Text
Результаты, приведенные на рис. 60, б, показывают, что удель-
ное давление стабилизации зависит от температуры. Так, при
температуре 473° К (кривая 2) удельное давление стабилизации
будет меньше, чем при температуре 573° К при одинаковом удель-
Рис. 60. Зависимость удельного давления стабилизации от удельного
давления обжатия и температуры: а — марки паронита А. В, С, Д; б —
паронит марки Д.
1 — при температуре 293° К; 2 — при температуре 473° К; 3 — при темпера-
туре 573° К-
ном давлении обжатия прокладки. Эта зависимость соблюдается
до определенной величины удельного давления обжатия
(370-103 н/м). Кроме того, на удельное давление стабилизации
влияет скорость нагрева: чем больше скорость нагрева, тем меньше
удельное давление стабилизации.
Расчет паронитовых прокладок и их выбор
Вследствие того, что паронит не стабилен по своим свойствам
и поэтому прокладки не имеют постоянной критической величины
удельного давления обжатия для определения qKp, целесообразно '
производить испытания прокладок, изготовленных из каждой пар-
тии паронита. Удельное давление обжатия прокладок, применяю-
щихся при низких давлениях среды, когда из условий расчета
усилие обжатия недостаточно для создания критического удель-
ного давления, можно определить по формуле
<7os= J 7«ps (ksn -Г ' (21)
где <7кр — критическое удельное давление обжатия про-
кладки, н/м;
£>ср — средний диаметр прокладки, м;
80
ks — коэффициент, характеризующий величину удельного
давления на прокладке в рабочих условиях (перед
нарушением герметичности), м;
<22)
’• • (23)
где Р — усилие, снимаемое с прокладки при действии давления
рабочей среды на площадь, ограниченную средним диа-
метром прокладки, н;
Qo — усилие, передаваемое на прокладку при монтаже со-
единения, я;
Qo = qOsP, (24)
где qOs — удельное давление, передаваемое на про-
кладку при монтаже соединения н/м;
L = nDcp — длина средней окружности прокладки, м;
р — давление среды, н/мг;
п — коэффициент запаса (1,5), учитывающий вли-
яние чистоты обработки уплотнительных
поверхностей.
При практическом применении формулы (21) для расчета удель-
ного давления предварительного обжатия прокладки значение
удельного давления qKPs и коэффициент ks можно принимать по
графикам, приведенным выше.
§ 13. РЕЗИНОВЫЕ ПРОКЛАДКИ
Резина — продукт, получаемый при смешении каучука с на-
полнителями и другими ингридиентами с последующей вулкани-
зацией. Вулканизацию применяют для придания резине механи-
ческой прочности, высокой эластичности и стойкости к раствори-
телям. Свойства резины определяются свойствами и относительным
количеством основных компонентов (каучука, серы, наполнителей,
противостарителей и т. д.), режимом изготовления резиновых
смесей, степенью и способом их вулканизации. Так, эластичность
резины зависит от количества присутствующей в ней серы, в связи
с чем резина подразделяется на мягкую (2—8% серы), средней
твердости (12—20% серы) и повышенной твердости (25—60% серы).
Добавка газовой сажи способствует повышению прочности резины,
а добавка пластификаторов — повышению ее морозостойкости [7].
Высокая эластичность, достаточная прочность, химическая
стойкость по отношению к рабочей среде, а также температуро-
Устойчивость резины позволяют широко использовать ее как про-
кладочной материал.
6 В. Б. Протопопов 895 81
Для изготовления резины применяются различные каучуки.
Натуральный каучук — сок каучуконосных растений, сгу-
щаемый методом концентрирования, испарения и коагуляции.
Он является полимером углеводородного вещества неопрена
(CbH8)n. Содержание углеводорода в различных сортах техниче-
ского каучука колеблется в широком диапазоне. Так, высшие
сорта содержат углеводорода до 90%, а низшие всего до 12%.
Натуральный каучук обладает высокой прочностью и упругостью,
в слабых растворах кислот и щелочей не растворяется, однако
не стоек к маслам и бензину. При температуре 473—553° К он
разлагается.
Наряду с натуральным каучуком широко применяются синте-
тические каучуки, значительно отличающиеся от натурального
по химическому составу. Большинство из них является сополиме-
рами, т. е. продуктами полимеризации двух или нескольких ве-
ществ, соединенных для получения желательных характеристик
каучука. Например, натрийбутадиеновый каучук применяется для
изготовления резин, которые используются для уплотнения затво-
ров фланцевых соединений трубопроводов, транспортирующих
воздух, воду морскую и пресную, 20%-ные растворы соляной
и серной кислот, едкого натра и калия, водяной пар. Основные
свойства этих резин приведены в табл. 5.
Бутадиен стирольный каучук совместно с такими наполнителями
как асбест, каолин, графит используется для изготовления резин,
которые применяются для уплотнения соединений трубопроводов,
транспортирующих воздух, азотную и серную 20 % ные и кон-
центрированные кислоты, морскую и пресную воду. Свойства
этих резин приведены в табл. 6.
Бутадиеннитрильный каучук придает резинам стойкость к ма-
шинному маслу, соляровому, МВП, АМГ-10, МК, МС, керосину,
дизельному топливу, нефти, веретенному маслу АУ, бензину,
бензолу и топливу Т-1.
Свойства некоторых резин на основе бутадиеннитрильного ка-
учука приведены в табл. 7.
Кроме перечисленных, применяются резины, изготовленные
на основе наирита, прокладки из которых используются для уплот-
нения затворов фланцевых соединений трубопроводов, транспор-
тирующих масло МК-22, машинное, АМГ-10, МС, бензин, топливо
Т-1, воздух, морскую и пресную воду, 20°6-ные растворы соляной
и серной кислот и растворы едкого натра и калия.
Эти резины, кроме маслобензостойкости, обладают бзоностой-
костью и тропикостойкостью. Свойства некоторых резин на основе
наирита приведены в табл. 8.
В отечественном судостроении применяются, кроме того, резины
на основе кремнийорганического каучука, обладающие достаточно
высокой теплостойкостью (до 523° К) и стойкостью к воздуху,
морской и пресной воде, озону, а также пригодные для работы
Свойства наиболее распространенных резин на основе натрийбутадиенового каучука
6*
83
оо
4»
Свойства наиболее распространенных резин на основе бутадиеннитрильного каучука
Таблица 7
Характеристика Марка резины
8871 8075 8470 В14 3825
Предел прочности при разрыве, н/м2 50-105 90-105 110 • 105 100 105 100-105
Относительное удлинение при разры- ве, % Относительное остаточное удлине- 500 150 400 160 120
25 11 30 8 10
ние, % Твердость по твердомеру TILLVf-2, н/м2
6,9- 105ч- — 8,5-105ч- 12,0- 108ч- 16,0- 105ч-
4-9,0 • 105 4-10,5 • 105 4 19,0-105 4-33,0-105
ТМ-2, условные единицы Рабочая температура среды, °К 35—60 55—75 — 70—77 80—95
343 343 343 373 373
Морозостойкость, °К 243 228 243 213 243
Таблица 8
Свойства наиболее распространенных резин на основе наирита
Характеристика Марки резин
С509 НО-68-1 С576 3465-Н-4 С848
Поедел прочности при разрыве, н/м2 Относительное удлинение при разры- ве, % Относительное остаточное удлине- ние, % Твердость по твердомеру ТШМ-2, н/м2 ТМ-2, условные единицы Рабочая температуда среды, К Морозостойкость, “К 10-505 1350 25 Не более 25 343 243 90-105 250 12 7,0 • 105ч- 4-14,0 • 105 55—70 373 218 100-106 300 25 9,5 • 105ч- 4-15,0-Ю5 55—85 323 243 80-105 180 10 11,0 • 105ч- .-21,0 • 105 70—85 403 233 65-105 300 20 7,0-105 ч- 4-11,0 -103 45—65 323 243
5
Е
з
г
5
2
я
К
St
O bit!
