Как работает торцевое уплотнение: пара трения, пружина и плёнка жидкости

Принцип выглядит просто, но всё решают силы, которые держат торцы вместе. Слишком слабый прижим раскрывает зазор, и узел течёт. Слишком сильный выжимает плёнку, и пара греется до трещин. Конструкция торцевого уплотнения и есть способ подобрать этот баланс под давление, скорость и среду конкретного насоса.

Два кольца перекрывают путь вдоль вала

Вал выходит из корпуса насоса через отверстие, и среда стремится уйти по этому зазору наружу. Торцевое уплотнение перекрывает путь не по окружности вала, как сальник, а по плоскости, перпендикулярной валу. Одно кольцо закреплено на валу и вращается вместе с ним, второе стоит в крышке. Их рабочие поверхности прижаты друг к другу, и утечке остаётся только узкая кольцевая щель между торцами.

Остальные пути закрывают вторичные уплотнения: резиновое или фторопластовое кольцо между вращающимся кольцом и валом и такое же между неподвижным кольцом и крышкой. Вторичные кольца, сильфоны и клинья к торцевым уплотнениям насосов можно повторить по образцу, а сами кольца пары покупают у производителя уплотнения.

Притирка делает торцы плоскими до долей микрона

Рабочие торцы колец притирают до оптической плоскостности. Её проверяют на стеклянной плите в монохроматическом свете гелиевой лампы: число светлых полос показывает отклонение от плоскости. Обычное требование две полосы гелиевого света (описание контроля притирки), а одна полоса соответствует половине длины волны, около 0,29 мкм. Значит, торец плоский с точностью около 0,6 мкм на всём диаметре.

Такая точность нужна потому, что щель между торцами при работе ещё меньше. Если на торце риска глубиной в несколько микрон или он покороблен от нагрева, жидкость идёт по этому каналу мимо плёнки, и уплотнение течёт даже при правильном прижиме.

Пружина и давление среды прижимают пару

Сила, которая смыкает торцы, складывается из двух частей. Первая даёт пружина, сильфон или набор мелких пружин; она держит пару закрытой, пока давления в насосе нет. Вторая даёт сама среда: давление действует на заднюю сторону подвижного кольца и прижимает его к неподвижному.

Насколько сильно давление прижимает пару, зависит от соотношения площадей. В справочнике изготовителя уплотнений это отношение называют коэффициентом нагрузки k: площадь, на которую давит среда, делённая на площадь контакта торцов (лексикон торцевых уплотнений). При k больше 1 уплотнение называют нагруженным, или несбалансированным, при k меньше 1 разгруженным, или сбалансированным; обычный диапазон от 0,6 до 2. Чем больше k, тем сильнее прижим, уже щель и меньше утечка, но тем выше трение.

Плёнка жидкости смазывает пару и раскрывает зазор

Против силы смыкания работает давление жидкости в самой щели. Оно падает от полного давления среды на одной кромке торца до атмосферного на другой и пытается раздвинуть кольца. Когда силы уравниваются, между торцами устанавливается плёнка толщиной в десятые и сотые доли микрона. Через неё идёт утечка, и она же смазывает торцы, уносит тепло трения.

Утечка через такую щель растёт пропорционально кубу её толщины. В разборе изготовителя уплотнений для воды под давлением 1 МПа, наружного радиуса торца 100 мм и ширины 5 мм расчёт по уравнению Рейнольдса при плёнке 0,025 мкм даёт около 6,5 мл в час, а эмпирическая формула около 0,5 мл в час, то есть несколько капель (руководство по утечкам торцевых уплотнений). Такая утечка обычно испаряется с наружной кромки и не видна. Удвоение щели при той же разнице давлений увеличивает утечку в восемь раз, поэтому любой перекос и износ быстро превращаются в видимую течь.

Почему торцевое уплотнение немного протекает даже в исправном состоянии?

