабочим диапазоном, который необходим для обеспечения надежной работы гидропривода (–40…+ 110 °С). И все ведущие производители гидравлических уплотнений сразу включили эти марки в свои производственные программы.

Сравнительная характеристика резины и термопластичного полиуретана (ТПУ) приведена в таблице 1.

На сегодняшний день полиуретан является основным материалом для большинства уплотнений гидроцилиндров. Примером может служить компания "ЭрДжиСи-трейд" – производитель высококачественных уплотнительных элементов из полиуретана. Компания производит уплотнительные элементы для гидроцилиндров, соответствующие современным требованиям и стандартам.

Тесное сотрудничество с российской наукой, изучение опыта ведущих мировых производителей, постоянный мониторинг работоспособности уплотнений и регулярная модернизация производства позволяют компании "ЭрДжиСи-трейд" непрерывно совершенствовать продукцию.

Претерпел изменения и манжетный профиль. Благодаря развитию численного анализа на базе конечно разностных методов (конечных разностей, конечных объемов, конечных элементов) появилась возможность проанализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) уплотнений при установке их по посадкам с натягом в монтажные канавки гидроцилиндра. Из симметричного профиля он стал асимметричным (рис. 3). Это позволило более рационально распределить контактные давления в уплотняемом сопряжении.

Рис. 3. Современное манжетное уплотнение штока с дополнительной уплотняющей кромкой

В 2013 году производственная программа компании "ЭрДжиСи-трейд" пополнилась новой линейкой уплотнительных и защитных элементов гидроцилиндров: штоковых манжет RG01, RG17, RB, грязесъмников WR. Материал был заменен на современный полиуретан с расширенным диапазоном рабочих температур, изменена геометрия уплотнений и грязесъемников. Это позволяет обеспечивать более рациональное распределение контактных давлений и улучшить уплотняющий и защитный эффекты.

Классификация современных уплотнений для гидроцилиндров представлена на рис. 4.

Рис. 4. Классификация современных уплотнений для гидроцилиндров

Возможные перспективы развития уплотнений для гидроцилиндров:

1. Решение задачи мультифизики и оптимизации взаимодействия жидкость-уплотнение. На этой базе более уточненный подход к разработке уплотнений и их адаптированию к конкретным условиям эксплуатации;
2. Разработка новых композиционных материалов для уплотнений с использованием современных нанотехнологий. Компания "ЭрДжиСи-трейд" проводит работы по внедрению для направляющих гидроцилиндров угленаполненного полиамида, модифицированного углеродными нанотрубками.

Литература:
1. 3агорский Ф. Н., 3aгорская Ц. М. Генри Модcли. (1771–1831). М.: Наука, 1981. 144 с., ил.
2. Технология резины: Pецептуростроение и испытания/Под ред. Дика Дж. С.; Пep. c англ. под ред. Шершнева B.A. – CПб.: Научныe основы и технологии, 2010. – 620 c., ил.
3. Макаров Г.В. Уплотнительные устройства. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., "Машиностроение" (Ленинградское отделение), 1973. 232 с., ил.
4. Холден, X. Р. Крихельдорф, Р. П. Куирк. Термоэластопласты/ Пер. с англ. 3-го издания под ред. Б. Л. Смирнова – СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. – 720 стр., ил. 5. Овандер В.Б. Резино-пластмассовые уплотнения компактного профиля. – Гидравлика. Пневматика. Приводы, №15, 2005, с. 20–22.
6. Овандер В.Б. Низкопрофильные резино-пластмассовые уплотнения для штоков гидроцилиндров.– Гидравлика. Пневматика. Приводы, №20, 2005, с. 32–34.

Г. А. Смирнов, руководитель производства RGC, к.т.н.