S= (a О
s
2
S
2
to
я
о
о
£
я
о
ЯС
я
о
to
s
о
S'
X
о , .
St о
to
о
я
о
Яс
я
Яс
S пл
я
<3
я
о
я
о
к
я
(3
*
(3
я
ь
я
>3
о
о
я
о
Яс
£
ф
я
я
5
о
я
я
я
я
я
я
73
о
О\
1=1
и
о
я
73
я
о
73
о
X
&
я
g
5
5
х
5
E
to S
> >-H
я
>4
Я
5
я
я
я
о
W
я
£
я
о
о
я
я
я
я
я
о
я
W
я
я
я
я
я
W
%
я
о
£
я
я
о
я
Свойства наиболее распространенных резин на основе
кремнийорганического и
фторосодержащего
Таблица 9
каучуков
Характеристика Марки резины
14р-6 5р-129 ИРП-1064 ФКС-1 С571
Предел прочности при разрыве, н/м2 25-105 25-Ю5 150-10® 100-Ю5 45 • 10s
Относительное удлинение при разры- ве, % 200 170 150 80 550
Относительное остаточное сжатие, % — — 15 — 40
Твердость по твердомеру ТШМ-2, н/м2 — 4,5 • 105ч- 4-10,5 -105 12,1 • 105ч- 4-26,0 • 105 — 4,5-105ч- 4-6,5-105
ТМ-2, условные единицы — — 70—80 85—95 35—50
Рабочая температура среды, °К 473 523 473 623 323
Морозостойкость, °К 213 213 213 203 243
мых за рубежом в качестве уплотнительных материалов, попол-
нился эластомером — хлорсульфированным полиэтиленом, извест-
ным под названием хайпалон. Вулканизация этого своеобразного
каучука осуществляется с помощью окислов металлов, из которых
наилучшие результаты дает сублимированная окись свинца. Эти
резины стойки в горячих хромокислых растворах, разрушающих
все каучукоподобные полимеры, кроме фторкаучуков. Детали
уплотнений, изготовленные из резин на основе хайпалона, могут
применяться вместо дорогостоящих материалов в трубопроводах,
транспортирующих специальные среды.
Хайпалоновые резины тропикостойки и озоностойки, их тепло-
стойкость достигает 393° К-
Прокладки, кольца и прочие уплотнительные детали на основе
хайпалона, обладая высокой химической стойкостью, имеют не-
оспоримые преимущества по сравнению с соответствующими изде-
лиями из многих других каучуков.
Среди синтетических каучуков, используемых для изготовле-
ния прокладочных материалов, особое место занимает бутиловый
каучук благодаря некоторым особенностям его строения. Прису-
щая ему высокая газонепроницаемость и малая водонабухаемость
наряду с другими ценными свойствами позволяют широко исполь-
зовать его в деталях уплотнений. Резины на основе бутилкаучука
противостоят некоторым органическим растворителям (ацетону,
анилину нитробензолу и т. д.), которые действуют разрушающе
на бензомаслостойкие бутадиеннитрильные каучуки.
Прокладочные материалы на основе этиленпропиленового кау-
чука под названием эластомер нашли широкое применение при
изготовлении прокладок, работающих при температуре до 423е К
в пресной и морской воде газах и паре. Одновременно появился
новый прокладочный материал на основе этого каучука, называе-
мый нордель. Резины на основе этого каучука обладают высокими
теплостойкостью и устойчивостью к органическим кислотам и
озоностойкостью. Можно предполагать, что в ближайшие годы он
вытеснит более дорогие резины на основе силиконовых и фторо-
содержащих каучуков, применяющихся в системах кондициони-
рования и вентиляции воздуха, а также трубопроводах забортной
и пресной воды и конденсатных системах.
Из каучуков общего назначения наибольшее распространение
в качестве прокладочного материала получил полиизопреновый
каучук.
Лучшей химической стойкостью к различным средам обладают
резины на основе фторосодержащих каучуков, которые по этому по-
казателю приближаются к фторопластам.
Одним из первых представителей фторкаучуков (сейчас на-
считывают несколько сополимеров) был эластомер вайтон — мяг-
кий, полупрозрачный каучукоподобный продукт, содержащий
65% фтора, чем и объясняется его химическая теплостойкость.
86
Кроме основной марки, за последнее время приобрели известность
и улучшенные сорта: вайтон-А и вайтон-Б. Первый обладает повы-
шенной по сравнению с вайтоном вязкостью и поэтому может изго-
товляться с наполнителями. Второй дает несколько более прочные
и более теплостойкие вулканизаты, сохраняющие свои эластиче-
ские свойства при температуре 523—573° К.
Прочностные свойства вулканизатов вайтон при нагревании
изменяются весьма незначительно. Практически резиновые уплот-
нения на основе вайтона могут работать в интервале температур
229—473° К. Эти резины отличаются исключительной химической
стойкостью, атмосфсростой костью. стойкостью к сильным окисли-
телям, стойкостью к действию озона, кислорода, к алифатическим,
ароматическим и хлорированным углеводородам, ароматическим
аминам, нефтяным углеводородам, разбавленным и концентриро-
ванным минеральным кислотам и щелочам, к воде. Растворяется
вайтон в кетонах.
Вайтоновые резины хорошо сохраняют свои прочностные
свойства и эластичность при воздействии агрессивных сред. При-
меняются они для изготовления уплотнительных колец и прокла-
док. В судостроении эти изделия используются в системах, транс-
портирующих нефтепродукты, окислительные среды, специальные
топлива, смазочные масла и жидкости, применяющиеся в системах
гидравлики.
Применение синтетических каучуков позволяет снизить стои-
мость резин. Сравнительная легкость получения синтетических
каучуков, обладающих нужными свойствами, позволила создать
резины, значительно превосходящие по своим свойствам резины,
изготовленные на основе натурального каучука.
Для изготовления прокладок фланцевых соединений исполь-
зуется листовая техническая резина (ГОСТ 7333—55). Она под-
разделяется на пять типов: кислотощелочестойкая, теплостойкая,
мор.озостойкая, маслобензостойкая и пищевая. Для работы при
повышенных давлениях среды прокладки изготовляют из резин
с прослойкой из хлопчатобумажной ткани или металлической
проволоки.
Резине свойственна упругая (высокоэластическая) деформа-
ция, пределы практически обратимой деформации резины в 20—
30 раз больше, чем у стали. Ее способность к упругим деформациям
зависит от температуры. Высокой объемной упругостью резина
напоминает жидкость.
В расчетах резину с достаточной точностью можно принимать
несжимаемой. Чтобы она могла сжиматься в одном направлении,
необходимо предусмотреть возможность ее расширения в других
направлениях.
Для правильного выбора резины как конструкционного ма-
териала и обоснованного гарантирования надежной работы про-
кладок в соответствии с заданными условиями необходимо,
87
во-первых, знать механизм уплотнения резиновыми прокладками
в различных уплотнительных узлах и, во-вторых, сообразовать
изменение уплотнительной способности прокладок с изменением
высокоэластичных свойств резины.
