Уплотнения — теория. Урок 1: как это устроено

Первая половина курса: что такое уплотнение, как оно работает физически, в каких узлах стоит и как называется. Подбор и продажа — во втором уроке.

Зачем это нужно

Возьмите обычный кран на кухне. Там, где ручка входит в корпус крана, стоит маленькое резиновое колечко. Вода внутри крана находится под давлением и давит во все стороны сразу — в том числе вверх, вдоль ручки. Колечко перекрывает ей этот путь, и вода идёт туда, куда положено, — в носик.

Как только резина затвердела и растрескалась, между ней и металлом появляется щель. Вода находит её мгновенно, и кран начинает подтекать из-под ручки. Стоит такое колечко несколько рублей — а чтобы его поменять, кран нужно разобрать.

H Padleckas, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0. Цвета изменены.

1 — корпус
2 — вход и выход воды
3 — седло
4 — шток от ручки
5 — золотник, он перекрывает воду
6 — ручка
7 — крышка корпуса
8 — уплотнение вокруг штока, выделено оранжевым
9 — гайка, которая его поджимает
10 — поток воды
11 — где стоит золотник, когда кран закрыт
12 — где стоит ручка, когда кран закрыт

Вода идёт по корпусу, а шток выходит наружу — и вот на этом пути стоит уплотнение. Ослабло или задубело — потекло из-под ручки.

Второй пример — соединение двух деталей, например двух труб. Металл к металлу никогда не прилегает идеально: между ними всегда остаётся микроскопическая щель. Поэтому детали не просто стягивают болтами, а кладут между ними мягкую прокладку. При затяжке она сминается и заполняет собой все неровности стыка.

Оранжевым показано уплотнение. Слева и справа от него — две стягиваемые детали. Пока оно упругое, стык заполнен и течи нет. Задубело или растрескалось — появляется щель, и соединение начинает подтекать.

А теперь тот же кран, только в промышленности. Вместо воды — масло под давлением в сотни атмосфер. Вместо кухни — пресс, экскаватор или прокатный стан. И колечко там тоже стоит копеечное, но когда оно перестаёт держать, останавливается не кран, а линия.

Отсюда простая коммерческая арифметика, ради которой всё и затевается. Само уплотнение стоит дёшево. А вот чтобы его заменить, узел надо разобрать — а это работа, время и остановка оборудования. Дорого не уплотнение. Дорого разобрать оборудование дважды, потому что в первый раз поставили не то.

Поэтому мы продаём не «резинку по размеру». Мы продаём то, что после нашей поставки узел разберут один раз, а не два.

Четыре функции уплотнения

Что бы за уплотнение ни стояло в узле, оно решает одну из четырёх задач. Или сразу несколько.

Как это работает

Незнакомые слова в тексте подчёркнуты — нажми на такое слово, и появится объяснение. Запоминать сразу не нужно, к ним всегда можно вернуться.

Способов не пустить среду через зазор придумано много, но физически их всего четыре. Всё остальное — вариации: другая форма, другой материал, другой размер.

Это важно понять один раз, чтобы дальше не пугаться. В каталоге уплотнений бывает несколько сотен позиций, и с первого взгляда это выглядит как непроходимый лес. На самом деле любая из этих позиций работает одним из четырёх способов — и как только ты узнаёшь способ, ты примерно понимаешь, чего от изделия ждать и что его убьёт.

Способ 1. Зажать мягкое между твёрдым

Самый простой и самый массовый. Между двумя деталями кладут упругое кольцо и стягивают детали. Кольцо сминается и заполняет собой всю щель — как раз то самое колечко из крана.

Чтобы кольцо не выползло и не съехало вбок, в одной из деталей делают проточку по кругу — небольшое углубление, в которое кольцо и укладывают. Это углубление называется канавкой.

Способ 2. Обнять то, что движется

Первый способ годился, пока детали стоят неподвижно: зажали кольцо между ними — и всё. А если одна деталь крутится или ездит внутри другой, зажать намертво нельзя: за смену всё сотрётся.

Тогда поступают иначе. Берут кольцо из мягкой резины и делают у него тонкий упругий край, который обнимает движущуюся деталь — примерно так же, как манжета рубашки обхватывает запястье. Кстати, по-русски такое уплотнение и называется манжетой, а его обнимающий край — губой.

