Уплотнение вращающегося вала: обзор вариантов

Три вопроса к узлу решают выбор

Уплотнений вращающегося вала шесть основных типов, но в конкретном узле выбор сужается после трёх вопросов. Первый касается давления в корпусе выше атмосферного, второй окружной скорости на поверхности вала в зоне контакта, третий того, что снаружи: чистый цех, пыль, вода или мойка под напором. Ответы отсекают большую часть вариантов, а остальное решают температура и среда внутри.

Значения даны как ориентир для типовых конструкций; конкретные пределы берут из каталога изготовителя уплотнения и фиксируют в КП. Отраслевой глоссарий dicht.de для манжет DIN 3760 приводит те же порядки, около 0,5 бар и около 12 м/с, и отдельно оговаривает, что это не гарантированные пределы.

Окружная скорость считается за минуту

Скорость на кромке зависит от диаметра вала и частоты вращения: v = π × d × n / 60 000, где d в миллиметрах, n в оборотах в минуту, результат в метрах в секунду. Одна и та же частота даёт разную нагрузку на кромку у тонкого и толстого вала.

Пример: вал 100 мм электродвигателя на 3 000 об/мин даёт 15,7 м/с, это выше ориентира для манжеты из NBR. Тот же вал на 1 000 об/мин даёт 5,2 м/с и для манжеты безопасен. Для скоростей выше 12 м/с смотрят кромку из FKM или PTFE, бесконтактный лабиринт или торцевое уплотнение.

Давление в корпусе отсекает манжету

Обычная армированная манжета держит масло, которое плещется в картере без напора на кромку. Изготовители указывают для неё около 0,05 МПа, например так записано в карточке манжеты формы A из NBR у APSOparts, вместе с пределом 14 м/с. При большем давлении кромку прижимает к валу сильнее, она греется, изнашивается полосой и выворачивается.

Давление в корпусе появляется не только у насосов. Его создаёт нагрев закрытого редуктора без сапуна, продувка подшипникового узла воздухом, столб жидкости над нижним уплотнением вертикального вала. Если давление есть, выбирают манжету специальной конструкции с опорной кромкой, набивку или торцевое уплотнение; о том, что в торцевом узле можно заменить своими силами, есть отдельный материал про торцевое уплотнение насоса.

Грязь снаружи закрывают вторым рубежом

Манжета держит масло изнутри, но снаружи её кромка открыта пыли, воде и абразиву. Пыль въедается под кромку и шлифует вал, вода вымывает смазку. Поэтому на грязном валу ставят два уплотнения: основное держит среду, а внешнее отбрасывает грязь.

Внешний рубеж выбирают по типу загрязнения. От брызг и мойки хорошо работает V-ring на валу, который вращается вместе с валом и прижимается кромкой к торцу корпуса. От сухой пыли при высоких оборотах лучше бесконтактный лабиринт. Для ступиц техники, работающей в грязи, выпускают кассетные уплотнения с несколькими кромками и втулкой, по которой они бегут, так что сам вал не изнашивается.

Дерево читается сверху вниз. Есть давление выше 0,05 МПа: при опасной среде нужно двойное торцевое уплотнение после отдельной оценки, при обычной подходит торцевое уплотнение или набивка. Давления нет: при скорости выше 12 м/с смотрят кромку FKM или PTFE либо лабиринт, при меньшей скорости ставят манжету, а при грязи снаружи добавляют V-ring или переходят на кассету.

Вал готовят под уплотнение так же тщательно, как выбирают тип

Контактное уплотнение работает в паре с поверхностью вала. Для манжеты DIN 3760 изготовитель FST требует твёрдость шейки не ниже 45 HRC, а также допуски на диаметр и круглость. Мягкая шейка за сезон получает канавку под кромкой, и новая манжета на ней течёт.

Перед заменой проверяют четыре вещи: диаметр в зоне кромки, канавку износа, биение вала и состояние фаски на входе. Биение заставляет кромку то прижиматься, то отходить от вала, и при большом биении контактное уплотнение меняют на лабиринт или набивку. Острая кромка без заходной фаски режет манжету при монтаже.

Какое уплотнение ставят на вращающийся вал без давления?

На вращающийся вал без давления в корпусе ставят армированную манжету: резиновую кромку с пружиной, прижатую к валу. Она держит масло и смазку при окружной скорости примерно до 10–14 м/с, в зависимости от резины и изготовителя. Если снаружи пыль или вода, добавляют V-ring, лабиринт или манжету с пыльником. При скорости выше нужна кромка из FKM или PTFE.

Чем уплотнить вал насоса под давлением?

Вал насоса под давлением уплотняют торцевым уплотнением или сальниковой набивкой, обычная манжета там выворачивается. Торцевое уплотнение даёт минимальную утечку, но требует чистой среды или промывки. Набивка терпит биение и грязь, допускает подтяжку на ходу и работает с небольшой капельной утечкой, которая её охлаждает.

Светофор заявки на уплотнение вала

Заявка на уплотнение вала проходит разный путь в зависимости от того, сколько известно об узле. Удобно сразу понять, к какому цвету она относится.

Зелёный: есть маркировка или размер старой манжеты, известны среда и материал, узел работает в прежних условиях. Такую заявку считают по спецификации, повтор занимает минимум времени. Сюда же относятся манжеты по каталогу размеров, например манжеты DIN 3760.

Жёлтый: размер известен, но изменились условия, например подняли обороты, перевели узел на мойку или манжета течёт раньше срока. Здесь нужна техоценка: пересчёт скорости, проверка давления в корпусе, подбор материала кромки и внешней защиты.

Красный: вал уплотняет газ, токсичную или горючую среду, давление выше нескольких десятых мегапаскаля, температура за пределами каталога. Без отдельного решения технолога никаких обещаний по такому узлу не дают, а детали для газового оборудования принимаем только после технической оценки.

Комбинация двух простых уплотнений надёжнее одного сложного

На многих узлах удачнее разделить задачи между двумя-тремя простыми уплотнениями. Манжета держит масло, V-ring снаружи держит воду, лабиринт перед ним отбрасывает крупную пыль. Каждый элемент дешёвый и меняется отдельно.

Вертикальный вал и осевой ход меняют условия

На вертикальном валу жидкость стекает вдоль вала прямо на нижнее уплотнение, и оно работает под постоянным уровнем, то есть под небольшим давлением. Над подшипником ставят отбойные кольца, чтобы вода с вала не попадала внутрь. У вала мешалки и реактора к этому добавляются биение длинной консоли и пары продукта над уровнем.

Осевое перемещение вала от нагрева или регулировки заставляет кромку манжеты ездить по валу. Она стирает широкую полосу, а торцевое уплотнение меняет усилие прижима. Здесь закладывают закалённую зону вала с запасом по длине или уплотнение, рассчитанное на осевой ход.

Данные, по которым подбирают уплотнение вала

Подбор начинается с описания узла. Нужны диаметр вала и посадочного отверстия, ширина места под уплотнение, частота вращения, давление в корпусе, среда внутри и её температура, условия снаружи, наличие биения и осевого хода. Если есть старое уплотнение, его маркировка или фото с линейкой сокращают переписку.

Нестандартные манжеты и сальники делают по образцу или эскизу, так изготавливают манжеты и сальники, а более сложные профили относятся к нестандартным уплотнениям. Если узел попал в красную зону, первым шагом будет разговор с технологом о данных, цену называют после него.