Наиболее часто применяемый тип уплотнений фланцевых со-
единений — резиновые прокладки прямоугольного поперечного се-
чения, вырубаемые из пластин или получаемые формовым спосо-
бом. Они могут использоваться во фланцевых соединениях с пло-
скими уплотнительными поверхностями с затворами выступ-
впадина и шип-паз.
§ 14. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО УПЛОТНЕНИЮ ЗАТВОРОВ
РЕЗИНОВЫМИ ПРОКЛАДКАМИ
Для уплотнения затворов фланцевых соединений применяют
обычно круглые прокладки с прямоугольной формой поперечного
сечения. При сборке фланцевого соединения прокладку обжимают,
при этом она заполняет все
Рис. 61. Зависимость удельного
давления от степени сжатия про-
кладки, изготовленной из резины
с разными модулями упругости.
/ — при Е — 17,6-10й н/м^', 2 — при
Е = 34,3-105 н/м2\ 3 — при Е —
= 39,2-10& w/№; 4 — при Е = 59,8 :
v Ю5 н/м2.
неровности на уплотнительных по-
верхностях фланцев, что способ-
ствует созданию герметичности за-
твора. Таким образом, удельное
давление обжатия прокладки яв-
ляется основной величиной, ока-
зывающей влияние на уплотняю-
щие способности резиновой про-
кладки. В свою очередь, удельное
давление обжатия прокладки зави-
сит от модуля упругости резины.
Если известна зависимость сте-
пени деформации от удельного
давления на прокладке, можно
задаваться не удельным давлениме
обжатия, а степенью сжатия про-
кладки. На рис. 61 показано за-
висимость между степенью дефор-
мации и удельным давлением для
прокладок 0 44•10 3 X 24•10 3 м
и толщиной 9 • 10“ 3 м, изготовлен-
ных из резин с различной твердостью. Как видно из графика,
удельное давление обжатия прокладки зависит от твердости ре-
зины, из которой она изготовлена. Таким образом, чем больше
твердость резины (модуль упругости), тем большее удельное давле-
ние обжатия требуется для сжатия ее на определенную величину.
На основании результатов испытаний прокладок, приведенных
на рис. 61, производился расчет модуля упругости прокладки.
Испытания на герметичность проводились в приспособлениях,
имитирующих фланцевые соединения с незащищенным и защи-
щенным затворами. Прокладку обжимали до определенной степени
88
деформации и после этого подавали сжатый воздух до нарушения
герметичности затвора соединения. Нарушение герметичности оп-
ределялось по появлению пузырьков воздуха в ванне с водой,
куда опускалось фланцевое соединение. Затем увеличивали сте-
пень деформации и вновь подавали воздух и так до тех пор, пока
давление воздуха не достигало 120 • 105н/ж2. Зависимость степени
сжатия прокладки от давления воздуха, при котором сохраняется
герметичность затвора, приве-
дена на рис. 62. Как видно из
рисунка, при одинаковой сте-
пени деформации прокладка,
изготовленная из более твердой
резины, обеспечивает герметич-
ность затвора при более высо-
ком давлении воздуха.
Свойства резиновых про-
кладок лучше характеризует
зависимость удельного давле-
ния обжатия прокладки от дав-
ления сжатого воздуха (рис. 63).
Вначале все точки имеют не-
большой разброс, но затем про-
исходит их упорядочение и они
располагаются на одной пря-
мой, несмотря на то, что про-
кладки изготовлены из резин
с разными модулями упруго-
сти. Первоначальный разброс
точек не очень резко выражен
(как например, у металлических
Рис. 62. Зависимость степени сжатия
прокладки от давления воздуха.
1 — при Е = 17,6-105 н/м?\ 2 — при
Е = 34,3-105 н/л*; 3 — при Е = 39,2 X
X 105 н/м?\ 4 — при Е = 59,8-105 н/ти2.
р — в н/м?.
прокладок). Это можно объяснить способностью резины заполнять
неровности уплотнительных поверхностей при небольших значе-
ниях удельного давления обжатия прокладки, а также высокой
эластичностью резиновых прокладок, в результате чего при де-
формации, достигающей ИЬ—2й°Ь, обеспечивается достаточная гер-
метичность затвора.
С увеличением степени деформации прокладки прекращается
и диффузионное течение через саму прокладку. Однако обжатие
не способствует увеличению плотности самой прокладки, как это
наблюдалось у паронитовых и асбестовых. Нарушение герметич-
ности затвора с резиновыми прокладками происходит после того,
как прокладка теряет устойчивость, т. е. когда величина радиаль-
ных сил, равных произведению давления среды на поверхность,
ограниченную толщиной прокладки по периметру ее внутреннего
отверстия, становится больше сил трения.
Величина силы трения равна произведению удельного давле-
ния на прокладке в рабочих условиях на площадь поверхности
89
прокладки и коэффициент трения. При действии внутреннего дав-
ления рабочей среды удельное давление на прокладке снижается,
увеличение удельного давления обжатия прокладки ограничено
оптимальной степенью сжатия (15—35%). Следовательно, для уве-
личения сил трения целесообразно увеличить коэффициент трения,
для чего на уплотнительных поверхностях вытачивают кольцевые
канавки пли применяют относительно широкие прокладки. Если
по конструктивным соображениям нельзя обеспечить требуемых
сил трения в соединении с незащищенным затвором, применяют
соединение с защищенным затвором.
Рис. 64. Схема возникнове-
ния эффекта самоуплотнения
в защищенном затворе с су-
хими уплотнительными по-
верхностями.
РЮ^.н/и3
Рис. 63. Зависимость удельного давления
на прокладке от давления воздуха.
О — при Е = 60-105 н/мг\ • — при Е — 80 X
. X 105 и/л«2; 4---при Е= J8-105 н/м2.
При уплотнении защищенного затвора резиновой прокладкой
между прокладкой и наружной стенкой паза или впадины обя-
зательно будет зазор ДО (см. рис. 92). Этот зазор уменьшится
и совсем исчезнет при обжатии прокладки вследствие того, что
она примет бочкообразную форму, или потеряет устойчивость.
После того, как прокладка заполнит зазор, по мере роста дав-
ления рабочей среды начнет увеличиваться удельное давление.
Силы давления рабочей среды будут сжимать прокладку в ради-
альном направлении, а поскольку резина несжимаема, она будет
передавать давление на уплотнительные поверхности фланцев и
наружную стенку паза или выступа, улучшая тем самым контакт
прокладки с металлом. Лучший контакт позволит обеспечить гер-
метичность затвора при больших давлениях воздуха.
Возникновение эффекта самоуплотнения схематически изо-
бражено на рис. 64. Точка В соответствует началу самоуплотнения.
Величина отрезка ОА, равная удельному давлению начала само-
уплотнения с, зависит от модуля упругости прокладки и зазора
между прокладкой и стенкой паза или выступа ДО. Длина участ-
90
ка ОД характеризует скачкообразное смещение прокладки под
действием давления рабочей среды. Величина отрезка ОД зависит
от жесткости прокладки и величины зазора ДО.