Держится всё на том же принципе, что и манжета рубашки: край сделан чуть меньше, чем деталь, поэтому сидит с натягом. А чтобы натяг не ослабевал со временем, внутри резины проложена маленькая пружина-браслет — она всё время поджимает губу к валу.

Фото: Juandev, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0. Разрез: Jahobr, Wikimedia Commons, общественное достояние. Цвета изменены.

Слева — настоящая деталь: чёрное резиновое кольцо с отверстием посередине. В это отверстие проходит вал. Цифры на боку — её размеры. Именно такую деталь клиент достанет из редуктора и пришлёт тебе на фото.

Справа — она же, разрезанная пополам, чтобы стало видно, что у неё внутри. Оранжевым закрашена резина, голубым — масло.

A — вал
B — корпус, в который кольцо вставлено
C — сторона, где масло
D — сторона, где воздух
1 — металлическая обойма: ею кольцо держится в корпусе
2 — губа: тонкий край резины, который обнимает вал
3 — пружинка-браслет: поджимает губу к валу всё время работы
4 — вторая губа: не пускает грязь снаружи

Способ 3. Прижать две гладкие плоскости друг к другу

Третий способ не похож на первые два: здесь уплотняет не резина, а стык двух отполированных до зеркала колец. Одно кольцо надето на вал и вращается вместе с ним, второе закреплено в корпусе и стоит неподвижно. Пружины прижимают их торцами друг к другу, и вся герметичность держится на этом стыке. Отсюда и название — торцовое уплотнение.

На анимации ниже вал крутится, а уплотнение остаётся на месте — видно, из чего оно собрано.

Silberwolf, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5. Цвет уплотнения изменён.

Здесь видно всё сразу. Серый цилиндр — вал, он вращается. Зелёная плита — стенка корпуса машины, сквозь которую вал выходит наружу. Между ними, обхватывая вал, собрано само уплотнение.

Синие пружинки по кругу — то, что прижимает кольца друг к другу. Оранжевое кольцо у самой стенки стоит неподвижно, кольцо перед ним вращается вместе с валом. Прижаты они торцами, и вся герметичность держится на этом стыке.

Обратите внимание: собранное уплотнение — это не одна деталь, а узел из нескольких. Поэтому оно и дороже остальных.

Способ 4. Не перекрывать, а запутать дорогу

Единственный способ, в котором детали вообще не касаются друг друга. Вместо того чтобы перекрыть щель, ей придают такую извилистую форму, что пройти по ней среде становится очень трудно. Называется лабиринтное уплотнение — и название говорит само за себя.

Особый случай: сальниковая набивка

На насосах, задвижках и старом оборудовании ты часто встретишь пятое решение — сальниковую набивку. Отдельным способом её не считают: это тот же первый способ, «зажать мягкое», только зажимают не между двумя плоскостями, а вокруг вращающегося вала.

Вот как она выглядит до монтажа: шнур в бухте, который режут по месту и укладывают в камеру витками. Цвет говорит о материале и среде, на которую он рассчитан.

Устроено предельно просто. Вокруг вала в кольцевую камеру укладывают несколько витков мягкого шнура — он и называется набивкой. Сверху камеру закрывают крышкой на двух болтах. Затягиваешь болты — крышка давит на шнур, шнур обжимает вал со всех сторон. Ослабло со временем — подтянул болты, и оно снова держит. Ремонтируется прямо на месте, без разборки и без квалификации: этим набивка и живуча.

Schorschi2, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 DE. Цвета изменены.

Оранжевым — набивка, тот самый мягкий шнур. Белый цилиндр по центру — вал, он вращается. Деталь с резьбой слева от неё — крышка, которую затягивают. Кольцо справа — упор, дальше набивке двигаться некуда.

Сверху показано, как это выглядит до затяжки, снизу — после. Крышку завернули, набивка стала короче (было L₁, стало L₂) — а раз объём ей деваться некуда, она распёрлась в стороны и обжала вал. В этом весь принцип: сжимаем вдоль — прижимается поперёк.

А теперь главное, чего про неё обычно не знают.

Отсюда практический вывод для разговора с клиентом. Если он говорит «у нас подкапывает сальник» — это ещё не поломка. Правильный вопрос: сколько капель. Несколько в минуту — так и задумано. Течёт струйкой — вот тогда пора менять.

Плата за простоту — износ вала. Шнур трётся об него постоянно, и в абразивной среде — сахар, песок, руда — протачивает вал заметно быстрее, чем изнашивается сам. Поэтому разговор с таким клиентом идёт не о цене набивки, а о том, во сколько ему обходится проточка или замена вала.

