Опорное кольцо — это плоское жёсткое кольцо, которое устанавливается рядом с эластомерным уплотнением со стороны низкого давления и не даёт уплотнению выдавливаться в зазор между металлическими деталями. Само по себе оно не уплотняет. У него нет натяга, нет кромки и нет эластичной памяти. Его единственная задача — перекрыть зазор выдавливания, чтобы кольцо круглого сечения за ним никогда не было вынуждено течь в пространство меньше себя самого.
Большинство инженеров впервые сталкиваются с этой деталью после отказа: кольцо круглого сечения с обкусанной кромкой, уплотнительное гнездо, полное резиновой крошки, и бригада обслуживания, меняющая одно и то же уплотнение каждые несколько недель. Решение обычно — кольцо, которое стоит меньше, чем защищаемое им кольцо круглого сечения.
Что такое выдавливание на самом деле
Эластомер под давлением ведёт себя отчасти как жидкость. Когда 200 бар прижимают кольцо круглого сечения к зазору между поршнем и расточкой, материал не просто сжимается; он течёт по пути наименьшего сопротивления, то есть в зазор. Зазор в новом цилиндре может составлять 0,15 мм. В изношенном он может достигать 0,5 мм. При таком размере кольцо круглого сечения из NBR при 80 °C и 200 бар выдавит видимый язык резины в зазор в течение нескольких часов.
Как только язык образуется, движущиеся детали срезают его. Оторванная кромка становится путём утечки, утечка повышает локальную температуру, и повреждение распространяется по окружности. Конечное состояние — обкусанное, сплющенное кольцо и утечка, которую не остановить никакой затяжкой.
Опорное кольцо прерывает эту последовательность, заполняя зазор материалом, который не течёт при рабочей температуре. Это механический упор, а не уплотнение.
Где располагается кольцо
Положение не обсуждается: опорное кольцо устанавливается со стороны первичного уплотнения, противоположной давлению, лицом к зазору выдавливания. В уплотнении штока, находящемся под давлением со стороны расточки, кольцо круглого сечения прижимается к наружной кромке гнезда, а опорное кольцо располагается между кольцом круглого сечения и этой кромкой.
В цилиндре двустороннего действия давление чередуется, поэтому одно опорное кольцо защищает только одно направление. Устанавливайте два, по одному с каждой стороны кольца круглого сечения. Два кольца также означают, что канавка должна быть достаточно широкой: стандартная канавка под кольцо круглого сечения, рассчитанная только на него, не примет второе кольцо без снижения натяга до уровня, при котором уплотнение потечёт при низком давлении. Именно ширина канавки, а не толщина кольца, ограничивает возможности модернизации.
Пять стандартных конфигураций
ISO 3601-4 делит кольца против выдавливания на пять геометрий. Различия касаются того, как кольцо надевается на шток или вставляется в канавку без разрезания, и сколько непрерывной опоры оно даёт после установки.
| Тип | Тип разреза | Установка | Где применяется |
|---|---|---|---|
| T1 | Спиральный разрез (непрерывная спираль) | Наматывается на шток или вставляется в канавку без разборки узла | Ремонт на месте, большие диаметры, модернизация собранных цилиндров |
| T2 | Угловой разрез (косой) | Раскрывается и защёлкивается на штоке; концы перекрываются под давлением | Общая гидравлика, как статические, так и динамические узлы |
| T3 | Цельное, без разреза | Требует полного доступа; надевается на конец штока или поршня | Наибольшая стойкость к выдавливанию, аэрокосмическая отрасль и статические соединения высокого давления |
| T4 | Вогнутый угловой разрез | Косой разрез с профилированной внутренней поверхностью | Прецизионные гнезда, где кольцо должно плотно прилегать к кривой кольца круглого сечения |
| T5 | Вогнутое цельное | Требует полного доступа; профилированная внутренняя поверхность | Гнезда высокого давления с ограниченным осевым пространством |
На практике T2 — это то, что использует большинство промышленных цилиндров, T1 — то, что отделы обслуживания держат на полке на случай аварий, а T3 указывается там, где гнездо можно полностью разобрать и давление оправдывает сложность сборки. Кольцо T3, натянутое на шток отвёрткой, — это испорченное кольцо; типы с разрезом существуют именно для того, чтобы избежать этой операции. Каталоги дистрибьюторов, такие как опорные кольца Seal Sales показывают те же пять семейств со складскими размерами, что является быстрым способом увидеть, что доступно со склада, прежде чем заказывать механически обработанную деталь.
