Уплотнительное кольцо , также известное как набивка или торическое соединение , представляет собой механическую прокладку в форме тора ; это петля из эластомера с круглым поперечным сечением , предназначенная для установки в канавку и сжатия во время сборки между двумя или более деталями, образуя уплотнение на стыке.
Уплотнительное кольцо может использоваться в статических приложениях или в динамических приложениях, где между деталями и уплотнительным кольцом существует относительное движение. Динамические примеры включают вращающиеся валы насосов и поршни гидравлических цилиндров . Статические приложения уплотнительных колец могут включать приложения для герметизации жидкости или газа, в которых: (1) уплотнительное кольцо сжимается, что приводит к нулевому зазору, (2) материал уплотнительного кольца вулканизирован, так что он непроницаем для жидкости или газа, и (3) материал уплотнительного кольца устойчив к разрушению жидкостью или газом. [1] Широкий спектр потенциальных жидкостей и газов, которые необходимо герметизировать, потребовал разработки широкого спектра материалов уплотнительных колец. [2]
Уплотнительные кольца являются одними из наиболее распространенных уплотнений, используемых в машиностроении, поскольку они недороги, просты в изготовлении, надежны и имеют простые требования к монтажу. Они были испытаны на герметичность до 5000 фунтов на квадратный дюйм (34 МПа ) давления. [3] Максимальное рекомендуемое давление уплотнительного кольца зависит от твердости уплотнения, материала, диаметра поперечного сечения и радиального зазора. [4]
Уплотнительные кольца могут быть изготовлены методом экструзии , литья под давлением , литья под давлением или литьевого прессования . [5]
Первый патент на уплотнительное кольцо датирован 12 мая 1896 года как шведский патент. Патент получил Дж. О. Лундберг, изобретатель уплотнительного кольца. [6] Патент США [7] [8] на уплотнительное кольцо был подан в 1937 году 72-летним датчанином -машинистом Нильсом Кристенсеном . [9] В своей ранее поданной заявке в 1933 году, которая привела к патенту 2115383, [10] он начинает со слов: «Это изобретение относится к новым и полезным усовершенствованиям в гидравлических тормозах и, в частности, к улучшенному уплотнению для поршней силовых цилиндров». Он описывает «кольцо круглого сечения ... изготовленное из твердой резины или резиновой смеси» и поясняет: «это скольжение или частичное вращение кольца ... разминает или обрабатывает материал кольца, чтобы сохранить его живым и гибким без пагубных эффектов истирания, которые вызваны чисто статическим скольжением резины по поверхности. Благодаря этому легкому повороту или разминанию срок службы кольца продлевается». В его заявке, поданной в 1937 году, говорится, что она «является продолжением-частично моей одновременно рассматриваемой заявки с серийным номером 704,463 на гидравлические тормоза, поданной 29 декабря 1933 года, ныне патент США № 2,115,383, выданный 26 апреля 1938 года».
Вскоре после переезда в Соединенные Штаты в 1891 году он запатентовал систему пневматического тормоза для трамваев . Несмотря на его юридические усилия, патенты передавались от компании к компании, пока не оказались в Westinghouse . [9] Во время Второй мировой войны правительство США конфисковало патент на уплотнительное кольцо как критически важный военный предмет и передало право на производство другим организациям. Кристенсен получил единовременную выплату в размере 75 000 долларов США за свои усилия. Судебное разбирательство привело к выплате 100 000 долларов его наследникам в 1971 году, через 19 лет после его смерти. [9]
Уплотнительные кольца доступны в различных метрических и дюймовых стандартных размерах. Размеры определяются внутренним диаметром и диаметром поперечного сечения (толщиной). В США наиболее распространенные стандартные дюймовые размеры соответствуют спецификации SAE AS568C (например, AS568-214). ISO 3601-1:2012 содержит наиболее распространенные стандартные размеры, как дюймовые, так и метрические, во всем мире. В Великобритании также есть стандартные размеры, известные как размеры BS, обычно в диапазоне от BS001 до BS932. Существует также несколько других спецификаций размеров.
Успешная конструкция кольцевого соединения требует жесткого механического крепления, которое применяет предсказуемую деформацию к кольцу. Это вносит расчетное механическое напряжение на контактирующие поверхности кольца. Пока давление содержащейся жидкости не превышает контактное напряжение кольца, утечка невозможна. Давление содержащейся жидкости передается через по существу несжимаемый материал кольца, и контактное напряжение растет с ростом давления. По этой причине кольцо может легко герметизировать высокое давление, пока оно не выйдет из строя механически. Наиболее распространенным отказом является выдавливание через сопрягаемые детали.