Из рис. 65 видно, что при одной и той же величине зазора ДО
(1 • 10-3лг) между прокладкой по ее наружному диаметру и стенкой
паза длина участка ОД (рис. 64) различна для каждой прокладки
[2]. Так, наибольшие значения удельного давления самоуплотне-
ния и длины участка ОД наблюдаются у прокладок, изготовленных
из резины с модулем упру-
гости 58,8-105 н/м2, а наи-
меньшие — у прокладок, из-
готовленных из резины с мо-
дулем упругости 13,2 ,
>< 105 н/м2. Следовательно,
для уплотнения защищенных
затворов целесообразно при-
менять прокладки, изгото-
вленные из резин с низким
модулем упругости, так
как эффект самоуплотнения
в этом случае наступит рань-
ше и герметичность защи-
щенного затвора будет на-
дежнее. Следует учитывать,
что чем меньше зазор ДО,
тем меньше длина участ-
ка ОД, а при отсутствии за-
зора участка ОД не будет.
Это очень важно для прак-
Рис. 65. Зависимость удельного давления
на прокладке от давления воздуха.
1 — при Е = 13,2-Ю5 2 — при Е —
= 27.4Ю5 н/м2', 3 — при Е — 38,2-105 н/м2\
4 — при Е — 58,8-105 н/м2.
тики, так как при относи-
тельно большом зазоре может наступить такой момент,
когда‘удельное давление на прокладке уменьшится вследствие
ее радиального смещения и, еще не достигнув стенки паза, не
будет обеспечен контакт резины с металлом, при котором сохра-
няется герметичность затвора. Другими словами, удельное давле-
ние на прокладке может быть меньше удельного давления начала
самоуплотнения.
В случае применения смазки на силиконовой основе при уплот-
нении затвора резиновой прокладкой процесс возникновения са-
моуплотнения несколько отличается от рассмотренного на рис. 64.
Как видно из рис. 66, удельное давление на прокладке снижается
по прямой АД из-за радиального смещения прокладки под дей-
ствием рабочей среды.
Если прокладка установлена в защищенный затвор, снижение
удельного давления на прокладке прекратится после того, как
прокладка коснется стенки паза (этому моменту соответствует
точка В). Дальнейшее повышение давления рабочей среды приведет
91
к возникновению эффекта самоуплотнения. Ордината точки В
соответствует удельному давлению начала самоуплотнения qH с
и зависит от модуля упругости прокладки, а абсцисса этой точки —
давлению среды начала самоуплотнения рн. с. Обе эти величины
в свою очередь зависят от величины зазора ДО. В дальнейшем по
мере увеличения давления среды увеличивается и удельное давле-
ние на прокладке (прямая ВС). Это
удельное давление назовем удельным
давлением самоуплотнения qc.
Как и в случае с сухими уплот-
нительными поверхностями следует
учитывать, что при относительно
большом зазоре может наступить
такой момент, когда удельное давле-
Рис. 66. Схема возникновения эффекта
самоуплотнения в защищенном и полу-
защищенном затворах со смазанными
уплотнительными поверхностями.
Рис. 67. Зависимость удель-
ного давления на прокладку
со смазкой от давления воз-
духа.
1 — при до = з, 1 ю-3 м; 2 —
при ДО = 2,1 103 м; 3 — при
ДЫ= 1,5 10-3 м', 4 — при ДО=0:
5 — при ДО = 0,5-10-3 6 —
при ДО = 1,1-10~3 м.
ние на прокладке в рабочих условиях станет меньше требуемой
величины, а прокладка еще не коснется стенки паза. Поэтому
при расчете нужно учитывать увеличение размера обжатой про-
кладки, помня при этом, что неограниченное сжатие прокладки
недопустимо из-за возможного усталостного разрушения и «хими-
ческого» течения резины под большими нагрузками.
Подтверждением схемы возникновения эффекта самоуплотнения
может служить рис. 67, из которого видно, что при отсутствии
зазора AD, удельное давление на прокладке увеличивается по
мере роста давления среды. Оно снижается при наличии зазора
(прокладки были изготовлены из резины с модулем упругости
13- 10Б н/м2 при различной величине зазора). Результаты, при-
веденные на рис. 67, подтверждают также, что координаты начала
эффекта самоуплотнения (точка В, см. рис. 66) зависят не только
92
от модуля упругости прокладки, но и от величины зазора. Следо-
вательно, наилучшим условием для создания эффекта самоуплот-
нения является отсутствие зазора AD.
Интересно рассмотреть зависимость удельного давления начала
самоуплотнения от давления воздуха при постоянном зазоре \D =
J 2-Ю-3 м для прокладок со смазанными поверхностями, изго-
товленных из резин с разными модулями упругости (рис. 68).
Как и следовало ожидать,
Рис. 68. Зависимость удельного
давления на прокладку со смазкой
от давления воздуха при постоян-
ном зазоре = 2-10~3 м.
1 — при Е = 13.2- 10s н/л2; 2 — при
Е = 27,4-105 и/лг2; 3 — при Е = 38,2 X
Х10г> н/м2', 4 — при Е — 58,8-10“ н!м?.
вначале происходит сниже-
ние удельного давления на
прокладке, затем при опре-
деленном давлении воздуха
заканчивается радиальное
смещение прокладки и возни-
Рис. 69. Влияние модуля
упругости резины на удель-
ное давление ?н.с(/) и да-
вление воздуха начала само-
уплотнения рн. с (2).
------ смазанные;-------су-
хие уплотнительные поверхно-
сти.
кает эффект самоуплотнения. Величина удельного давления начала
самоуплотнения qu. с зависит от модуля упругости прокладки.
Давление среды, при котором начинается самоуплотнение рн.с,
зависит от жесткости прокладки и величины зазора.
Зависимость удельного давления начала самоуплотнения qH.c
и давления воздуха рн.с от модуля упругости резины, из которой
изготовлена прокладка, при постоянном зазоре приведена на
рис. 69. Как видно, чем жестче резина, тем больше qH.c и рк. с.
Значения этих величин при наличии смазки на прокладке значи-
тельно ниже по сравнению с сухими прокладками. Это объяс-
няется тем, что при наличии смазки герметичность затвора
достигается при меньшем значении удельного давления обжатия
прокладки, вследствие чего и </„.<. будет меньше, чем у сухих про-
кладок. У прокладок со смазкой эффект самоуплотнения наступает
Раньше, так как трение значительно меньше, чем у сухих, и рн. с
93
в результате получается значительно меньшей величины. Кроме
того, наличие смазки в большей степени способствует снижению
трения, а следовательно, и большему уменьшению рн.с, чем умень-
шению qK. с. Этим объясняется и расположение прямых на рис. 69
для прокладок со смазкой. Прямая 2, характеризующая влияние
модуля упругости на величину давления воздуха, расположена
ниже, чем аналогичная зависимость для q,.с сухих прокладок, где
прямая 2 расположена выше, чем прямая /. Сравнивая рис. 65 и 68,
можно видеть четкую разницу значений рп. с в случае смазанных
и сухих поверхностей прокладок при прочих равных условиях.
Учитывая сказанное, практически гораздо целесообразнее
устанавливать прокладки со смазанными поверхностями, так как
в этом случае требуются значительно меньшие удельные давления
обжатия и эффект самоуплотнения возникает при меньших зна-
чениях qUi с и ри. с.
Влияние низких температур на резиновые прокладки
Резиновые прокладки при эксплуатации и хранении могут на-
ходиться под действием низких температур. В этих условиях про-
кладки должны обеспечивать надежную герметичность затвора.
удельного давления от
степени сжатия про-
кладки.