Выбор материала
Кольцо должно быть твёрже кольца круглого сечения при рабочей температуре, но не настолько твёрдым, чтобы задирать расточку. Три семейства охватывают почти все применения.
| Материал | Температура | Допустимое давление | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|---|
| Чистый ПТФЭ | −200 до +260 °C | До ~250 бар при плотном зазоре | Наименьшее трение, широкая химическая стойкость, наименьшая стоимость | Холодная текучесть при длительной нагрузке; деформируется в больших зазорах |
| Наполненный ПТФЭ (стекло, углерод, бронза) | −200 до +260 °C | До ~400 бар | Более высокая прочность на сжатие, лучшая износостойкость, меньшая ползучесть | Бронзовый наполнитель может корродировать в некоторых средах; слегка более абразивен |
| PEEK (ненаполненный или с углеродным/графитовым наполнителем) | От −60 до +250 °C непрерывно | До 600 бар и выше | Наивысшая жёсткость и стойкость к ползучести, перекрывает большие зазоры | Более высокая стоимость, меньшая податливость, требует хорошей чистоты поверхности |
| Нейлон / POM | От −40 до +100 °C | До ~250 бар | Дешёвый, жёсткий, легко обрабатывается | Набухает в воде и некоторых гликолях; ограниченный диапазон химической стойкости |
| PU (высокая твёрдость) | От −30 до +80 °C | До ~300 бар | Износостойкий, допускает плохую чистоту поверхности | Плохо работает при высокой температуре; не для агрессивных жидкостей |
Стоит назвать две ловушки при выборе. Опорные кольца из чистого PTFE ползут: при длительной статической нагрузке 300 бар и 80 °C кольцо медленно утоньшается, и зазор снова открывается. Наполненный PTFE или PEEK решает проблему, но за определённую цену. Другая ловушка — нейлон в водной рабочей жидкости. Нейлон впитывает воду, увеличивается в размерах и может заклинить в канавке, поэтому в водной гидравлике и системах на водно-гликолевой основе вместо него применяют PTFE или PEEK.
Эластомер, который защищают, важен не меньше самого кольца. Состав с твёрдостью 70 по Шору A, рассчитанный на ASTM D2000 линейную запись, создаёт иной риск экструзии, чем состав с твёрдостью 90 по Шору A в той же канавке, и толщина кольца должна соответствовать более мягкому из двух.
Когда он нужен
Ни в одном стандарте нет единого порога давления, потому что экструзия зависит от сочетания давления, зазора, температуры и твёрдости эластомера. Рабочее правило принятия решения использует все четыре фактора.
| Условие | Рекомендация |
|---|---|
| Ниже 100 бар, зазор в пределах ISO 5597, O-кольцо 70 по Шору A | Кольцо не требуется |
| 100–160 бар, стандартный зазор | Опционально; установите одно со стороны давления как страховку в системах с ударными нагрузками |
| 160–250 бар или зазор выше стандартного | Одно кольцо со стороны низкого давления, наполненный PTFE |
| Выше 250 бар | Одно кольцо стандартно; PEEK выше 400 бар или при зазоре свыше 0,3 мм |
| Двустороннего действия, выше 160 бар | Два кольца, по одному с каждой стороны O-кольца |
| Любое давление при зазоре свыше 0,4 мм | Сначала устраните зазор; одно кольцо не компенсирует изношенное отверстие |
Часть таблицы, касающаяся зазора, важнее части, касающейся давления. Цилиндр при 150 бар с зазором 0,5 мм выдавливается быстрее, чем при 300 бар с зазором 0,1 мм. Если вы выбираете между установкой опорного кольца и заменой изношенной направляющей втулки, замените втулку. Наши направляющие элементы существуют именно для этой задачи: они удерживают поршень соосно, чтобы зазор оставался в пределах диапазона, на который рассчитано уплотнение.
Конструктивные детали, от которых зависит работоспособность
Ширина канавки. Одному опорному кольцу требуется примерно 1,2–1,5 мм дополнительного осевого пространства в зависимости от толщины кольца. Двум кольцам нужно вдвое больше. Если канавка была проточена только под O-кольцо, варианты таковы: более тонкое кольцо, обработанное кольцо, разделяющее пространство с O-кольцом, или совсем другой профиль уплотнения. Конструктивные нормы, лежащие в основе этих цифр, — те, что публикует Hallite для гидравлических уплотнений штока и поршня, и именно на них ориентируется большинство европейских производителей цилиндров.
Радиус кромки. Острая кромка канавки срезает PTFE-кольцо при установке и оставляет стружку в уплотнительном узле. Радиус 0,2–0,4 мм на входе канавки — обычная практика, и на этапе механической обработки он ничего не стоит.
Шероховатость поверхности. Отверстие или шток под кольцом должны иметь шероховатость не грубее примерно Ra 0,4 мкм для динамической работы. PTFE допускает более грубую поверхность, чем PEEK; кольцо из PEEK, работающее по задиристому отверстию, будет изнашивать отверстие.