Почему давление помогает, пока не начнёт мешать

Уплотнение — не затычка. Оно использует давление среды против неё самой: чем выше давление, тем плотнее прижимается. Из этого же механизма растёт и главная причина отказов.

Почему сальник не течёт, хотя он смазан

Вот вопрос, который стоит задать себе один раз и запомнить ответ навсегда. Между губой сальника и валом есть плёнка масла — иначе губа сгорела бы от трения. Но если там масло, почему оно не вытекает наружу?

Потому что микронеровности на поверхности губы при вращении вала работают как насос и гонят масло обратно внутрь. Это называют обратной подкачкой, и именно микрорельеф, а не сила прижима, обеспечивает уплотняющее действие.

Где стоят уплотнения

Узлов, из-за которых к нам приходят, всего три: гидроцилиндр, вращающийся вал и неподвижный стык. Разберём их по очереди — в каждом свой набор деталей и свой главный вопрос.

Сначала — где эти узлы на реальной машине

Чтобы три узла не остались схемами в воздухе — вот оборудование, которое ты увидишь у клиента, и узел, ради которого он тебе звонит.

Слева шток виден целиком — именно по нему течёт, когда звонят. Справа то же самое в собранном виде: снаружи видна только блестящая часть штока.

Одна машина часто даёт сразу два узла: у насоса есть и вал, и разъём корпуса, а у пресса — и шток, и фланцы гидролинии.

На одном экскаваторе три гидроцилиндра сразу: стрела, рукоять и ковш. В каждом из них — шесть уплотнений, которые разберём дальше.

Узел первый: гидроцилиндр

Начинаем с него, потому что это самый частый случай и потому что в одном цилиндре стоит сразу шесть разных уплотнений. Разберётесь с ним — половина ассортимента станет понятной.

Гидроцилиндр — самый частый узел, из-за которого к нам приходят. Встретить его можно почти везде, где что-то тяжёлое двигается, поднимается или сжимается:

• Спецтехника: стрела и ковш экскаватора, отвал бульдозера, вилы погрузчика, аутригеры автокрана, кузов самосвала.
• Производство: прессы любого вида, литьевые машины, прижимы и зажимы на станках, ножницы по металлу, прокатные станы.
• Подъёмное: автомобильные подъёмники в сервисах, гидроборта грузовиков, подъёмные платформы, домкраты.
• Сельхозтехника: навесное оборудование тракторов, жатки комбайнов, плуги, пресс-подборщики.
• Коммунальная и дорожная техника: мусоровозы с прессующей плитой, снегоуборочные отвалы, катки, асфальтоукладчики.

Устроены они у всех примерно одинаково, поэтому разобрав один цилиндр, ты сможешь говорить о любом из этих узлов. Дальше на схеме — тот самый стандартный гидроцилиндр в разрезе.

Ещё одно слово, которое ты услышишь в первый же день: сами уплотнения клиенты часто называют РТИ. Это не название конкретной детали, а целая категория.

Шесть мест на схеме — это стандартный набор. В тяжёлых цилиндрах, где давление скачет и бьёт пиками, перед уплотнением штока ставят седьмую деталь — буферное уплотнение. Оно стоит со стороны давления, первым принимает удар и сглаживает скачки, так что до основной манжеты доходит уже ровный напор. Подробно разберём его дальше, вместе с остальными семействами.

Один кадр вместо абзаца: слева шток без грязесъёмника, справа — с ним. Вся грязь слева уедет внутрь цилиндра и пойдёт по кромке уплотнения штока.

Собери гидроцилиндр

Проверь, уложилось ли. Шесть мест — шесть разных задач.

Узел второй: вращающийся вал

В цилиндре шток ходит вперёд-назад. Здесь вал вращается и выходит из корпуса наружу — редуктор, насос, электродвигатель, мотор-редуктор, ступица. Задача та же — удержать смазку внутри и не пустить грязь снаружи. Но появляется величина, которой у штока не было: биение. Вал вращается не идеально ровно — его слегка ведёт из стороны в сторону, и уплотнению приходится за ним успевать. Насколько сильно ведёт — от этого прямо зависит, какое из решений вообще подойдёт.