/ — при температуре 293° К;
2 — при температуре 233° К;
3 — при температуре 213° К-
Рис. 71. Изменение удельного давления на
прокладке, обжатой при 293° К, при сниже-
нии температуры.
1 — на прокладке из мягкой резины; 2 г- на про-
кладке из жесткой резины.
смещению (рис. 70). Следовательно, прокладка будет обеспечивать
герметичность при более высоком давлении воздуха. Необходимо
учитывать, что при понижении температуры происходит снижение
удельного давления на прокладке. Как видно из рис. 71, на про-
кладках, изготовленных из жесткой резины, удельное давление сни-
жается резко и достигает нуля при температуре, близкой к темпе-
94
ратуре морозостойкости, а на прокладках, изготовленных из мяг-
кой резины, снижение удельного давления происходит плавно.
Следует ожидать, что с понижением температуры герметичность
затвора будет нарушаться при значительно меньших давлениях
воздуха, чем при нормальной температуре (293е К). Однако ре-
зультаты, приведенные на рис. 72, показывают, что при одина-
ковой степени сжатия прокладки с понижением температуры гер-
метичность обеспечивается при более высоких давлениях воздуха.
Так, прямая 1 характеризует герметичность затвора при темпера-
туре 293° К, а прямая 4 — при температуре 213е К (герметичность
затвора в этом случае была
обеспечена при давлении воз-
духа, превышающем в шесть-
семь раз давление воздуха при
температуре 293е К). При даль-
нейшем понижении температуры
герметичность затвора резко
ухудшилась и прямая 5, харак-
теризующая герметичность за-
твора при температуре 203° К,
расположилась левее прямой 1.
Рис. 72. Зависимость между степенью
сжатия прокладки и давлением воздуха
при разных температурах.
Как видно, при температуре
203 К происходит ухудшение
уплотнительных свойств про-
кладки.
Температуру, при которой
была достигнута герметичность
1, 2, 3, 4, 5 — при температурах 293, 253,
233, 213, 203° К соответственно.
при наибольшем давлении рабочей среды, назовем критической Ткр.
В данном случае Ткр -- 213° К (рис. 72). При дальнейшем пони-
жении температуры происходит нарушение герметичности затвора,
а при достижении температуры стеклования резины прокладки
практически полностью теряют эластичность и восстанавливае-
мость высокоэластической деформации снижается до 1—2%.
Повышение уплотнительной способности резиновых прокладок
при низкой температуре объясняется тем, что при снижении тем-
пературы от 293° К до критической (в нашем случае до 213° К)
модуль сжатия увеличивается почти в шесть раз, удельное давле-
ние обжатия прокладки уменьшается в два раза, а давление воз-
духа, при котором обеспечивается герметичность затвора, увели-
чивается в шесть-семь раз по сравнению с давлением воздуха при
температуре 293° К. Вблизи температуры стеклования Тсг де-
формация резины в значительной степени «заморожена» и при
дальнейшем охлаждении начинает проявляться различие в теп-
ловых усадках металла и резины. Более быстрая тепловая усадка
резиновой прокладки ведет к резкому снижению удельного дав-
ления на прокладке (см. рис. 71) и полной потере герметично-
сти затвора. Температура, при которой происходит нарушение
95
герметичности, как правило, для большинства резин несколько
выше температуры стеклования Т„, для некоторых резин она сов-
падает, но ниже не бывает, так как процесс стеклования резин про-
исходит не всегда при одной строго определенной температуре.
Как это видно из рис. 73, понижение температуры до опре-
деленных значений не ухудшает уплотнительных свойств про-
кладок. Вплоть до критической температуры давление воздуха,
при котором обеспечивается герметичность затвора, возрастает.
Таким образом, герметичность затвора не зависит от удельного
давления обжатия.
Рис. 73. Зависимость давления воз-
духа от температуры стеклования
резины.
1 — на прокладке из жесткой резины;
2 — на прокладке из мягкой резины.
Рис. 74. Зависимость давления
воздуха от температуры и со-
стояния уплотнительных поверх-
ностей.
1 — для прокладок без смазки;
2 — для прокладок со смазкой.
Давление воздуха, при котором обеспечивается герметичность
затвора, зависит от температуры. Причем характер этой зависи-
мости для сухих и смазанных поверхностей прокладок различный
(рис. 74). Так, у сухих прокладок с понижением температуры дав-
ление воздуха, при_котором обеспечивается герметичность затвора,
возрастает, а после достижения температуры, близкой к темпера-
туре стеклования резины, резко падает. Это объясняется главным
образом повышением жесткости прокладки, а следовательно, и
повышением сопротивления радиальному смещению. У прокладок
со смазкой давление воздуха, при котором обеспечивается герме-
тичность затвора, вначале снижается, а после достижения темпе-
ратуры, близкой к температуре стеклования, модуль упругости
резко увеличивается и давление воздуха несколько повышается.
Изменение давления сжатого воздуха вначале снижения темпера-
туры объясняется тем, что благодаря смазке, уменьшается коэф-
фициент трения и снижается удельное давление на прокладке,
а вследствие этого уменьшается радиальное сопротивление про-
кладки и происходит нарушение герметичности затвора. После
96
достижения температуры стеклования резины давление воздуха
плавно снижается. Таким образом можно сказать, что смазка
прокладок улучшает герметичность затвора.
Влияние остаточной деформации на высокоэластическую
восстанавливаемость резины при низких температурах
При эксплуатации или хранении резиновых прокладок в сжа-
том состоянии в результате накопления остаточной деформации
происходит ухудшение уплотняющих свойств, которое приводит
к снижению удельного давления на прокладке и возможному на-
рушению герметичности затвора.
Рис. 75. Характер изменения относительного удельного давле-
ния в течение времени при воздействии высоких температур.
/, 2, 3, 4 — при температурах 323, 343, 353, 363° К соответственно.
Известно, что высокоэластическая восстанавливаемость рези-
новых ‘прокладок уменьшается с течением времени и понижением
температуры. Такое явление вызвано «замораживанием» высоко-
эластической деформации.
На высокоэластическую восстанавливаемость резиновых про-
кладок при низких температурах может оказывать влияние на-
копление остаточной деформации при предварительном длитель-
ном хранении прокладок в напряженном состоянии (в процессе
постройки судна) при повышенных температурах. Процессы на-
копления остаточной деформации прн высоких температурах и
«замораживания» высокоэластической деформации при низких тем-
пературах приводят к уменьшению высокоэластической восста-
навливаемости прокладок.
На рис. 75 показан характер изменения относительного удель-
ного давления на прокладке в течение времени под действием вы-
соких температур. По оси абсцисс отложено время, по оси орди-
нат — относительное удельное давление. Удельное давление на
7
В. Б. Протопопов 895
97
прокладке, замеренное во время /, обозначено qt. Как видно,
наибольшее относительное изменение удельного давления на про-
кладке происходит в течение первых 100—150 час., в дальнейшем
оно изменяется незначительно Степень сжатия не оказывает влия-
ния на относительное изменение удельного давления на прокладке
(рис. 76).
Определение остаточной деформации в зависимости от срока
хранения и температуры показало, что эта зависимость для боль-
шинства резин аналогична.
Образцы подвергались сжатию при температуре 293° К на
20"о, затем их нагревали до 343 ’ К и разгружали после различных
Рис. 76. Зависимость изменения отно-
сительного удельного давления от сте-
пени сжатия при температуре 343° К.
