Выдавливание уплотнительного кольца в зазор: признаки и защита

Механизм у выдавливания простой. Под давлением кольцо прижимается к стенке канавки со стороны зазора, и резина, которая ведёт себя как очень вязкая жидкость, затекает в щель между поршнем и гильзой или между крышкой и корпусом. Когда давление падает, детали сходятся и защемляют затёкший язычок. Цикл за циклом от края отрывается по кусочку, сечение тает, и в какой-то момент кольцо перестаёт держать. В справочнике ERIKS этот рисунок назван «выдавливанием и выкусыванием» и описан как множество мелких укусов на кольце со стороны низкого давления.

Изжёванный край со стороны зазора выдаёт выдавливание

Перед разбором узел останавливают, сбрасывают давление в полостях и аккумуляторах и дают маслу остыть. Снятое кольцо кладут на белый лист в той ориентации, в какой оно стояло, и отмечают, где была сторона давления. Выдавленное кольцо узнаётся по трём признакам: край откусан с одной стороны и по всей окружности или на дуге, сечение меньше нового, а в фильтре и в масле находятся мелкие резиновые крошки.

От соседних отказов выдавливание отличают по месту повреждения. Спиральное разрушение оставляет косые надрезы под углом около 45° на поверхности кольца штока или поршня. Монтажный порез короткий и одиночный, он есть с первого дня. Плоские грани без откусов говорят об остаточной деформации от перегрева. Если изжёваны обе кромки, давление в узле действовало с двух сторон или кольцо болталось в слишком широкой канавке.

Почему выдавливается уплотнительное кольцо?

Уплотнительное кольцо выдавливается, когда суммарный зазор между деталями больше допустимого для его твёрдости при рабочем давлении. Справочник ERIKS называет причинами большой зазор, высокое давление, слишком мягкую резину, разрушение резины средой, эксцентриситет деталей, острые кромки и кольцо, слишком большое для канавки. Пульсации и пики давления откусывают резину даже при нормальном среднем давлении.

График Parker связывает зазор, давление и твёрдость

Самый известный ориентир по выдавливанию приведён в справочнике Parker по уплотнительным кольцам ORD 5700, рисунок 3-2 «Пределы выдавливания», раздел 3. Рисунок состоит из трёх кривых для резины 70, 80 и 90 Shore A в координатах «суммарный диаметральный зазор от 0 до 1,0 мм» и «давление жидкости от 6,9 до 690 бар» в логарифмическом масштабе. Точка ниже и левее кривой своей твёрдости лежит в зоне без выдавливания, выше и правее в зоне выдавливания.

Условия, при которых сняты кривые, Parker перечисляет под графиком, и от них зависит, можно ли переносить цифру на ваш узел:

Значения по оси берут с графика в первоисточнике. Пересказ кривых в виде таблицы с одной цифрой на твёрдость теряет условия испытания и даёт ложную точность, поэтому для своего узла точку ставят на сам рисунок. Parker отдельно отмечает, что кривую 90 Shore A можно использовать как ориентир и для защитных колец.

Суммарный зазор считают по худшему сочетанию допусков

Ошибка в зазоре чаще всего начинается с чертежа: берут номинальные диаметры и получают почти ноль. Для графика нужен суммарный диаметральный зазор, то есть разница между наибольшим диаметром отверстия и наименьшим диаметром поршня или штока, плюс расширение гильзы под давлением. Если соосность поршня и гильзы жёстко не обеспечена, поршень под боковой нагрузкой ложится на одну сторону, и вся щель собирается в одном месте.

Пример: гильза диаметром 80 мм с полем допуска +0,05…+0,10 мм и поршень с полем −0,10…−0,05 мм. Наибольший зазор по допускам 0,10 + 0,10 = 0,20 мм. Если под рабочим давлением гильза условно расширяется по диаметру ещё на 0,05 мм, а изношенные направляющие дают поршню лечь на стенку, суммарная щель с одной стороны доходит до 0,25 мм и больше. Эту цифру и ставят на график рядом с пиковым давлением, а не средним. Цифры примера условные, для своего узла берут размеры из чертежа и замеры.

Замеры гильзы, крышки и поршня делают на разобранном, сброшенном и остывшем узле. Диаметр отверстия меряют нутромером в нескольких сечениях и в двух направлениях, потому что изношенная гильза бывает овальной. Направляющие втулки и кольца осматривают отдельно: износ направляющей поднимает зазор быстрее любого допуска.

Пики давления выдавливают кольцо при нормальном среднем

Манометр на щите показывает среднее давление, а кольцо выкусывают пики. Parker прямо указывает, что циклические колебания давления вызывают местное выдавливание и выкусывание, особенно если пики расширяют стенку цилиндра. Источники пиков в гидросистеме известны: переключение распределителей, удар поршня в упор, работа предохранительного клапана, пульсации насоса, холодный пуск на вязком масле.

