Кольцевое уплотнение: сечения и как выбрать тип кольца

Слово «кольцо» в заявке закрывает сразу несколько изделий. Механик пишет «кольцо уплотнительное 60 мм», а в узле может стоять круглое кольцо в радиальной канавке, плоская шайба под пробкой, квадратный профиль в торцевом пазу или четырёхлепестковое кольцо на штоке. Размеры у них задаются по-разному, и ошибка в сечении проявляется только после первого пуска.

Пять профилей кольцевых уплотнений и их работа

Кольцевое уплотнение закрывает зазор по замкнутому контуру за счёт того, что эластичное сечение сжато между двумя поверхностями. Профиль сечения определяет, как кольцо реагирует на давление, трение и перекос. Ниже сводка по пяти распространённым профилям.

Круглое кольцо самое универсальное: его выпускают тысячами типоразмеров, а канавки под него описаны в стандартах. Остальные профили решают частные задачи, и каждая из них разобрана отдельно: прямоугольному сечению посвящён материал о том, где прямоугольное кольцо лучше круглого, плоскому кольцу под штуцеры и пробки отведён разбор размеров плоских колец под резьбу.

Неподвижный стык решается канавкой или затяжкой

В статике выбор сечения сводится к вопросу, есть ли в детали канавка. Если канавка есть, ставят кольцо того профиля, под который она рассчитана: круглое в радиальную или торцевую канавку, квадратное или прямоугольное в прямоугольный паз с плоским дном. Если канавки нет и детали стягиваются болтами или резьбой, работает плоское кольцо, а сжатие задаёт момент затяжки.

Круглое кольцо в канавке держит стык при малой силе затяжки, потому что металл деталей садится «металл к металлу», а резина сжата на заданную глубину. Плоское кольцо, наоборот, несёт усилие затяжки на себе: при недотяге оно пропускает, при перетяге выдавливается наружу. Поэтому заменять плоское кольцо круглым без канавки нельзя, а круглое плоским допустимо только после проверки, что зазор между деталями закроется.

Какое кольцо выбрать для неподвижного соединения

Для неподвижного соединения с канавкой выбирают круглое кольцо по размеру канавки: оно держит стык при малой силе затяжки и легко подбирается по стандартным рядам. Для стыка без канавки под болты или резьбовую пробку ставят плоское кольцо из резины, паронита, меди или фторопласта. Квадратное и прямоугольное сечения берут, когда паз имеет плоское дно и ширину больше высоты кольца.

Ход штока и поршня меняет требования к сечению

При возвратно-поступательном движении кольцо трётся о шток или гильзу, и на длинном ходе трение по окружности распределяется неравномерно. Круглое кольцо начинает прокатываться и скручиваться, на нём появляются спиральные надрезы под углом около 45°: так выглядит скручивание уплотнительного кольца. Короткий ход, малое давление и хорошая смазка круглое кольцо переносит.

Для длинного хода круглое кольцо меняют на профиль, который не катится. Четырёхлепестковое кольцо упирается лепестками в стенки канавки и сохраняет положение; такие X-образные кольца ставят вместо обычного под свою канавку. Квадратное кольцо тоже не катится, но трётся всей гранью и сильнее греется, поэтому на штоке его ставят реже.

Чем X-образное кольцо отличается от круглого

X-образное кольцо отличается от круглого четырёхлепестковым сечением: оно касается штока двумя узкими кромками, поэтому трение ниже, а скручивание на длинном ходе почти исключено. Размерные ряды у них обычно общие, и X-образное кольцо встаёт в канавку от круглого. В неподвижном стыке выигрыша от X-образного профиля нет, поэтому его выбирают для штоков, поршней и узлов с качанием.

Вращение кольцо переносит только медленное

Круглое кольцо на вращающемся валу работает в узких рамках: медленное вращение или качание, малое давление, смазка. При быстром вращении резина в контакте нагревается, а нагретое и растянутое кольцо сжимается по окружности ещё сильнее и греется дальше. Такие узлы закрывают армированной манжетой, сальником или торцевым уплотнением, а кольцо оставляют для поворотных соединений и шарниров.

Если в узле вращения стоит кольцо, и оно регулярно трескается по внутренней поверхности, причина почти всегда в скорости или в отсутствии смазки. Замена резины на более термостойкую отодвигает отказ, но не устраняет его. Правильнее пересмотреть тип уплотнения.

Давление сдвигает выбор к твёрдой резине и защитному кольцу

Срезанная кромка на кольце со стороны низкого давления означает, что резину вдавило в зазор. Отказ наступает тем раньше, чем мягче резина и больше зазор, а пульсация давления приближает его ещё сильнее; от выдавливания кольца в зазор защищаются несколькими методами. Сечение при этом почти не помогает, решают твёрдость, зазор и защитное кольцо.

