Сальники — конструктивные особенности и технические решения

22.12.2017
Сальники — конструктивные особенности и технические решения

Сальник, или армированная манжета — уплотнительное приспособление, используемое в спецтехнике, автомобилях, специальных конструкциях для полной герметизации вращающихся валов и сочленения деталей, работающих по принципу возвратно-поступательного движения (пример последнего — манжеты в сочленении гидроусилителя и рулевой рейки). И в динамике, и в статике изделия позволяют обеспечивать разделение и исключить взаимопроникновение сред:

  • воздуха и масла;
  • воды и воздуха;
  • охлаждающих жидкостей и воздуха и т. д.

Также эти уплотнители препятствуют проникновению во внешнюю среду кислот, щелочей, других агрессивных сред и при наличии пыльников — попаданию в узлы двигателя пыли и грязи.

При проектировании моделей армированной манжеты конструкции проходят длительный путь поэтапной отработки с созданием нового или усовершенствованием существующего полимерного композита, с тестированием пробника на испытательном стенде и ходовыми испытаниями. Именно тесты позволяют сделать итоговые выводы об износостойкости конструкций и получить необходимые данные для расчетов. При этом требования к эксплуатационным характеристикам сальников постоянно возрастают. Так, в настоящее время отдельные производители дают гарантию на 50 тысяч часов автопробега (или 3 млн. км) без смены этого уплотнителя, что еще в 90-х годах прошлого века казалось недостижимым.

Сегодня конструкторы предлагают широкий ряд оригинальных решений по совершенствованию армированных манжет для того или иного узла. Ключевые «точки», по которым ведется работа — герметизация по валу вращения и уплотнение по посадочному участку внешней поверхности. Ниже представлен ряд этих решений.

Варианты уплотнений по наружной поверхности

Сальники рифленые

Сплошная и гладкая — в таком исполнении выглядела раньше по месту посадки наружная часть сальника. На практике обнаруживалось, что гладкое и сплошное наружное обрезинивание нередко приводило к протеканию («отпотеванию») технической жидкости. Исследование таких манжет показали, что на поверхности резины образовывались микроскладки, поскольку не происходило ее сжатие при запрессовке. В результате масло, являясь сверхтекучей средой, становилось причиной «отпотевания» с последующим попаданием через микроскладки пыли и грязи.

В дальнейшем для производства сальников стали применяться более высокие технологии: они позволили без деформаций выпрессовывать из пресс-формы манжеты с обновленной — рифленой наружной поверхностью — более эффективной и надежной, исключающей «отпотевание».

Сальники с накаткой

Плотность прижатия «губы» сальника — его резинового элемента — зависит от угловых и линейных скоростей вращения вала. До достижения определенных скоростных показателей рабочая кромка обеспечивает полную герметичность, исключая вытекание масла. Соответственно и конструкции, работающие в пределах данных параметров, не вызывают вопросов у инженеров по части герметичности уплотнений. Основное внимание конструкторов уделяется обеспечению меньшего износа и большей долговечности резины в месте контакта.

Однако повышенные обороты в минуту меняют ситуацию, и причиной тому эксцентриситет вала. Даже крайне незначительный, при вращении вала он вызывает смещение окружности рабочей кромки относительно наружного диаметра — в результате «губа» «открывается», появляется зазор между рабочей кромкой и валом, через который и протекает масло. На определенных высоких скоростях резина просто не в состоянии закрыть его. У современных сальниковых уплотнений он не превышает 0,2 мм, однако полная герметичность всё равно нарушена.

Конструкторами было найдено решение, основанное на принципе гидродинамического эффекта. Путем накатки «губа» сальника стала профилироваться, в результате чего получили своего рода крыльчатку насоса. Благодаря такому профилю при повышенных угловых скоростях возникает эффект гидродинамики - подвижная рабочая среда (вода, масла), стремящаяся наружу, «загоняется» обратно. Для сальников правового и левого вращения гидродинамическая накатка выполняется отдельно, угол ее наклона к рабочей кромке может быть различен. Расчеты по накатке (форма, шаг, угол примыкания к рабочей кромке) осуществляются по результатам экспериментов и тестирования, поскольку зависят от массы факторов, в том числе от конструкции «губы» и используемой резины.

Сальники с реверсивной насечкой

Отдельно следует сказать о реверсивной накатке (насечке). Сальники с таким профилирование «губы» не рассчитаны на форсированное использование, как правило, для них не существует «граничный» режим работы. Они применяются при реверсивном вращении валов. В этом случае реверсивная насечка — экономически выгодная альтернатива «левой» и «правой» накаткам.

«Голые» сальник

Сальники с оголенным каркасом не имеют уплотняющего резинового слоя. Уплотнение происходит за счет плотной посадки «металл — металл». Достичь герметичности в этом случае можно лишь вводя дополнительную производственную операцию — нанесение специального герметика. В условиях ремонтной мастерской это незначительно снижает общие расходы. Но по совокупности затрат в условиях серийного производства это оказывается дороже производства сальников с полимерным наружным слоем.

Однако у оголенных сальников есть свой плюс — прочная фиксация в узле. Он особенно ощутим в сравнении с неправильно обрезиненными уплотнениями, которые сами по себе, еще и под воздействием высоких температур, могут смещаться из-за остаточных деформаций в резине.

«Полуголые» сальники

У таких уплотнителей несколько важных плюсов — высокая герметичность, которую обеспечивает резиновый компонент, надежная посадка благодаря натягу металла по металлу и экономия материалов: в сравнении с обычным обрезиненным аналогом на такой сальник полимеров уходит меньше до 20%. Однако есть и немаловажный минус — более сложная, и более затратная технология производства. Уплотнители такого типа изготавливаются из высококачественных полимеров типа фтор-силиконовых и используются на особо ответственных участках.

Сальники с пыльниками

Пыльник — особый элемент армированной манжеты, используемый для защиты места уплотнения вала и рабочей кромки от проникновения грязи и пыли. Он выполняет роль барьера и для сравнительно крупных частиц во избежание повреждения места уплотнения. Пыльник может без натяга касаться вала или иметь относительно него зазор, однако есть и варианты с натягом на вал. В числе разновидностей:

Выступающие пыльники

Их выносят подальше от рабочей кромки. Предназначены для сальников, работающих в условиях повышенной влажности, загрязненности, пылеобразования. Выступающая геометрия элемента увеличивает объем камеры внутри уплотнителя, и все что проникает в камеру, оседает в ней.

Пыльники с натягом на вал

Такой вариант — специальная разработки для эксплуатации техники (в том числе военной) в экстремальных условиях. Они призваны максимально защитить сальники от проникновения внешних сред, в том числе в условиях полного погружения машин в воду и т.д. Внутренняя полость уплотнителей заполняется на две трети специальной смазкой, к изделиям предъявляются повышенные требования по износостойкости.

При эксплуатации изделий допускаются незначительные протечки (на 1 тыс. км — 3-5 мл), что связано с нагревом и остыванием воздушно-газовой среды в камере сальника. Последняя нагревается и увеличивается в объеме в процессе движения, однако при остановке вала, остывая, «сдувается», вбирая в себя воздух извне. Радиальная нагрузка на вал в процессе эксплуатации контролируется за счет браслетной пружины, также у сальников данного типа имеется внешняя пружина, изготавливаемая из нержавеющей стали или стали с антикоррозионным покрытием.