Канавка под уплотнительное кольцо: расчёт размеров

Канавка держит кольцо в нужной форме: кольцо сплющивается между дном канавки и ответной деталью, а рабочее давление прижимает его к стенке и усиливает контакт. Ошибка в глубине на 0,2 мм у кольца сечением 3 мм меняет сжатие примерно на 7 процентных пунктов, поэтому канавку проектируют по расчёту, а не по сечению «на глаз». Если узел уже есть и нужно понять, какое кольцо в нём стоит, последовательность обратная: размеры снимают с металла при замере канавки.

Пять размеров канавки задают работу кольца

Чертёж канавки описывают пять величин. Глубина, точнее радиальная высота от дна до ответной поверхности, определяет сжатие. Ширина определяет, куда денется резина после сжатия, нагрева и набухания. Радиус у дна снимает концентрацию напряжений в металле и не даёт кольцу врезаться в угол. Притупление или малый радиус верхней кромки защищает кольцо от среза под давлением. Зазор между деталями решает, выдавит ли кольцо в щель.

Шестой элемент относится к ответной детали: заходная фаска на штоке или в отверстии. Без неё кольцо при сборке срезается острой кромкой, и узел течёт с первого пуска, хотя все размеры канавки верны. В расчётной программе highexpert угол заходной фаски принят 20°, минимальная длина фаски для кольца сечением 3,3 мм получилась 2,7 мм (расчёт MSLC, highexpert.ru).

Глубину выбирают по сжатию сечения

Сжатие считают в процентах от сечения: (d2 − h) / d2 × 100, где d2 сечение кольца, h радиальная высота посадочного места с учётом зазора. Для радиальной канавки h равна глубине канавки плюс половина диаметрального зазора, для торцевой равна глубине канавки, если крышка садится металл к металлу.

Ориентиры для резин общего назначения, по каталогам производителей колец:

Меньше 8–10 % кольцо на холоде и после усадки теряет контакт. Больше 30 % резина быстрее набирает остаточную деформацию и трескается по наружной стороне, а сборка требует заметного усилия.

Ширина канавки отвечает за заполнение

Сплющенное кольцо расширяется в стороны, и ширина канавки должна принять этот объём с запасом. Заполнение считают как отношение площади сечения кольца к площади сечения канавки: π × d2² / 4, делённое на h × b. Ориентир для расчёта: не больше 85 % при максимальном сечении кольца и минимальных размерах канавки. Оставшиеся 15 % уходят на тепловое расширение резины, которое в несколько раз больше, чем у стали, и на набухание в рабочей среде.

Для одного круглого кольца ширину обычно берут в 1,3–1,5 раза больше сечения. Если в канавку ставят защитное кольцо, ширину увеличивают на его толщину, с одной или двух сторон в зависимости от того, с какой стороны действует давление; толщина и профиль защитных колец из фторопласта зависят от давления и зазора. Слишком широкая канавка тоже вредна в подвижном узле: кольцо перекатывается от стенки к стенке при каждом ходе и может закрутиться.

Внутренний диаметр кольца сверяют с дном канавки

На поршне, где канавка наружная, кольцо надевают с растяжением. Ориентир: 1–5 % по внутреннему диаметру. При растяжении сечение утоняется, и расчётное сжатие падает, поэтому большое растяжение «съедает» несколько процентов сжатия. В примере MSLC номинальное сечение 3,30 мм с учётом растяжения стало в среднем 3,28 мм.

В отверстии, где канавка внутренняя, кольцо стоит с небольшим натягом по наружному диаметру. В том же расчёте допустимым считается натяг 0…3 % по наружному диаметру, а зазор больше 0,5 % по наружному диаметру уже недопустим: кольцо болтается в канавке и мешает заводить вал.

Посадку кольца по диаметру удобно свести в одну таблицу по четырём видам канавок:

Допуски сдвигают сжатие на несколько процентов

Номинальный расчёт показывает только середину поля. На деле сечение кольца, глубина канавки, диаметры вала и отверстия гуляют в своих допусках, и худшие сочетания дают другой процент. Поэтому сжатие и заполнение проверяют дважды: при минимальном металле и максимальном кольце и наоборот.

В расчёте подвижной канавки в цилиндре диаметром 35 мм под кольцо сечением 3,3 ± 0,1 мм сжатие при номинальной середине составило 12,8 %, а по краям допусков 8,8 % и 16,8 % (MSLC, highexpert.ru). Разброс в восемь пунктов набрался из десятых долей миллиметра. Для групп точности колец по ГОСТ 9833-73 допуски сечения разные, у сечения 3,0 мм группы 1 они ±0,10 мм, у группы 2 шире; так читают допуски колец ГОСТ 9833.

Расчёт канавки под кольцо сечением 3 мм

Пример: неподвижное радиальное уплотнение крышки насоса, кольцо сечением 3,0 ± 0,10 мм, резина NBR 70 Shore A, масло, до 80 °C. Цель по сжатию 20 %.