Ориентир для марок общего назначения: в статике при малом зазоре кольцо 70 Shore A работает до 10–15 МПа, в подвижных соединениях граница ниже, около 5–10 МПа. Выше этих значений ставят кольцо 85–90 Shore A, защитное кольцо из фторопласта или полиамида со стороны, противоположной давлению, или переходят на комбинированное уплотнение. Цифры смещаются при пульсации давления и нагреве, поэтому для конкретного узла их проверяют по зазору.

Схема читается так. Детали неподвижны и есть канавка: круглое кольцо, а при плоском пазе квадратное или прямоугольное. Детали неподвижны, канавки нет: плоское кольцо под затяжку. Детали двигаются, давление умеренное: круглое кольцо на коротком ходе или X-образное на длинном. Детали двигаются, давление высокое: манжета, комбинированное уплотнение или кольцо с защитным кольцом.

Сжатие в канавке для статики и движения различается

Глубину канавки под кольцо назначают по режиму работы, и для неподвижной крышки она меньше, чем для поршня. Чем больше кольцо сжато, тем дольше оно держит стык после усадки резины и на холоде, но тем выше трение. По рекомендации изготовителя колец, для малых сечений в статике сжатие берут порядка 22–32 % (руководство по статическим канавкам на parker.com). Для возвратно-поступательного движения тот же источник снижает сжатие примерно на 7 процентных пунктов, чтобы уменьшить трение и нагрев.

Пример: кольцо сечением 5,3 мм в торцевой канавке крышки глубиной 4,0 мм сжато примерно на 24,5 %, для неподвижной крышки это рабочее значение. То же кольцо на поршне с канавкой 4,5 мм сжато на 15 %, это уже режим для хода. Обратная подмена опасна: кольцо со статическим сжатием в подвижном узле сильнее трётся, греется и скручивается даже при коротком ходе. Порядок расчёта глубины и ширины посадочного места дан в материале о канавке под кольцо.

Профиль выбирают и по способу изготовления

Круглое кольцо стандартного размера делают формованием, и для частого типоразмера пресс-форма давно существует. Нестандартный диаметр или сечение потребует новой формы, и тогда профиль может оказаться вопросом экономики. Квадратное, прямоугольное и плоское кольца делают без пресс-формы, и у каждого способа изготовления резиновых колец свои границы по диаметру и тиражу.

Отсюда практический вывод для ремонта: если узел допускает и круглое, и квадратное кольцо, а размер редкий, квадратное получится быстрее и дешевле на малой партии. Если кольцо стоит в подвижном соединении, экономия на форме не оправдана, и делают формовое кольцо нужного профиля. Изготовление нестандартных уплотнений по образцу начинается с того, что профиль снятого кольца сверяют с канавкой: изношенное кольцо бывает сплющено до прямоугольника, хотя изначально было круглым.

Данные, по которым тип кольца определяют без выезда

Сечение и материал подбираются заочно, если в заявке есть не только размеры кольца, но и описание узла. Кольцо без узла даёт половину картины: по нему видно, какого размера оно было, но не видно, почему оно разрушилось. Для уплотнительных колец по размеру в заявке достаточно следующего набора.

Всё, что в заявке не названо, изготовитель вынужден предположить. В КП такие предположения выделяют отдельно: например, «давление не указано, принято до 10 МПа, твёрдость 70 Shore A». Это сразу показывает механику, где проверить узел до запуска партии. Для немецкой техники полезно приложить строку из паспорта: запись с классом N или S читают по правилам колец DIN 3771.

Когда кольцевое уплотнение меняют на другой узел

Кольцо не единственный способ закрыть кольцевой зазор. Если на штоке гидроцилиндра длинный ход и давление выше 15–20 МПа (ориентир для марок общего назначения), кольцо даже с защитным кольцом служит недолго, и узел переводят на манжету, у которой давление само прижимает кромку; на этом самоуплотнении построено манжетное уплотнение. При быстром вращении кольцо заменяют армированной манжетой или торцевым уплотнением, при грязной среде добавляют грязесъёмник.

Если кольцо в одном и том же узле разрушается раньше планового ремонта, а размер и материал подобраны правильно, менять марку резины на дорогую бессмысленно до тех пор, пока не измерены зазор, шероховатость и фактическое давление. Перед заказом новой партии стоит прислать снятое кольцо вместе с описанием узла: характер разрушения часто подсказывает, что при той же резине менять нужно профиль или канавку.