Если кольца выдавливаются при давлении, которое по графику безопасно, пики меряют. Датчик с быстрой записью на линии к цилиндру за одну смену показывает, во сколько раз пик выше номинала и в какие моменты он возникает. Одним из средств Parker называет повышение жёсткости цилиндра, чтобы под давлением зазор не выходил за безопасное значение. Чаще дешевле убрать причину пика или поставить защитное кольцо.

Твёрдость, нагрев и среда сдвигают границу выдавливания

Более твёрдая резина держит большее давление при том же зазоре: на графике Parker кривая 90 Shore A лежит правее и выше кривой 70. Но твёрдость имеет цену. Кольцо 90 Shore A хуже уплотняет при низком давлении и на шероховатой поверхности, его труднее монтировать, поэтому твёрдость поднимают ровно настолько, насколько требует точка на графике. Полиуретан той же твёрдости выдавливается меньше резины благодаря высокой прочности, но он ограничен по горячей воде и ряду жидкостей.

Нагрев и среда работают против твёрдости. Горячая резина мягче, а кривые сняты при температуре до 71 °C; для узла на 90–100 °C нужен запас. Среда, в которой резина набухает и мягчеет, превращает кольцо 90 Shore A в кольцо заметно мягче, и выдавливание начинается при прежнем зазоре. ERIKS поэтому ставит в один ряд с решениями проверку совместимости резины с рабочей жидкостью.

Как защитить уплотнительное кольцо от выдавливания?

Уплотнительное кольцо защищают от выдавливания четырьмя мерами: уменьшают зазор заменой изношенных направляющих и механической обработкой, ставят защитное кольцо со стороны зазора, повышают твёрдость кольца по графику давления и зазора, устраняют пики давления в гидросистеме. Справочник ERIKS добавляет проверку совместимости резины со средой, соосности деталей и притупление острых кромок канавки.

Защитное кольцо перекрывает щель вместо резины

Защитное кольцо из твёрдого материала ставят в канавку между резиновым кольцом и зазором, и оно перекрывает щель почти до нуля. По Parker такие кольца делают из твёрдой резины, кожи, PTFE, полиамида и похожих материалов. Если защитное кольцо одно, резиновое кольцо стоит между ним и источником давления; при двустороннем давлении нужны два. Канавку под защитное кольцо делают шире, и без этого переполненная канавка снова выталкивает резину в зазор. Размеры защитных колец задаёт ГОСТ 23825-79.

Защитное кольцо лечит симптом, если зазор вырос от износа. Направляющая с люфтом даёт штоку лечь на стенку, щель с одной стороны становится в разы шире расчётной, и тогда выкусывается уже само защитное кольцо, особенно разрезное у места разреза. Поэтому порядок такой: сначала восстановить зазор, потом решать, нужно ли защитное кольцо при этом давлении. Ширину и глубину канавки под уплотнительное кольцо для пары колец пересчитывают заново.

Разбор отказа начинают со сбора фактов

Когда кольца одного поставщика выдавливаются раз за разом, спор быстро уходит в сторону: «резина плохая» против «узел убитый». Решает его набор фактов, собранный до заказа следующей партии:

• фото снятых колец в ориентации установки с отметкой стороны давления и линейкой;
• число отказавших колец, номер партии и наработка до отказа в циклах или часах;
• рабочее и пиковое давление, температура масла, марка жидкости;
• замеры отверстия, поршня или штока, износ направляющих;
• твёрдость нового кольца из той же партии и размеры канавки.

Дерево на схеме читается так. Если край откусан со стороны зазора и измеренный зазор при пиковом давлении выходит за кривую своей твёрдости, причина в узле, и лечат её зазором или защитным кольцом. Если зазор в норме, проверяют пики и нагрев. Если и они в норме, сверяют твёрдость нового кольца той же партии с заказом: заниженная твёрдость даёт основание для претензии к поставщику. Набухшее мягкое кольцо указывает на среду. Эти же факты ложатся в основу рекламации на РТИ.

Новое кольцо заказывают с точкой на графике

Когда разбор закончен, у кольца появляется понятное задание: размер, марка резины, твёрдость, нужно ли защитное кольцо и с какой стороны. Изготовителю для расчёта нужны размеры канавки или чертёж узла, измеренный зазор, рабочее и пиковое давление, температура и жидкость. Нестандартные уплотнительные кольца делают формованием или из шнура, защитные кольца точат из фторопласта как детали из PTFE, и комплект из резинового и защитного колец удобнее заказывать вместе, чтобы при повторе монтажник сразу получил пару колец.