Традиционные фланцевые соединения с торцовыми уплотнениями (рис. 1) получили широкое распространение в конструкциях арматуры и гидроприводов благодаря своей простоте и возможности использования простейших плоских или круглых уплотнителей из самых разных материалов. Совершенствование фланцевых соединений в первую очередь касается сокращения их габаритов в несколько раз переходом от прямой стяжки фланцев болтами к их стяжке посредством бугелей [1] (рис. 2). Однако с ростом рабочих давлений жидкостей в гидросистемах, расширением температурных диапазонов, а также тенденции к снижению массы и габаритов фланцевых соединений все ярче выступают недостатки торцовых уплотнений фланцев, препятствующие этой тенденции:
1. Значительные начальные нагрузки на фланцы и их стяжные устройства, связанные с созданием контактных давлений в торцовых уплотнителях, необходимых для поддержания их герметичности во всех режимах эксплуатации.
2. Зависимость нагрузки на фланцы от ширины контакта уплотнителей, с ростом которой увеличивается площадь действия давления жидкости.
3. Снижающая надежность фланцевых соединений высокая чувствительность торцовых уплотнений к деформациям торцов фланцев и зазорам между ними, которые возникают под действием давления жидкости и внешних нагрузок на фланцы, а также при ослаблении затяжки стягивающих фланцы болтов и разности температурных деформаций болтов и фланцев.
Борьба с этими недостатками развернулась прежде всего в гидроприводостроении, где внедрение блочно-модульной компоновки гидроаппаратов с корпусами из легких сплавов и многочисленными многоканальными фланцами, работающими при высоких давлениях до 40 МПа и температурах от -60 до +100ºС, потребовала перехода от торцовых уплотнений к более надежным радиальным муфтовым уплотнениям фланцев.
Наглядным примером такого перехода может служить конструкция самолетного рулевого гидропривода [2] (рис. 3).
В ней использованы в многоканальных фланцевых соединениях муфтовые уплотнения в виде металлической втулки с канавками, внутри которых установлены стандартные резиновые кольца в паре с защитными фторопластовыми кольцами, контактирующими с внутренней поверхностью посадочных колодцев во фланцах (рис. 4). В такой конструкции резиновые уплотнители сжимаются радиально при проходе через заходные фаски в колодцах фланцев в процессе сборки фланцевого соединения и затем не нагружают фланцы осевыми силами. Ширина контакта уплотнителей влияет лишь на осевую протяженность муфтовых уплотнений. Допустимые зазоры между фланцами многократно увеличиваются.
Использование муфтовых уплотнений в авиации наглядно демонстрирует перспективность их применения и в других областях техники. Кроме того, у этого типа уплотнений есть большие резервы для совершенствования. Так, габаритные размеры DxH муфтовых уплотнений могут быть существенно уменьшены переходом от втулок со стандартными резиновыми кольцами к обрезиненным втулкам (рис. 5). Контактные давления на наружной поверхности таких втулок создаются сжатием их по наружному диаметру, аналогично монтажному сжатию резиноармированных манжет для вращающихся валов по ГОСТ 8752-79. При этом сжимается как резиновый слой, так и металлическая втулка, выполняя роль дополнительного генератора контактных давлений. Поэтому многолетняя практика применения таких манжет [3] показала высокую надежность гермосоединения шириной всего 5 мм по их наружному диаметру и повышенную морозостойкость по сравнению с резиновыми кольцами из той же резины. Воздействие давления жидкости на внутреннюю поверхность втулок муфтовых уплотнений передается на их наружную поверхность, обеспечивая эффект самоуплотнения, сохраняющий их герметичность при высоких давлениях.
Для защиты от экструзии резинового слоя в зазор между фланцами могут использоваться клинопрофильные металлические кольца, заполняющие заходные фаски у колодцев фланцев (рис. 5). При наличии диаметрального натяга по их наружной поверхности клинопрофильные кольца выполняют функцию дополнительного резервного уплотнения фланцев. Конструкция клинопрофильных уплотнений фланцев подробно описана в статье [4].
Химическую стойкость муфтовых уплотнений можно повысить, используя вариант конструкции [5] (рис. 6) с фторопластовой (Ф-4) тонкостенной втулкой, покрывающей винтовую пружину, работающую на сжатие витков по наружному диаметру. При этом фторопластовая втулка может выполняться навивкой из ленточного материала, например, из ленты ФУМ. Работоспособность таких уплотнений проверена при давлении масла до 60 МПа и при температурах от -60 до +130ºС.
При использовании вместо Ф-4 более упругих материалов, например, полиэфирэфиркетона (РЕЕК), необходимость во внутренней пружине отпадает, так как этот материал, в отличие от Ф-4, не имеет псевдотекучести и сам выполняет функцию пружины.
Муфтовое уплотнение может быть целиком металлическим, однако для снижения жесткости такой втулки и увеличения ее упругого хода при сжатии по диаметру ее наружную поверхность целесообразно гофрировать сетью лунок [6] (рис. 7). При этом следует учитывать, что повышение твердости контактных поверхностей требует для сохранения высокой герметичности снижения их шероховатости с Ra 1,6 до Ra 0,2 мкм.
ВЫВОДЫ
Рассмотрены традиционные фланцевые соединения с торцовыми уплотнениями, отмечена тенденция сокращения их габаритов и выявлены недостатки торцовых уплотнений, препятствующие этой тенденции.
На примере фланцевых соединений самолетных рулевых гидроприводов показаны преимущества радиальных муфтовых уплотнений, повышающих компактность и надежность фланцевых соединений за счет снижения нагрузки на фланцы и роста допустимых зазоров между ними.
Проанализированы конструкции существующих муфтовых уплотнений и их характеристики, представлены пути их дальнейшего совершенствования.
Литература
1. И.К. Погодин, С.Ю. Трутаев, И.И. Трутаева. Разработка методов оптимального проектирования разъемных соединений высокого давления. – Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2015, №9, стр 22-24.
2. И.С. Шумилов. Системы управления рулями самолетов. — М., Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009, стр 240.
3. Г.А. Голубев, Г.М. Кукин, Г.Е. Лазарев, А.В. Чичинадзе. Контактные уплотнения вращающихся валов — М., Машиностроение, 1976, стр. 64-65.
4. В.Б. Овандер, О.Ф. Никитин. Компактные клинопрофильные уплотнения для валов и фланцев гидромашин — Вестник арматурщика, 2015, №5, стр. 98-100.
5. В.Б. Овандер. Уплотнение фланцевого соединения. Авторское свидетельство №1588965. Б.И. 1990. №32.
6. В.Б. Овандер. Контактный уплотнитель. Авторское свидетельство № 1610161. Б.И. 1990. № 44.
Опубликовано в «Вестнике арматуростроителя» № 1 (29) 2016
