Конструкция уплотнительных колец, часть 2: Радиальные уплотнения для внешнего давления

Рисунок 1. Показано уплотнительное кольцо в радиальной канавке с закрепленной торцевой крышкой. Обратите внимание на использование опорного кольца и фасок. (Изображение предоставлено компанией Parker Hannifin, адаптировано автором для данной статьи)

Первоочередная задача инженеров-океановщиков — не допустить попадания воды внутрь корпуса. Пробоина в корпусе может испортить хороший день в море.

Наше обсуждение конструкции уплотнительных колец началось с обзора торцевых уплотнений в журнале Marine Technology Reporter, январь/февраль 2026 г., стр. 20-23 .

В той статье содержится важная справочная информация и основы, которые в равной степени относятся и к данной статье, но здесь они не повторяются в полном объеме. Вкратце, эти основы:

• Лучшим справочником по проектированию уплотнительных колец является справочник Parker O-ring Handbook (ORD-5700). PDF-версию можно бесплатно скачать (см. раздел «Ссылки» ниже). Это обязательное чтение для инженеров-гидротехников, содержащее гораздо больше подробностей, чем можно уместить в любой статье.
• Уплотнительное кольцо создает барьер для потока жидкости. Уплотнительный узел состоит из уплотнительного кольца, зажатого в канавке.
• Смазочные материалы для сборки следует использовать экономно. Они используются для уменьшения трения и позволяют уплотнительному кольцу реагировать на давление и перемещаться внутри канавки.
• Основной причиной выхода из строя уплотнительных колец является их выдавливание через зазор.
• Радиальное уплотнение требует зазора для облегчения сборки, чего нет в конструкции торцевого уплотнения.

Радиальное уплотнение выбирается в следующих случаях: 1) при ограниченной площади фланца для торцевого уплотнения и крепежных болтов торцевой крышки, или 2) в качестве дополнительного уплотнения к основному торцевому уплотнению.   Иногда используются два радиальных уплотнения. Первое уплотнение, подвергающееся воздействию давления, является первичным. Второе уплотнение, подвергающееся воздействию давления в случае отказа первичного, является вторичным.

Растяжение уплотнительного кольца : Если идеальная конструкция канавки находится между двумя размерами уплотнительных колец, вы можете растянуть меньшее уплотнительное кольцо, чтобы оно соответствовало большему размеру канавки. Вы можете увеличить размер меньшего уплотнительного кольца, но не можете уменьшить размер большего уплотнительного кольца. При растяжении уплотнительного кольца при установке в канавку его поперечное сечение сплющивается. При растяжении более чем на 2-3% глубину канавки необходимо уменьшить, чтобы сохранить необходимое сжатие. Компания Parker рекомендует не растягивать уплотнительное кольцо более чем на 5%, так как это сокращает срок его службы. (См.: Parker ORD 5700, Раздел 3.5, «Растяжение»).

Временное расширение внутреннего диаметра для достижения канавки во время сборки обычно не превышает 25-50%.

Твердость по дюрометру : уплотнительное кольцо с более высокой твердостью по дюрометру лучше противостоит выдавливанию. Уплотнительные кольца с более низкой твердостью по дюрометру более устойчивы к дефектам поверхности. Использование уплотнительного кольца с твердостью 70 по дюрометру и опорного кольца с твердостью 90 по дюрометру обеспечивает наилучшие результаты.

Наружная канавка против внутренней канавки : Канавка для уплотнительного кольца на наружном диаметре заглушки считается «мужской» канавкой. Их гораздо проще обрабатывать, анодировать, чистить, собирать и проверять. Канавка на внутренней стороне ответной торцевой крышки считается «женской» канавкой. Такие канавки встречаются гораздо реже.

Подход к проектированию

Рисунок 2. Показана последовательность действий при проектировании радиального уплотнения: 1) определить зазор, 2) определить внутренний диаметр трубки, 3) используя эти два значения, рассчитать внешний диаметр пробки. (Изображения предоставлены компанией Parker Seal Company, адаптированы автором для данной статьи.)

Обращаясь к рисунку 2: Последовательность проектирования радиального уплотнения следующая:

• Используя таблицы проектирования радиальных уплотнительных колец Parker (ORD 5700, Раздел 4.2, Таблица проектирования 4-1) и диаграмму пределов экструзии (см. Рисунок 4), определите максимально допустимый зазор. В диаграммах указаны либо «диаметральные», либо «радиальные» значения, поэтому учитывайте это при применении чисел к «диаметральному отверстию» или «зазору» (радиальный = ½ диаметрального).
• Определите минимальное количество материала, которое можно удалить с внутреннего диаметра трубы для получения круглого отверстия. Слишком большое количество ослабляет корпус, выдерживающий высокое давление.
• Вычтите размер (2 x зазор) из диаметра отверстия. Это будет наружный диаметр заглушки. Если используется алюминий, который будет анодирован, скорректируйте размеры с учетом роста поверхностных примесей (см. раздел «Анодирование» ниже).

