Источник: Эрхард Маер «Торцовые уплотнения»

Введение
Уплотнения предназначены для разделения пространств с различными давлениями, рабочими средами или температурами. Они предотвращают, например, проникновение посторонних частиц в рабочую среду или утечку смазки из корпуса.

Типы уплотнений

Многочисленные типы уплотнений, применяемые в промышленности, предназначены для решения различных проблем. В зависимости от условий эксплуатации и требований в неподвижных соединениях применяют плоские уплотнения, кольца круглого сечения или сварные соединения, в устройствах с возвратно-поступательным движением-мягкие набивки, манжетные уплотнения, поршневые кольца, металлические сальники или мембраны, а у вращающихся валов — лабиринтные и волновые уплотнения, сальники, манжеты, С-образные кольца, аксиальные или радиальные торцовые уплотнения, изготовленные из различных материалов.

Область применения торцовых уплотнений

Торцовые уплотнения по конструкции можно разделить на две основные группы: аксиальные и радиальные.

Рис.1

На рис. 1 показано аксиальное торцовое уплотнение. Под действием осевых сил поток стремится пройти в радиальном направлении через зазор с уплотнениями.

Рис.2

В радиальном торцовом уплотнении (рис. 2) негерметичен зазор между валом, втулкой и уплотнительным кольцом, т. е. утечка происходит в осевом направлении. Аксиальное торцовое уплотнение, обеспечивающее лучшую герметичность и имеющее повышенную надежность, долговечность, все больше применяют вместо ранее господствовавшего уплотнительного элемента вращающихся валов — сальниковой набивки. Торцовое уплотнение обеспечивает упруго-герметичное соединение между неподвижной и вращающейся торцовыми кольцевыми поверхностями и выполняет функции уплотнения, подшипника и теплообменника.

Рис.3

В начале 20 столетия в машиностроении появились торцовые уплотнения, которые не решали всей трудной проблемы герметизации, но функционально и конструктивно были лучше традиционных мягких набивок и сальников. Принцип работы простейшей конструкции уплотнения (рис. 3 ,а) заключается в том, что буртик вращающегося вала контактирует непосредственно с поверхностью  корпуса. Однако из-за отсутствия необходимых материалов и обрабатывающих станков, конструктивные преимущества торцовых уплотнений не были реализованы. Лишь в 20-х годах они были впервые применены во многих холодильных установках. Позднее стали применять резиновое упругое уплотнение, так называемое V-образное кольцо (рис. 3,б), в диапазоне параметров, соответствующем группе I (табл. 1).
Таблица1.
Классификация аксиальных торцовых уплотнений в зависимости от давления, скорости скольжения и нагрузки:

Группа	Давление, кгс/см2	Скорость, м/с	Нагрузка, Кгс*м/(см2*с)
Низшая I Средняя II Высокая III Высшая IV	р1≤1 р1≤10 р1≤50 р1>50	υg≤10 υg≤10 υg≤20 υg>20	р1 υg≤10 р1 υg≤50 р1 υg≤500 р1 υg>500

Это уплотнение имело такую же конструкцию, как предыдущее, однако уплотнительный элемент из упругого материала лучше компенсировал тепловые и механические осевые перемещения.
Наибольшее распространение в этот период торцовые уплотнения получили в автомобилях. Их использовали в водяном насосе двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время водяные насосы двигателей имеют исключительно торцовые уплотнения.
Предъявляемые к уплотнениям требования были, естественно, незначительными, так как давление охлаждающей жидкости почти не превышало 1 кгс/см2, степень загрязнения была небольшой, температура редко превышала 100°С, а скорость скольжения 1 м/с. Этим требованиям вполне отвечали применяемые материалы. С совершенствованием методов изготовления и улучшением свойств материалов можно не только повысить надежность, долговечность уплотнений, но и снизить стоимость их изготовления. После того как аксиальные торцовые уплотнения оправдали себя в крупносерийном автомобильном производстве, область их применения резко расширилась. После 1945 г. их стали широко использовать в насосостроении и крупной химической промышленности. Вследствие высокой надёжности и экономичности торцовые уплотнения получают исключительно большое применение в нефтеперерабатывающей промышленности, в очистительных установках, насосных станциях, а также на танкерах.
С 1945 г. для торцовых уплотнений критическими считались давление 15 кгс/см2, скорость скольжения 10 м/с. В течение последних 25 лет давление и скорость скольжения повысились более чем в 10 раз, и в настоящее время в технологических установках с торцовыми уплотнениями рабочее давление достигает 500 кгс/см2.
Так как область применения аксиальных торцовых уплотнений непрерывно расширяется, то остановимся лишь на отдельных примерах их использования в основных отраслях промышленности. В следующих разделах рассмотрены аксиальные торцовые уплотнения, классифицированные в табл. 1 по давлению, скорости скольжения и нагрузке (под нагрузкой понимают произведение внутреннего давления на скорость скольжения)