сроков хранения при этой тем-
пературе. Относительная оста-
точная деформация
%™ (25)
где
%ет ^4^100; (26)
в 4^ |0°- (27)
Поскольку остаточная деформация снижает высокоэластпче-
скую восстанавливаемость прокладки при высоких температурах,
когда процесс высокоэластического восстановления происходит
практически мгновенно, его характеризуют коэффициентом
| 8 ОСТ
(28)
или
(29)
где еост — остаточная деформация, %;
е—деформация сжатия, %;
h — исходная толщина прокладки, м;
hx —толщина сжатой прокладки (на 20%), м;
h2 — толщина прокладки после восстановления, Л;
/<j — коэффициент высокоэластичсской восстанавливаемо-
сти образца при высоких температурах.
Из рис. 77 видно, что при выдержке резины в сжатом состоянии
при температуре 343° К коэффициент уменьшается с течением
времени. Вначале уменьшение этого коэффициента происходит
более резко, а после выдержки резинй в течение 250 час. наблю-
дается плавное снижение.
Высокоэластическую восстанавливаемость в области низких
температур определяли при сжатии образцов на 20% и темпера-
98
туре 293 К с последующим охлаждением. Все замеры образцов
производились при низких температурах. Высокоэластическая
восстанавливаемость, характеризующая морозостойкость резины,
определяется по формулам
К2 = £эл , е ’ (30)
еэл ~ ha — . h ’ (31)
ha — К h — /z4 ’ (32)
где h3 — толщина прокладки после разгрузки при заданной низ-
кой температуре, м;
еэл — деформация, исчезнувшая после разгрузки в течение
3 мин., %;
K-i — коэффициент морозостойкости резины, зависящий от
температуры.
Изменение коэффициента морозостойкости в зависимости от
температуры показано на рис. 78, откуда видно, что он при пони-
жении температуры резко умень-
шается
Итоговый коэффициент высо-
коэластического восстановления,
Рис. 78. Зависимость коэф-
фициента морозостойкости К2
от температуры.
Рис. 77. Изменение коэффициента
высокоэластической восстанавли-
ваемости К\ в течение времени при
температуре 343° К-
учитывающий влияние выдержки прокладки в сжатом состоянии
при высокой температуре и последующее влияние низких темпе-
ратур, определяется по формуле
(33)
где /г4 — толщина прокладки, замеренная через 3 мин. после сня-
тия нагрузки при заданной низкой температуре, м.
В табл. 10 приведены значения коэффициента К3, полученные
опытным путем. При рассмотрении этих данных видно, что
7* 99
Таблица 10
Значения коэффициента Л’3 при различных сроках
выдержки резины в напряженном состоянии
Темпера- тура, °к Продолжительность выдержки резины при 343° К и 20%-ном сжатии, час.
6 100 250 500 600 750
253 0,71 0,54 0,47 0,39 0,36 0,34
243 0,54 0,49 0,37 0,31 0,30 0,30
233 0,20 0,13 0,12 0,12 0,12 0,10
предварительная выдержка резиновых образцов в сжатом состоя-
нии при температуре 343° К существенно влияет на высокоэласти-
ческую восстанавливаемость резины при низких температурах.
Величину итогового коэффициента восстанавливаемости Ка можно
определить как произведение коэффициента высокоэластической
восстанавливаемости после накопления остаточной деформации при
высокой температуре К, и коэффициента высокоэластической вос-
станавливаемости (морозостойкости) при низких температурах К2
Кз К.К2. (34)
Установлено, что значения коэффициента итоговой восстана-
вливаемости, полученные опытным и расчетным путями, совпа-
дают. Поэтому можно с достаточной для практики точностью опре-
делять К3 расчетным путем и отказаться от проведения сложных
опытов по его определению.
Следует отметить, что коэффициент высокоэластической вос-
станавливаемости прокладки зависит от величины удельного дав-
ления обжатия, которое снижается в процессе «химического» те-
чения резины при высоких и низких температурах.
Полученные опытным путем в процессе хранения резиновых
прокладок значения удельного давления и остаточной деформации
и их сопоставление показали, что
Kj = = — = —~е°ст , (35)
е
где q1 — удельное давление на прокладке в процессе хранения
в сжатом состоянии, н/м\
q0 — удельное давление предварительного обжатия прокладки
в начале хранения в сжатом состоянии (при мон-
таже), «Ли2.
Зависимость между коэффициентом' высокоэластической вос-
станавливаемости и относительным снижением удельного давления
на прокладке в процессе накопления остаточной деформации при
температуре 343° К прямо пропорциональная.
100
При понижении температуры значение удельного давления на
прокладке будет уменьшаться пропорционально коэффициенту
морозостойкости К2. Удельное давление на прокладке, которое
останется в результате накопления остаточной деформации при
высокой температуре и последующем снижении температуры,
можно рассчитать по формуле
<72 := ^1^2<7о Кз<7о- (36)
Следовательно, морозостойкость резиновых прокладок зависит
не только от морозостойкости резины, но и от степени накопления
остаточной деформации при хранении или эксплуатации прокла-
док при высоких температурах.
Расчет прокладок
При сборке фланцевого соединения прокладка испытывает
сложное сжатие, при котором ее боковая свободная поверхность
принимает бочкообразную форму вследствие сцепления ее с уплот-
нительными поверхностями (в результате трения). Существует
линейная зависимость между расчетным удельным давлением об-
жатия прокладки и относительным сжатием
<7о - -= £прЬ, (37)
где £пр — модуль упругости сжатия прокладки, н/м2-,
к — кратность деформации прокладки
£лр = Е (1 - <хФ), (38)
где Е — модуль упругости резины, н/м2-,
а — коэффициент, учитывающий трение (а^к2р);
р — коэффициент трения резины по металлу (р = 0,44-0,6
при 293° К);
Ф — коэффициент формы, равный отношению площади опор-
ной поверхности прокладки к площади ее боковой по-
верхности
Ф=4-, (39)
где b — ширина прокладки, м;
h — исходная толщина прокладки, м.
Степень сжатия прокладки задается из расчета 15—35% пер-
воначальной толщины
е --=^1 Ю0°/о, (40)
где /гг — толщина сжатой прокладки, м.
Усилие, необходимое для обжатия прокладки,
Qo = л£>ср<706, (41)
где £)ср — средний диаметр прокладки, м.
101
I
При конструировании и расчете прокладок следует учитывать
соотношение среднего диаметра и толщины прокладок.
При высоких температурах происходит накопление остаточной
деформации, которая способствует снижению высокоэластичсской
восстанавливаемости прокладки. Это влияние учитывается коэф-
фициентом высокоэластической восстанавливаемости, который оп-
ределяется по формулам (28) или (29).
Схема последовательности уплотнения защищенного затвора
резиновой прокладкой приведена на рис. 79.
Работоспособность прокладок определяется величиной конеч-
ных удельных давлений.
Рис. 79. Схема последовательности уплотнения защищен-
ного затвора резиновой прокладкой: а — до обжатия;
б — после обжатия; в, г — после смещения прокладки
под действием давления среды.
Степень изменения удельного давления на прокладке при воз-
действии низких температур зависит от высокоэластических
свойств резины при этих температурах и характеризуется коэф-
фициентом восстанавливаемости. С понижением температуры вы-
сокоэластическое восстановление уменьшается и при температуре
стеклования равняется нулю.
Температура, при которой высокоэластическое восстановление
прокладки достигает нуля, характеризуется коэффициентом моро-
зостойкости резины, из которой она изготовлена, определяемым
по формуле (30) или (32).