Уплотнение спроектировано так, чтобы иметь точечный контакт между уплотнительным кольцом и уплотнительными поверхностями. Это обеспечивает высокое локальное напряжение, способное выдерживать высокое давление, не превышая предела текучести корпуса уплотнительного кольца. Гибкая природа материалов уплотнительного кольца компенсирует несовершенства в монтажных деталях. Но все равно важно поддерживать хорошую отделку поверхности этих сопряженных деталей, особенно при низких температурах, когда резина уплотнения достигает своей температуры стеклования и становится все более негибкой и стекловидной. Отделка поверхности также особенно важна в динамических приложениях. Слишком грубая отделка поверхности будет истирать поверхность уплотнительного кольца, а слишком гладкая поверхность не позволит уплотнению должным образом смазываться жидкой пленкой.
В вакуумных приложениях проницаемость материала делает точечные контакты непригодными для использования. Вместо этого используются более высокие монтажные усилия, и кольцо заполняет всю канавку. Кроме того, для защиты кольца от чрезмерной деформации используются круглые опорные кольца . [12] [13] [14] Поскольку кольцо подвергается воздействию давления окружающей среды и парциального давления газов только на уплотнении, их градиенты будут крутыми вблизи уплотнения и мелкими в объеме (в противоположность градиенту контактного напряжения [15] ( см . Вакуумный фланец № KF.2FQF ) . Высоковакуумные системы ниже 10−9 Торр используют медные или никелевые уплотнительные кольца. Кроме того, вакуумные системы, которые должны быть погружены в жидкий азот, используют индиевые уплотнительные кольца, потому что резина становится твердой и хрупкой при низких температурах.
В некоторых высокотемпературных применениях уплотнительные кольца могут потребоваться установить в тангенциально сжатом состоянии, чтобы компенсировать эффект Гоу-Джоуля .
Уплотнительные кольца бывают разных размеров. Стандарт аэрокосмической техники 568 (AS568) [16] Общества инженеров-автомобилестроителей (SAE) определяет внутренние диаметры, поперечные сечения, допуски и коды идентификации размеров (цифры тире) для уплотнительных колец, используемых в уплотнительных устройствах, и для прокладок фитинга с прямой резьбой. Британский стандарт (BS), который представляет собой имперские или метрические размеры. Типичные размеры уплотнительного кольца — внутренний размер (id), внешний размер (od) и толщина/поперечное сечение (cs)
Метрические уплотнительные кольца обычно определяются внутренним размером x поперечное сечение. Типичный номер детали для метрического уплотнительного кольца - ID x CS [материал и твердость по Шору ] 2x1N70 = определяет это уплотнительное кольцо как 2 мм id с 1 мм поперечным сечением, изготовленное из нитрильного каучука, который имеет твердость 70Sh. Уплотнительные кольца BS определяются стандартной ссылкой.
Самое большое в мире уплотнительное кольцо было произведено в успешной попытке установить мировой рекорд Гиннесса компанией Trelleborg Sealing Solutions Tewkesbury в партнерстве с группой из 20 студентов из школы Тьюксбери. Кольцо, законченное и размещенное вокруг средневекового аббатства Тьюксбери, имело окружность 364 м (1194 фута), внутренний диаметр приблизительно 116 м (381 фут) и поперечное сечение 7,2 мм (0,28 дюйма). [17]
Выбор уплотнительного кольца основывается на химической совместимости, температуре применения, давлении уплотнения, требованиях к смазке , твердомере , размере и стоимости. [18]
Синтетические каучуки - Термореактивные пластики :
Химическая совместимость:
[20]
Хотя изначально уплотнительное кольцо было так названо из-за своего круглого поперечного сечения, сейчас существуют вариации конструкции поперечного сечения. Форма может иметь различные профили, например, x-образный профиль, обычно называемый X-кольцом, Q-кольцом или под торговым названием Quad Ring. При сжатии при установке они герметизируются 4 контактными поверхностями — 2 небольшими контактными поверхностями сверху и снизу. [21] Это контрастирует со сравнительно большими одиночными контактными поверхностями стандартного уплотнительного кольца сверху и снизу. X-кольца чаще всего используются в возвратно-поступательных приложениях, где они обеспечивают сниженное трение скольжения и прорыва и сниженный риск закручивания в спираль по сравнению с уплотнительными кольцами.
Существуют также кольца с квадратным профилем, обычно называемые квадратными вырезами, вырезами на токарном станке, табличными вырезами или квадратными кольцами. Когда уплотнительные кольца продавались по завышенной цене из-за новизны, отсутствия эффективных производственных процессов и высокой трудоемкости, квадратные кольца были введены в качестве экономичной замены уплотнительных колец. Квадратное кольцо обычно изготавливается путем формования эластомерной втулки, которая затем вырезается на токарном станке. Этот тип уплотнения иногда менее затратен в производстве с определенными материалами и технологиями формования ( компрессионное формование , трансферное формование , литье под давлением ), особенно в небольших объемах. Физические уплотнительные характеристики квадратных колец в статических приложениях превосходят таковые у уплотнительных колец, однако в динамических приложениях они уступают таковым у уплотнительных колец. Квадратные кольца обычно используются только в динамических приложениях в качестве активаторов в узлах колпачковых уплотнений. Квадратные кольца также могут быть сложнее в установке, чем уплотнительные кольца.