Выбор зазора : При проектировании соединительной заглушки и отверстия используйте спецификацию Parker для указания внешнего диаметра заглушки и внутреннего диаметра отверстия. (См. Parker ORD 5700, Таблица проектирования 4-1).

Есть некоторые компромиссы:

Чем больше поперечное сечение уплотнительного кольца, тем больше допустимый зазор.

Чем меньше поперечное сечение уплотнительного кольца, тем меньше требуется сжимающая сила, что упрощает сборку.

Для получения небольшого зазора требуется более точная обработка.

Для стандартного уплотнительного кольца с поперечным сечением 0,070 дюйма допускается диаметральный зазор 0,002–0,005 дюйма. Это означает максимальный радиальный зазор с одной стороны 0,0025 дюйма.

Опорное кольцо: Я рекомендую всегда использовать опорное кольцо с радиальным уплотнительным кольцом. Они недорогие, занимают мало места и предназначены для предотвращения выдавливания уплотнительного кольца. (См. примечание 4 выше.)

Установите опорное кольцо на сторону уплотнительного кольца, где давление ниже. Именно уплотнительное кольцо первым подвергается воздействию давления. Опорное кольцо действует как защитная перчатка, предохраняя уплотнительное кольцо.

Рисунок 3. Основной причиной выхода из строя уплотнительного кольца является его выдавливание в зазор (слева). В качестве устройства, предотвращающего выдавливание, используется дополнительное кольцо (справа), изготовленное из материала с более высокой твердостью. (Изображения предоставлены компанией Parker Hannifin и адаптированы автором для данной статьи.)

Я предпочитаю использовать стопорные кольца Parker Parbak из бутадиен-нитрильного каучука твердостью 90 по шкале Дюрометра на случай, если мне потребуется растянуть уплотнительное кольцо, чтобы оно подошло к немного большему пазу. Мне также нравится, что они представляют собой единую цельную деталь. Стопорные кольца из тефлона, изготовленные методом скошенной резки, не имеют возможности растягиваться и оставляют нежелательный зазор между концами, если расстояние между центрами слишком велико.

При приложении давления с одной стороны, что обычно имеет место в случае погруженных в воду приборов, достаточно одного опорного кольца. Если давление попеременно прикладывается с обеих сторон уплотнительного кольца, например, в системе с компенсацией давления, целесообразно использовать два опорных кольца, по одному с каждой стороны уплотнительного кольца. (См.: Parker ORD-5700, Раздел 6)

Номера деталей Parbak начинаются с цифры «8-», за которой следует трехзначное число с дефисом, обозначающее уплотнительное кольцо. Например, для уплотнительного кольца 2-018 будет использоваться опорное кольцо Parbak 8-018. Вполне логично.

Используйте кривые предельных значений для экструзии уплотнительных колец Parker (ORD-5700, Раздел 3.1.4, Рисунок 3.2.), чтобы подтвердить целесообразность использования опорных колец. (См. Рисунок 4.) В уплотнениях низкого давления кривые будут указывать на более широкие допустимые зазоры, чем в базовых таблицах радиальных уплотнений. В условиях высокого давления кривые будут указывать, позволит ли добавление уплотнительного кольца Parbak использовать стандартные размеры канавок из каталога или лучшие. Размеры в таблице относятся к «радиальным зазорам», поэтому удвойте это значение для «диаметральных зазоров».

Рисунок 4. «Хотя кривая твердости по 90-балльной шкале основана на данных, полученных от уплотнительных колец, она также может служить полезным ориентиром для оценки характеристик резервных колец». (ORD-5700, Раздел 3.1.4, Рисунок 3.2.) (Изображение и текст предоставлены компанией Parker Hannifin.)

Всегда предпочтительнее создать прототип для испытаний под давлением, чтобы подтвердить все аспекты конструкции. Один из моих наставников в области инженерии, доктор Фрэнк Снодграсс, передал мне мудрую мысль, например: «Природа всегда на стороне скрытого недостатка».

Качество обработки поверхности : В качестве общего правила, значения шероховатости поверхности уплотнительных элементов не должны превышать 32 среднеквадратичного значения (см. рис. 5). Также рекомендуется обрабатывать поверхности токарным станком или инструментом для точечной обработки, который создает круговой рисунок, повторяющий направление канавки. Эта характеристика часто обозначается на техническом чертеже в виде круга C. Деталь, изготовленная концевой фрезой или фрезером, может образовывать микроканавки, пересекающие уплотнительное кольцо, что может быть проблематично, поскольку они подрезают уплотнительное кольцо по всей ширине. Такую обработку необходимо тщательно контролировать.