Ответов четыре, и они конкурируют между собой. На схемах ниже серым показан вал и корпус, оранжевым — уплотнение, синим — детали, которые сами не уплотняют: пружина сальника и пружины торцового. Голубые капли у набивки нарисованы нарочно — там протечка нужна для работы.

Узел третий: неподвижный стык

Третий случай самый простой: детали не двигаются вообще. Крышка на корпусе редуктора, фланцы двух труб, пробка, штуцер, стык половин корпуса насоса. Движения нет, скорости нет — а течь есть, и держать её нужно так же.

Самое простое уплотнение из всех: плоская прокладка, вырезанная по форме стыка. Затянули болты — она смялась и заполнила неровности.

Главный вопрос здесь один, и он не про давление: не выдавит ли уплотнение в щель между деталями. Чем выше давление и чем шире щель, тем вероятнее, что мягкий материал в неё потечёт. Поэтому в статике рядом с уплотнением часто ставят опорное кольцо, а вопрос «какой у вас зазор» задают раньше вопроса «какое давление».

Второй вопрос — среда. Скорости нет, трения почти нет, износ не решает: материал выбирают по тому, что течёт по трубе, и по температуре.

Как называются семейства

Мы разобрали, где уплотнения стоят. Теперь — как они устроены и как их называть. Дальше идёт справочник: девять семейств по форме и варианты исполнения, которые встречаются внутри семейств.

Девять семейств по конструкции

Это справочник, а не материал для заучивания. Сюда возвращаются, когда клиент назвал форму или прислал фото снятой детали.

Дальше — девять семейств, которые закрывают почти весь ассортимент. В каждом пункте схема, как это устроено, и то, как деталь выглядит в жизни.

Названия здесь русские и намеренно. Буквенных кодов у профилей в отрасли много, и у каждого производителя они свои: один и тот же грязесъёмник в двух каталогах будет обозначен по-разному. Общего стандарта нет, поэтому узнавать деталь надо по форме и по тому, где она стоит, — код без этого не поможет.

O-кольца — самое простое, что есть

Обычное резиновое колечко круглого сечения — то самое, что стоит в кране. Кладут в канавку, стягивают детали, оно сминается и перекрывает щель.

Где встретишь: фланцы, крышки, пробки, штуцеры, гидрораспределители — везде, где две неподвижные детали надо соединить герметично. В подвижных узлах тоже бывает, но только на небольших скоростях.

Что помнить: при высоком давлении и широкой щели кольцо выдавливает в неё. Тогда рядом ставят опорное кольцо.

Манжеты штока и поршня — рабочая деталь любого гидроцилиндра

Если O-кольцо круглое, то манжета в разрезе похожа на букву П с вырезом снизу — как галочка. Этот вырез смотрит в сторону давления: среда заходит в него и распирает кромки в стороны. Чем выше давление, тем плотнее прижим.

Где встретишь: внутри любого гидроцилиндра. Одни стоят на штоке — том стержне, что выходит наружу; другие на поршне внутри цилиндра. Профиль у них зеркальный: у штоковой манжеты кромка смотрит внутрь, к штоку, у поршневой — наружу, к стенке цилиндра. Перепутать их местами нельзя.

Что помнить: манжета несимметрична, у неё есть перед и зад. Поставишь наоборот — потечёт сразу. И манжету нельзя заменить O-кольцом, даже если размер совпал.

Фторопласт с резиновым поджимом — уплотнение из двух деталей

Клиент может назвать их омегатами. Это две детали сразу: белое скользкое кольцо из фторопласта, которое касается металла, и обычное резиновое O-кольцо позади него.

Аналогия: фторопластовое кольцо — подошва ботинка, резиновое — амортизатор внутри. Амортизатор всё время распрямляется и прижимает подошву к земле, даже когда та подызносилась.

Где встретишь: там, где есть вибрация, небольшое давление и короткий ход.

Почему не сделать всё из полиуретана: он не держит выше +110 °C, боится кислот и растворителей, сильнее трётся и греется.

Шевронные комплекты — стопка манжет

Не одна деталь, а собранный пакет: снизу опорное кольцо, сверху нажимное, между ними несколько уплотнительных колец в форме галочек, вложенных друг в друга. Отсюда название — шеврон.

Где встретишь: тяжёлая гидравлика с очень высоким давлением — прессы, литейные машины, гидроцилиндры в металлургии, оборудование с большими диаметрами.

Полезное свойство: высоту пакета можно нарастить, добавив колец. Так подстраиваются под разную глубину канавки и под износ узла, не заказывая новый типоразмер.