Исправное торцевое уплотнение протекает, потому что между кольцами пары трения должна стоять плёнка жидкости: без неё торцы трутся всухую и перегреваются. Плёнка толщиной в доли микрона пропускает наружу утечку порядка миллилитров в час и меньше, которая обычно испаряется с наружной кромки. Видимые капли, струйка или лужа под насосом уже признак неисправности: износа, перекоса или повреждения пары.

Расчёт показывает, зачем уплотнение разгружают

Пример с допущениями: торцы диаметром 52 и 42 мм, площадь контакта около 738 мм², давление среды 1 МПа, пружина даёт 150 Н, то есть около 0,2 МПа на торец. Давление в плёнке принимаем линейно падающим, в среднем половину давления среды. Тогда контактное давление на торцах примерно равно p × (k − 0,5) плюс давление пружины.

При 1 МПа обе схемы работают. При 10 МПа несбалансированная пара получает на торцах больше 7 МПа, плёнка выжимается, и торцы перегреваются. Поэтому на высоком давлении ставят сбалансированные уплотнения: ступенька на валу или втулке уменьшает площадь, на которую давит среда.

Нагрев от трения тоже можно оценить. При 2 950 об/мин средняя скорость скольжения на диаметре 47 мм около 7,3 м/с. Если коэффициент трения пары принять 0,07 (условно), то при 0,45 МПа на торцах трение превращает в тепло около 170 Вт, при 0,9 МПа около 340 Вт. Эту мощность уносит перекачиваемая жидкость, поэтому без неё пара перегревается за минуты.

Работу узла удобно разложить на пять шагов

Шаги на схеме повторяют текст. Первый: пружина смыкает кольца до пуска. Второй: давление среды добавляет прижим в работе, в доле, которую задаёт коэффициент нагрузки. Третий: в щели образуется плёнка в доли микрона, через неё идёт малая утечка. Четвёртый: тепло трения уносит жидкость в камере уплотнения. Пятый: подвижное кольцо сдвигается по валу вслед за износом и биением, а вторичное кольцо при этом скользит и не даёт течи.

Вторичные кольца и пружина следят за валом

Вал никогда не стоит идеально: есть осевое смещение, биение, тепловое удлинение. Подвижное кольцо должно свободно ходить по валу на доли миллиметра и при этом не пропускать среду вдоль вала. Эту задачу решает вторичное кольцо из эластомера или фторопласта: оно герметизирует посадку и одновременно не мешает кольцу двигаться.

Если вторичное кольцо набухло в среде, задубело от нагрева или прикипело к валу отложениями, подвижное кольцо зависает. Пружина уже не может прижать его к паре, щель раскрывается, и уплотнение течёт при целых торцах. Зависание подвижного кольца стоит в ряду причин, по которым течёт торцевое уплотнение, рядом с износом и сухим ходом; от материала торцов зависит другое, и пару трения выбирают по среде и абразиву.

Данные для деталей уплотнения повторяют баланс сил

Каждая величина из баланса сил превращается в строку заявки, когда к уплотнению нужны кольца, сильфон или клин:

• диаметр вала и наружный диаметр пары, если её можно замерить;
• установочная длина от торца камеры до упора на валу: от неё зависит сила пружины;
• давление в камере уплотнения при работе и при пуске;
• частота вращения вала;
• среда, её температура и твёрдые частицы;
• код или маркировка уплотнения, если читается;
• снятое уплотнение или его детали в качестве образца.

Без давления и скорости материал вторичных колец выбрать можно, а оценить, выдержит ли узел режим, нельзя. Какие схемы уплотнений ставят под какое давление, видно в обзоре видов торцевых уплотнений. Резиновые и фторопластовые детали к уплотнению изготавливают по образцу или по замерам: кольца нестандартных размеров подбирают под среду насоса, а кольца пары трения заказывают у производителя уплотнения по обозначению.

Нормы приведены по состоянию на октябрь 2026 года. Данные о материалах — ориентир для марок общего назначения; материал, размеры и допуски для вашего узла фиксируются в КП после технической оценки.