Рисунок 5. Описаны рекомендуемые варианты обработки поверхности канавки для уплотнительного кольца. Основные уплотнительные поверхности, требующие более гладкой обработки, — это верхняя и нижняя части, как показано здесь. Передняя и задняя части канавки могут быть более шероховатыми. Угол уклона канавки 0–5° часто определяется механиком. В моей мастерской обычно используется 0°. (Изображение предоставлено компанией Parker Hannifin, адаптировано автором для этой статьи.)

Анодирование: Анодирование алюминия — это керамическое покрытие, получаемое путем окисления поверхностного материала. При этом толщина поверхностного слоя увеличивается вдвое по сравнению с заданной. Обычно я указываю толщину 0,002 дюйма, где 0,001 дюйма — это толщина, уходящая в основной материал, а 0,001 дюйма — это толщина, идущая наружу. Это изменяет размеры готовой детали. Учет этого изменения очень важен, когда диаметральные зазоры для радиальных уплотнений очень малы. Наружный диаметр увеличивается на 0,002 дюйма, внутренний диаметр уменьшается на 0,002 дюйма, глубина канавок остается неизменной, поскольку нижняя и верхняя части расширяются в одном направлении, канавки сужаются, в то время как некоторые размеры, такие как наружный диаметр и длина трубки, увеличиваются, но это не имеет значения. Перед передачей детали токарю необходимо скорректировать соответствующие размеры на чертеже.

Фаски на входе : Фаска на входе в отверстие под углом 10-20 градусов для сжатия уплотнительного кольца упростит сборку. Внешний диаметр фаски немного больше внешнего диаметра уплотнительного кольца. Сгладьте углы фаски, чтобы удалить острые края, которые могут непреднамеренно повредить уплотнительное кольцо. Я также делаю фаску на переднем крае поршня, чтобы помочь выровнять и центрировать пробку в отверстии во время сборки. Сгладьте также острые углы, чтобы удалить любые острые края, которые могут повредить уплотнительные поверхности отверстия. Это также обеспечит лучшее анодированное покрытие.

Осторожность при сборке : к открытым уплотнительным кольцам следует относиться с той же осторожностью, что и к открытой ране. Чистота и бережное обращение с уплотнениями и уплотнительными поверхностями имеют первостепенное значение.

Дополнительные примечания:

• Специалисты отдела прикладного проектирования компании Parker готовы рассмотреть ваш проект, включая температурные режимы, давление, конструкцию канавки (сальника), момент затяжки болтов, качество поверхности и т.д. При необходимости они предложат альтернативные варианты конструкции. Подразделение уплотнительных колец и инженерных уплотнений компании Parker находится в Лексингтоне, штат Кентукки, США. Телефон: 1-(859) 269-2351, факс: 1-(859) 335-5128, www.parkerorings.com .
• Использование бесплатного программного обеспечения DeepSea Power & Light "Under Pressure" поможет инженеру определить оптимальные размеры корпуса и торцевой крышки для работы под давлением. Это очень полезно для моделирования различных сценариев. Программу можно бесплатно скачать по адресу https://www.deepsea.com/under-pressure-design-software .

Благодарности

Автор выражает благодарность механику компании Scripps Мерту Ингрэму, который первым поделился со мной рекомендациями по проектированию уплотнительных колец, разработанными в более молодой компании Scripps в 1960-х годах. Эти рекомендации до сих пор хранятся в моем экземпляре ORD-5700. Когда требовались жесткие допуски, мы говорили: «Посадка как у Мерта».

Цитаты

Parker Hannifin Corp., ORD-5700, юбилейное издание к 50 ^-летию компании, 2021 год.   https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf

Флитни, Роберт, «Справочник по тюленям и герметизации», шестое издание, Elsevier, 2014.

«Lander Lab» — это практическая рубрика, посвященная технологиям и стратегиям создания беспилотных подводных аппаратов Ocean Lander, уникального класса таких аппаратов, и людям, которые их разрабатывают. Она призвана служить мировому сообществу пользователей Ocean Lander, подобно журналу Make Magazine и другим сообществам, занимающимся проектами «сделай сам».

Комментарии к этой статье или предложения по другим интересным темам приветствуются. Группы, занимающиеся разработкой океанических посадочных аппаратов, приглашаются к сотрудничеству и публикации о своей работе. Пожалуйста, свяжитесь с Кевином Харди по адресу [email protected] .

Спасибо за прочтение.