Суммарное влияние деформаций при хранении прокладки
в сжатом состоянии в условиях высоких температур и накопление _
при этом остаточной деформации, а также последующее воздействие
низких температур на прокладку учитывается итоговым коэффи-
циентом, определяемым по формуле (34).
Значение удельного давления на прокладке, которое останется
в результате накопления остаточной деформации при воздействии
высоких температур, определяется по формуле
71 = К17о- (42)
102
Расчет удельного давления на прокладке, которое останется
в результате накопления остаточной деформации при воздействии
высоких температур и последующем «замораживании» высокоэла-
стической деформации при низких температурах, можно произ-
водить по формуле (36).
Глубина канавки или толщина сжатой между плоскими флан-
цами прокладки с учетом допусков на толщину прокладки рас-
считывается исходя из заданной степени сжатия
Ч„-('<43>
йк = (1 -^М(й-с), (44)
ктах \ 100 / '
где hK . — глубина канавки с учетом нижнего допуска, м\
hK ах — глубина канавки с учетом верхнего допуска, м;
Ешах — максимальная деформация, %;
emin — минимальная деформация, %;
(й — с) — минимальная толщина прокладки с учетом нижнего
допуска, At;
(h г с) — максимальная толщина прокладки с учетом верх-
него допуска, м\
с — величина допуска на толщину прокладки, м.
I Ширина канавки под прокладку с учетом допусков рассчиты-
вается из условия равенства площадей сечений прокладки и ка-
навки
Площадь поперечного сечения канавки может быть больше пло-
щади поперечного сечения прокладки на 15%
byhy^hh; (45)
Ь
by .
*min
(Ь -Г q) (/г Ч- <-) .
(46)
max
1,15
(b — Ci) (h — с)
^хтах
(47)
где by — ширина канавки с учетом верхнего допуска, м\
by — ширина канавки с учетом нижнего допуска, м;
h — толщина прокладки, ж;
Ь — ширина прокладки, м\
с — величина допуска на толщину прокладки, м\
сг — величина допуска на ширину прокладки, м.
В зависимости от качества механической обработки уплотни-
тельных поверхностей фланцев образующиеся каналы имеют раз-
личные размеры. Деформируясь, прокладка заполняет микроне-
ровности на уплотнительных поверхностях, обеспечивая тем самым
герметичность соединения.
103
|||
После сжатия прокладки на 15—3596 контакт металл-резина
достигает достаточной герметичности и контактное натекание пре-
кращается.
Расчет прокладок на распор под действием гидростатического
давления в незащищенном затворе
Давление рабочей среды на внутреннюю цилиндрическую часть
прокладки в незащищенном затворе стремится вызвать ее пере-
мещение относительно уплотнительных поверхностей.
Величину силы гидростатического давления рабочей среды на
площадь, ограниченную внутренним диаметром прокладки, можно
подсчитать по формуле
Qr = лОв.п/гХр, (48)
где £>к. п — внутренний диаметр прокладки, ж;
X — кратность деформации, т. е. отношение толщины сжа-
той прокладки к ее исходной толщине
Х = А = 1-е, (49)
где е — относительная деформация, %;
h — исходная толщина прокладки, м;
11г — толщина сжатой прокладки, м.
Сила трения с учетом двух контактных поверхностей
Qtp — = (50)
где р — коэффициент трения (р = 0,4—0,6 при 293° К для су-
хих поверхностей);
Qo — усилие обжатия прокладки, н.
Герметичность затвора будет сохраняться до тех пор, пока
будет существовать, равновесие сил, приложенных к прокладке и
действующих в ее плоскости. Следовательно, нарушение герметич-
ности затвора произойдет при увеличении давления рабочей среды
до какой-то определенной величины. Величину давления рабочей
среды, до которой будет обеспечена герметичность соединения,
назовем максимальной.
Максимальную величину давления рабочей среды можно опре-
делить из условия
Qr - QTP = 0. (51)
Заменив Qr и QT„ их выражениями по формулам (48) и (50),
с учетом формулы (49) получим
104
Принимая во внимание формулу (37),
Ртах й (1 — е)2ОЕ. п 2’Ll£nP’ ^3)
где pmsx — наибольшее давление рабочей среды, при котором еще
будет обеспечена герметичность затвора, н/м2.
Уравнения (52) и (53) не учитывают влияния накопляемой оста-
точной деформации при высоких температурах и снижения высо-
коэластической деформации при низких температурах на умень-
шение удельного давления на прокладке. Поэтому при расчете
прокладок следует учитывать условия, в которых будет работать
прокладка. Если она работает при высоких температурах, в фор-
мулу (52) или (53) необходимо вводить коэффициент К±. учитываю-
щий влияние накопления остаточной деформации при высоких
температурах на снижение удельного давления обжатия про-
кладки.
При расчете прокладок, работающих при низких температурах,
в формулы (52) и (53) следует вводить коэффициент морозостой-
кости К2.
И, наконец, при расчете прокладок, которые будут подвер-
гаться воздействию высоких температур, а затем низких, в фор-
мулы (52) и (53) следует вводить итоговый коэффициент К3, учи-
тывающий влияние накопления остаточной деформации при вы-
соких температурах и последующего влияния низких температур
на высокоэластичсскую восстанавливаемость прокладки.
Из приведенных для расчета формул видно, что при заданных
размерах прокладки можно подобрать резину с соответствующим
модулем упругости или же при заданном модуле упругости вы-
брать соответствующие размеры прокладок для выполнения усло-
вия Ртах (расчетное) < ргаах (заданное).
Если нельзя выполнить этого условия, следует принимать кон-
струкцию соединения с защищенным затвором.
Расчет прокладок в соединениях с защищенным затвором
Особенность работы прокладки в соединениях с защищенным
затвором состоит в том, что при достижении давления рабочей
среды, превышающего расчетное значение, происходит радиаль-
ное смещение прокладки и она упирается в стенку паза или впа-
дины, которая препятствует ее дальнейшему смещению (см. рис. 79).
При радиальном смещении удельное давление на прокладке
снижается и чем больше зазор ДЙ между прокладкой по ее наруж-
ному диаметру и стенкой паза или впадины, тем значительнее это
снижение (см. рис. 92).
После того, как прокладка упрется в стенку паза или впадины,
она будет воспринимать, а затем передавать на уплотнительные
поверхности фланцев давление рабочей среды во все стороны равно-
мерно, подобно жидкости. Следовательно, будет увеличиваться
105
удельное давление на -прокладке и улучшаться герметичность за-
твора. Предельное давление рабочей среды в этом случае ограни-
чивается прочностью фланцев и болтов.
Герметичность затвора будет обеспечена при выполнении сле-
дующего условия:
<7,.. с > Р, (54)
где qu. с — удельное давление начала самоуплотнения, н/м2.
р — расчетное давление рабочей среды, н/м2.
Таким образом, после того, как прокладка коснется стенки
паза или впадины, начнется эффект самоуплотнения.
Удельное давление на прокладке, при котором начинается эф-
фект самоуплотнения, называется удельным давлением начала
самоуплотнения qH, с, а давление рабочей среды при этом — дав-
лением начала самоуплотнения р„. с.
Удельное давление на прокладке в процессе самоуплотнения
<7с = <7н.с с (Р — R), (55)
где <7„. с — удельное давление начала самоуплотнения, н!м2‘,
С — постоянная для резин с твердостью по Шору от 30 до
60 единиц (С 1);
R — упругое сопротивление прокладки радиальному сме-
щению, н/м2.