Тепловое расширение. PTFE расширяется примерно в десять раз сильнее стали на каждый градус. Кольца диаметром свыше 200 мм требуют допуска на диаметральный зазор в канавке, иначе при 80 °C они сомкнутся и зажмут шток.
Проверки при установке
Четыре проверки выявляют почти все ошибки установки опорных колец, которые мы видим в возвращённых деталях:
- Кольцо установлено с правильной стороны. В одностороннем уплотнении плоская сторона кольца обращена к O-кольцу, а O-кольцо — к стороне давления.
- Разрез, если он есть, смещён относительно собственного стыка O-кольца и закрыт до зазора менее 0,3 мм. Косой стык, остающийся открытым при сборке, так и останется открытым.
- Кольцо свободно проворачивается в канавке от руки. Кольцо, которое заедает, было изготовлено с неверной шириной или впитало жидкость.
- Сборка была смазана рабочей жидкостью системы, а не смазкой, несовместимой с эластомером. Литиевая смазка на EPDM O-кольце — это медленный отказ; на PTFE-кольце она безвредна.
Смежные детали, которые путают с опорными кольцами
В заявках путают три детали, и заказ не той из них тратит цикл впустую.
Износостойкие кольца (также называемые направляющими кольцами или направляющими лентами) воспринимают радиальную нагрузку, несут боковую нагрузку и обычно шире и толще опорного кольца. Они устанавливаются в собственную канавку, а не рядом с кромкой уплотнения. Прокладки — это плоские статические уплотнения, вообще не выполняющие функцию защиты от выдавливания. Стопорные кольца — металлические и удерживают детали на месте, а не жидкость.
Путаница понятна, потому что наполненное PTFE износостойкое кольцо и наполненное PTFE опорное кольцо могут выйти из одного пресса с одной и той же композицией. Они различаются по сечению, допуску и канавке. Опорное кольцо, используемое как износостойкое, разрушится от сдвига; износостойкое кольцо, используемое как опорное, не закроет зазор. Дистрибьюторы, такие как Darcoid публикуют оба семейства рядом, что позволяет легко сравнить различия сечений перед заказом.
Что касается уплотнительной стороны сборки, наш ассортимент прокладок, шайб и опорных колец охватывает стандартные сечения из PTFE, наполненного PTFE и PEEK, а ассортимент O-колец и X-колец охватывает эластомер, который защищают эти кольца. Механически обработанные детали из PEEK и PTFE нестандартных сечений поставляются через нашу линию конструкционных пластиков что обычно является более быстрым путём для модернизационных колец на устаревшем оборудовании.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли установить опорное кольцо в существующую канавку без механической обработки?
Иногда. Если в канавке уже есть 1,2 мм или более осевого пространства за O-кольцом, тонкое кольцо подойдёт. Если нет, механически обработанное кольцо с уменьшенным сечением может разделить канавку, но перед тем как принять решение, проверьте, что обжатие O-кольца остаётся выше примерно 8%. Ниже этого значения сборка течёт при низком давлении, и кольцо уже не имеет значения.
Увеличивает ли опорное кольцо трение?
Оно добавляет немного на стороне давления, и только пока приложено давление. В большинстве цилиндров прирост неизмерим на фоне собственного трения уплотнения штока. В медленных сервоприводах это имеет значение, и обычным решением является низкофрикционное наполненное PTFE-кольцо.
Почему моё PTFE-опорное кольцо раскололось через несколько недель?
Три причины, в порядке частоты: кольцо было установлено с неправильной стороны и само приняло всю нагрузку от выдавливания; канавка была слишком узкой, и кольцу некуда было расширяться; или кольцо было из чистого PTFE в непрерывном статическом соединении с высокой нагрузкой и холоднотекло, пока не треснуло.
Опорное кольцо — это то же самое, что T-уплотнение?
Нет. T-уплотнение — это единая деталь со встроенным профилем защиты от выдавливания, применяемая там, где осевое пространство слишком мало для O-кольца плюс двух колец. Оно решает ту же задачу другим путём.
Какова разница в стоимости между PTFE- и PEEK-кольцами?
Для кольца диаметром 50 мм ожидайте, что PEEK будет примерно в два-четыре раза дороже наполненного PTFE-кольца. На цилиндре, работающем при 250 бар с хорошо обслуживаемой расточкой, наполненное PTFE — правильный выбор, а PEEK — это деньги, потраченные на возможности, которые вы не используете. Выше 400 бар или там, где зазор нельзя уменьшить, PEEK-кольцо дешевле отказов, которые оно предотвращает.