1. Радиальная высота: h = 3,0 × (1 − 0,20) = 2,40 мм. Глубину канавки задаём 2,40 +0,05 мм, радиальный зазор в посадке от 0,01 до 0,04 мм.
2. Максимальное сжатие: кольцо 3,10 мм, высота 2,41 мм. (3,10 − 2,41) / 3,10 ≈ 22 %.
3. Минимальное сжатие: кольцо 2,90 мм, высота 2,45 + 0,04 = 2,49 мм. (2,90 − 2,49) / 2,90 ≈ 14 %.
4. Ширина: 1,3 × 3,0 = 3,9 мм, округляем до 4,0 +0,1 мм.
5. Заполнение в худшем случае: площадь кольца 3,10 мм равна 7,55 мм², площадь канавки 2,40 × 4,0 = 9,6 мм², заполнение около 79 %.

Если масло вызывает набухание по объёму около 5 %, площадь кольца растёт до 7,9 мм², заполнение до 83 %: на границе, но в пределах 85 %. При ожидаемом набухании 10 % и более ширину увеличивают до 4,2–4,3 мм или меняют резину. Все цифры этого примера условные, для реального узла их пересчитывают по допускам вашего чертежа.

Зазор и кромка решают судьбу кольца под давлением

Под давлением резина ищет выход в щель между деталями. Чем мягче кольцо, выше давление и шире зазор, тем быстрее на кольце появляются «откусы» с одной стороны. Допустимый зазор для конкретного давления и твёрдости берут из таблиц производителя кольца или приложения к ГОСТ 9833-73. Если зазор уменьшить нельзя, ставят кольцо твёрже, 80–90 Shore A, или защитное кольцо из PTFE.

Верхнюю кромку канавки притупляют или скругляют, у дна оставляют радиус, близкий к десятой части сечения. Острая кромка при пульсирующем давлении режет кольцо так же, как зазор. У выдавливания кольца в зазор есть свои признаки и способы защиты.

Шаги расчёта канавки по порядку

Порядок такой. Выбирают сечение кольца по диаметру и нагрузке, затем глубину по целевому сжатию для вида соединения. Ширину считают по заполнению не больше 85 % с учётом набухания. Внутренний диаметр кольца сверяют с дном канавки по растяжению или натягу. Сжатие и заполнение пересчитывают по краям допусков. Последний шаг: зазор и давление, а при необходимости защитное кольцо и расширенная канавка.

Какое сжатие кольца нужно в канавке?

Сжатие уплотнительного кольца в канавке выбирают по виду соединения: для неподвижного радиального стыка ориентир 15–25 %, для торцевого 20–30 %, для штока и поршня 10–16 %. Процент считают от сечения кольца по разнице сечения и радиальной высоты посадочного места. Проверка по краям допусков обязательна: номинальные 13 % могут превратиться в 9 % и 17 %.

Какой ширины делать канавку под кольцо?

Ширину канавки под одно круглое кольцо берут в 1,3–1,5 раза больше сечения и проверяют заполнение: площадь сечения кольца не должна превышать 85 % площади канавки при максимальном кольце. При ожидаемом набухании резины в среде или защитном кольце ширину увеличивают. Для кольца сечением 3 мм типичная ширина 3,9–4,5 мм.

Сколько можно растягивать кольцо на поршне?

Для поршневой канавки отдельно проверяют растяжение кольца: (диаметр дна канавки − внутренний диаметр кольца) / внутренний диаметр. Допустимо 1–5 %. При дне 48,0 мм и кольце с внутренним диаметром 47,0 мм выходит 2,1 %. Если получается 6–8 %, сечение утончается, фактическое сжатие в канавке меньше расчётного, и кольцо разумнее заказать под диаметр дна.

Что изготовитель кольца подтверждает по чертежу канавки

По чертежу узла изготовитель кольца проверяет геометрию: сжатие, заполнение, растяжение и натяг по краям допусков. Это расчёт, и его результат можно записать в КП. Ресурс уплотнения, отсутствие течи при рабочем давлении и стойкость резины в конкретной среде расчётом не подтверждаются. Без испытаний на вашем узле такие обещания ничем не подкреплены, а свойства резины в КП относятся к маркам общего назначения и служат ориентиром.

Отсюда правило оформления: что дал заказчик (размеры канавки с допусками, среда, температура, давление, вид движения), записывают отдельно от того, что принял изготовитель (процент набухания, твёрдость, если её не задали), и допущения выносят отдельной строкой. Когда проверка показывает, что стандартное кольцо не проходит по сечению или внутреннему диаметру, уплотнительные кольца делают под размер канавки, в том числе для узлов насосов и гидравлики.

Расчёт канавки начинают с чертежа узла или эскиза с допусками; к нему добавьте вид соединения, давление, температуру и среду. Изношенное кольцо исходником служить не может, его размер уже изменён работой, поэтому без чертежа замеряют саму канавку.