Буферные уплотнения — телохранитель основного

Похоже на манжету, только уже. Стоит перед основным уплотнением штока, со стороны давления, и первым принимает удар.

Зачем: в тяжёлой гидравлике давление скачет. Буферное сглаживает эти скачки, и до основной манжеты доходит уже ровное давление.

Где встретишь: прессы, экскаваторы, погрузчики — везде, где нагрузка ударная.

Частая путаница: буферное — не грязесъёмник. Оно защищает изнутри от давления, а грязесъёмник снаружи от грязи. Одно другое не заменяет.

Грязесъёмники — расходник, который бережёт шток

Стоят снаружи узла и первыми встречают шток, когда он задвигается внутрь. Кромка у них смотрит наружу — она счищает со штока всё, что тот на себе принёс: пыль, грязь, песок, лёд, стружку.

Где встретишь: на каждом гидроцилиндре, работающем на улице или в цеху с абразивом. Экскаваторы, погрузчики, дорожная техника.

Разновидности: обычные, с металлической обоймой для жёсткой посадки, для пневматики, и отдельные для льда и грубой грязи.

Главное: это расходник. Заменить грязесъёмник дешевле, чем основное уплотнение, и несопоставимо дешевле, чем шток.

Направляющие и опорные кольца — единственные, кто не уплотняет

Единственные в этом списке, которые вообще ничего не уплотняют. Поэтому на схемах мы показываем их не оранжевым, а синим.

Направляющие центрируют шток и поршень, чтобы металл не тёрся о металл. Принимают на себя боковую нагрузку — ту, что иначе раздавила бы уплотнение с одной стороны.

Опорные перекрывают щель рядом с уплотнением, чтобы давлению некуда было выдавливать мягкий материал.

Из чего: направляющие — полиацеталь до +110 °C, фторопласт до +260 °C, PEEK до +250 °C, полиамид до +120 °C. Опорные — полиуретан до +100 °C для обычной гидравлики и фторопласт до +260 °C для агрессивных сред и пищевой промышленности.

Ротационные уплотнения — сальники для вращающихся валов

Всё, что разбирали выше, работает на деталях, которые ходят вперёд-назад. Сальник — для тех, что вращаются.

Где встретишь: редукторы, электродвигатели, насосы, мотор-редукторы, ступицы, бортовые передачи. Практически везде, где есть вращающийся вал, выходящий наружу.

Задача двойная: удержать смазку внутри и не пустить грязь снаружи.

Виды по обойме: с резиновой — мягче садится и прощает неровности корпуса; с металлической — жёстче держится, но может разбить посадочное место; без металла вовсе, с тканевой обоймой — не царапает корпус, часто разъёмные, ставятся без снятия вала.

Статические уплотнения кроме O-колец

Всё, что герметизирует неподвижные соединения.

Плоские прокладки — вырезаются из листа, кладутся между двумя плоскостями и затягиваются болтами.

Уплотнительные шайбы — металлическая шайба с привулканизированной резиновой кромкой. Ставится под головку болта или штуцера, держит до 1000 бар. В обиходе их часто зовут по марке одного из производителей, но конструкция у всех одна.

Лента и нить из фторопласта — лента на фланцы вместо паронита — листового прокладочного материала, который режут по месту, нить на резьбовые соединения.

Где встретишь: трубопроводы, фланцы, крышки редукторов, гидрораспределители, штуцеры — любое соединение, которое собрали и больше не двигают.

Варианты исполнения сальника

Внутри одного семейства деталь может быть собрана по-разному. У сальника таких вариантов четыре, и каждый решает свою задачу.

Итог первого урока

• Знаешь четыре функции уплотнения и шесть мест в гидроцилиндре, где они стоят.
• Различаешь семейства по назначению — манжеты штока и поршня, грязесъёмники, направляющие, опорные, статические — и знаешь, что буквенных кодов у них столько же, сколько производителей.
• Понимаешь четыре способа перекрыть зазор и объясняешь, почему на вращающемся валу есть четыре разных решения одной задачи.
• Знаешь три узла, в которых живут уплотнения — шток гидроцилиндра, вращающийся вал и неподвижный стык — и показываешь их на схеме.
• Различаешь четыре решения для вращающегося вала — сальник, набивка, торцовое, лабиринт — и знаешь, чем каждое платит за своё преимущество.

Что сделать перед вторым уроком