Подобные устройства с некруглым поперечным сечением называются уплотнениями , набивками или прокладками. См. также шайбы . [22]
Головки цилиндров автомобилей обычно герметизируются плоскими прокладками с медным покрытием.
Для создания высокого вакуума используются режущие кромки, запрессованные в медные прокладки.
В качестве уплотнений используются эластомеры или мягкие металлы, затвердевающие на месте.
Материалы уплотнительных колец могут подвергаться воздействию высоких или низких температур, химическому воздействию, вибрации, истиранию и движению. Эластомеры выбираются в зависимости от ситуации.
Существуют материалы для уплотнительных колец, которые могут выдерживать температуры до -330 °F (-200 °C) или до 480 °F (250 °C). При низких температурах почти все конструкционные материалы становятся жесткими и не обеспечивают герметичность; при высоких температурах материалы часто горят или разлагаются. Химическое воздействие может привести к деградации материала, появлению хрупких трещин или вызвать его разбухание. Например, уплотнения NBR могут треснуть при воздействии озонового газа в очень низких концентрациях, если они не защищены. Разбухание при контакте с жидкостью с низкой вязкостью приводит к увеличению размеров, а также снижает прочность резины на разрыв. Другие неисправности могут быть вызваны использованием кольца неправильного размера для определенного углубления, что может вызвать экструзию резины.
Эластомеры чувствительны к ионизирующему излучению. В типичных применениях уплотнительные кольца хорошо защищены от менее проникающего излучения, такого как ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение, но более проникающее излучение, такое как нейтроны, может вызвать быстрое разрушение. В таких средах используются мягкие металлические уплотнения.
Существует несколько распространенных причин выхода из строя уплотнительного кольца:
Было установлено, что причиной катастрофы космического челнока Challenger 28 января 1986 года стал отказ уплотнительного кольца. Решающим фактором стала холодная погода перед запуском. Это было ярко продемонстрировано по телевидению профессором физики Калтеха Ричардом Фейнманом , когда он поместил небольшое уплотнительное кольцо в ледяную воду и впоследствии продемонстрировал потерю его гибкости перед следственной комиссией.
Материалом неисправного уплотнительного кольца был FKM , который был указан подрядчиком двигателя шаттла, Morton-Thiokol . Когда уплотнительное кольцо охлаждается ниже его температуры стеклования T g , оно теряет свою эластичность и становится хрупким. Что еще более важно, когда уплотнительное кольцо охлаждается около (но не выше) его T g , холодное уплотнительное кольцо, будучи сжатым, займет больше времени, чем обычно, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Уплотнительные кольца (и все другие уплотнения) работают, создавая положительное давление на поверхность, тем самым предотвращая утечки. В ночь перед запуском были зафиксированы чрезвычайно низкие температуры воздуха. В связи с этим технические специалисты NASA провели проверку; температура окружающей среды была в пределах параметров запуска, и последовательность запуска была продолжена. Однако температура резиновых уплотнительных колец оставалась значительно ниже температуры окружающего воздуха. Во время своего исследования отснятого материала запуска Фейнман наблюдал небольшое событие выделения газа из твердотопливного ракетного ускорителя на стыке между двумя сегментами в моменты, непосредственно предшествовавшие катастрофе. Причиной этого стало неисправное уплотнительное кольцо. Выходящий высокотемпературный газ попал во внешний бак, в результате чего весь автомобиль был уничтожен.
После аварии компании по производству резины ввели изменения. Многие уплотнительные кольца теперь поставляются с кодировкой партии и даты отверждения, как это делается в производстве лекарств, чтобы точно отслеживать и контролировать распространение. Для аэрокосмических и военных применений уплотнительные кольца обычно упаковываются индивидуально и маркируются с указанием материала, даты отверждения и информации о партии. При необходимости уплотнительные кольца могут быть отозваны с полки. [23] Кроме того, уплотнительные кольца и другие уплотнения регулярно проходят партийные испытания для контроля качества производителями и часто проходят испытания на обеспечение качества еще несколько раз дистрибьютором и конечными пользователями.
Что касается самих ускорителей, то NASA и Morton-Thiokol перепроектировали их с новой конструкцией соединений, которая теперь включала три уплотнительных кольца вместо двух, а сами соединения имели встроенные нагреватели, которые можно было включить, когда температура опускалась ниже 50 °F (10 °C). Никаких проблем с уплотнительными кольцами не возникало со времен Challenger , и они не сыграли никакой роли в катастрофе космического челнока Columbia в 2003 году.