Транспортные средства.

В этой области торцовые уплотнения исчисляют миллионами штук. Они обеспечивают герметичность работы насосов для охлаждающей жидкости (рис. 4) и нагнетательных в автомобилях, тепловозах, судовых двигателях, а также применяются в качестве уплотнений коленчатых валов (рис. 5).

Рис.4

Рис.5

Торцовые уплотнения используют в ротационных бензонасосах, коробках передач, гидротрансформаторах и гидродинамических тормозах тяжелых грузовых автомобилей.
В подшипниковых узлах гусеничных тягачай и автомобилей повышенной проходимости они предотвращают утечку консистентной и жидкой смазок, проникновение посторонних частиц и грязной воды во внутрь. Условия эксплуатации уплотнений в этих машинах с точки зрения давления, скорости скольжения и нагрузки соответствуют I и II группам приведенной классификации (см. табл. I).

Бытовая техника.

Торцовые уплотнения применяют в стиральных машинах, автоматах, моечно-сушильных агрегатах и центрифугах, посудомоечных машинах и мясорубках, а также нагнетательных топливных и циркуляционных водяных насосах. На рис. 6 показано торцовое уплотнение комбинированного автомата для стирки и сушки белья. Уплотнение предотвращает утечку смазки из шарикоподшипников и проникновение к ним воды и грязи. В этом уплотнении используют два материала высокой износостойкости: окись металла и специальный прессованный материал, полученный из искусственной смолы. В случае работы при высокой температуре резиновый чехол изготовляют из силиконовой резины.

Рис.6

Торцовые уплотнения, устанавливаемые в бытовых машинах, применяют в большинстве случаев в условиях, соответствующих I группе классификации (см. табл. 1).

Энергетика и насосостроение.

В этих отраслях машиностроения торцовые уплотнения применяют в конденсатных (рис. 7) и питательных насосах котельных агрегатов, в водяных турбинах и в системе охлаждения генераторов, вентиляторов, и особенно в ядерных энергетических установках.

Рис.7

Кроме того, торцовые уплотнения устанавливают в шестеренчатых насосах, центробежных вентиляторах, насосах для перекачки сжиженных газов, асфальта и мастики, в компрессорах, холодильных установках и вакуумных насосах. Эксплуатационные условия для этих уплотнений соответствуют параметрам I—IV групп (см. табл. 1).

Химическая и нефтяная промышленность.

На нефтеперерабатывающих и химических аппаратах торцовые уплотнения используют особенно широко. С их помощью герметизируют валы перемешивающих устройств, испарителей и смесителей, каландров, подогревающихся паром, центрифуг, вентиляторов и насосов, работающих с различными средами. На рис. 8 показано торцовое уплотнение высокой антикоррозионной стойкости для работы при низких нагрузках, на рис. 9 -торцовое уплотнение для химических аппаратов и насосов. Эти уплотнения относятся к I-IV группам (табл. 1).

Рис.8

Рис.9

Авиационная и космическая техника.

В самолетах и ракетах с помощью торцовых уплотнений герметизируют валы газовых турбин, турбокомпрессоров, гидроагрегатов и нагнетательных насосов горючего и сжиженных газов. На рис. 10 показано высокоскоростное уплотнение, выполненное по неподвижной схеме. Давление в таких уплотнениях часто соответствует I и II классификационным группам, а скорость скольжения может достигать 100 м/с, поэтому нагрузка большей частью соответствует II и III группам (см. табл. I).
Этот краткий обзор иллюстрирует лишь многообразие областей применения аксиальных торцовых уплотнений, различное их на-значение и условия работы.

Рис.10