Как следует из уравнения (55), возникновение эффекта само-
уплотнения зависит от величины второго слагаемого. При R р
эффект самоуплотнения не возникает и расчет максимальной ве-
личины давления рабочей среды можно производить по форму-
лам (52) и (53).
Если R < р, начнется эффект самоуплотнения и тем раньше,
чем больше будет разность (р — R). Величина удельного давления
начала самоуплотнения q„. с может колебаться в диапазоне от ве-
личины удельного давления обжатия прокладки до нуля.
Как уже говорилось, эффект самоуплотнения начинается после
того, как прокладка окончательно сместится и будет заполнен
ранее существовавший зазор Д£> Чем -больше зазор, тем меньше
значение удельного давления начала самоуплотнения qH_ с и тем
больше значение упругого сопротивления прокладки радиальному
смещению R, так как упругое сопротивление прокладки увели-
чивается с увеличением радиальных деформаций.
Опытным путем установлены зависимости изменения удель-
ного давления начала самоуплотнения qn. с и упругого сопроти-
вления прокладки радиальному смещению R от величины зазора.
С учетом удельного давления обжатия прокладки и модуля ее
упругости удельное давление 7„. с можно определить по формуле
<7н.с = %(i-i,W); (56)
R = 0,36Enp/V, (57)
106
где N — коэффициент, учитывающий влияние зазора,
Л^-Д, (58)
ГПр
где V3 — объем между прокладкой в сжатом состоянии и стенкой
паза или впадины со стороны, противоположной дей-
ствию давления рабочей среды, м3;
17пр — объем прокладки, м3.
Объем прокладки остается постоянным и практически не меняется
при любых степенях сжатия. При обжатии прокладки ее боковые
поверхности принимают бочкообразную форму, т. е. меняется
форма поперечного сечения.
Используя уравнения (56) и (57), преобразуем выражение (55)
% <7С| (1 - 1,1N) + С (р - O,36Enp7V) (59)
или, учитывая, что
<7о — j _ е >
7с ^(1-1,17V) :-С(р-0,36£п1Л). (60)
Как видно из формулы (60), для создания условий, обеспечи-
вающих возникновение эффекта самоуплотнения, при изготовле-
нии прокладок, устанавливаемых во фланцевое соединение с за-
щищенным затвором, следует применять резины с низким модулем
упругости. В этом случае прокладка сместится при относительно
малом давлении среды, т. е. раньше возникнет эффект самоуплот-
нения, что позволит быстрее и надежнее создать герметичность
затвора. Чтобы ускорить возникновение эффекта самоуплотнения,
применяют смазку прокладок для резкого снижения коэффициента
трения и уменьшения устойчивости прокладки к радиальному
смещению. Если прокладки работают при высоких температурах,
при расчете удельного давления самоуплотнения в формулу (60)
следует вводить коэффициент Klt учитывающий влияние этих
температур.
При эксплуатации прокладок в условиях низких температур
надо вводить в формулу (60) коэффициент морозостойкости К2.
И, наконец, если прокладка при монтаже, хранении и эксплуа-
тации находится под действием высоких температур, а затем низ-
ких или наоборот, следует вводить итоговый коэффициент К3,
учитывающий влияние на удельное давление самоуплотнения на-
копления остаточной деформации при высоких температурах и
«замораживания» высокоэластического восстановления прокладки
при низких температурах. В этом случае формула (60) примет сле-
дующий вид:
7с -gr(l-1,17V) Кз С(р-0,36Е11рЖз)- (61)
107
При расчете прокладок для уплотнения фланцевого соединения
с защищенным затвором следует выбирать резину с твердостью
30—60 единиц, степень сжатия прокладки принимать равной 20—
25% и стремиться к уменьшению зазора Дй). Для максимального
снижения коэффициента трения целесообразно применять смазки
типа ЦИАТИМ-221, учитывая при этом, что смазка должна быть
инертной по отношению к рабочей среде, материалу прокладки
и уплотнительным поверхностям деталей соединения.
Расчет прокладок для соединений,
работающих в условиях вакуума
Резиновые прокладки находят применение и в затворах соеди-
нений, работающих в условиях вакуума. Протечка газа может
происходить двумя путями: натеканием газа через контакт резины
с металлом и диффузией через прокладку.
Натекание газа через контакт зависит от чистоты и точности
обработки уплотнительных поверхностей и степени сжатия про-
кладки при монтаже. С увеличением степени сжатия до 35% кон-
тактное натекание при температуре 293—300° К прекращается,
но с понижением температуры или длительной работе при высокой
температуре может возникнуть вновь. Учитывая это, необходимо
подбирать такие резины, которые сохраняли бы свои свойства в ус-
ловиях эксплуатации и хранения, и, кроме того, применять ваку-
умную смазку для повышения герметичности затвора.
Диффузионное натекание не зависит от состояния уплотнитель-
ных поверхностей Диффузия газа через резину характеризуется
величиной проницаемости, которая зависит от свойств резины и
размеров прокладки.
При выборе резины для изготовления прокладок следует учи-
тывать, что если прокладки должны работать в условиях низких
температур, лучше выбирать резину с большой морозостойкостью
в ущерб ее проницаемости, так как при понижении температуры
может возникнуть контактное натекание. При глубоком вакууме
происходит отсасывание летучих ингредиентов из резины, поэтому
необходимо применять специальные вакуумные резины, которые
содержат минимальное количество летучих ингредиентов. Кроме
того, лучше использовать соединения с защищенными затворами.
§ 15. КРУГЛЫЕ РЕЗИНОВЫЕ КОЛЬЦА
Кроме плоских резиновых прокладок, для уплотнения разъем-
ных соединений трубопроводов широко применяются различные
уплотнительные кольца (рис. 80), работа которых основана на
принципе самоуплотнения. Они хорошо себя зарекомендовали
в условиях вибрационных нагрузок при давлении рабочей среды
до 1000-105 н/м2.
108
Важным преимуществом соединений с круглыми кольцами
является то, что они не требуют больших усилий затяга, так как
затяг болтов производится только для обеспечения контакта между
фланцами. Кроме того, усилие затяга болтов должно компенсиро-
вать разжимающее усилие гидростатического давления рабочей
среды на площади, ограниченной средним диаметром кольца.
Рис. 80. Конструкции резиновых колец: а — круглое; б — ква-
дратное с выточками; в—треугольное; г — Х-образное; д—пря-
моугольное.
Установка круглых колец позволяет избежать загрязнения
фильтров, насосов-и других аппаратов и, таким образом, обеспе-
чить их работу без повреждений. Для поддержания герметичности
соединения не требуется периодически подтягивать гайки.
Для колец, применяемых в ка-
честве прокладок, канавки во
фланцах выполняют обычно пря-
моугольной. формы.
Прямоугольную канавку мож-
но вырезать наполовину в одном
фланце и наполовину во втором
или полностью в любом из пары
фланцев-(рис. 81).
В настоящее время имеется
множество конструкций фланце-
Рис. 81. Фланцевое соединение,
уплотненное резиновым кольцом
круглого сечения: а — канавка
в обоих фланцах; б — канавка
в одном фланце.
вых соединений с круглыми коль-
цами. Угловая канавка (рис. 82, б)
используется в случае, когда боль-
шое значение придается легкости
обработки и связанному с этим
уменьшению расходов. В неко-
торых из этих конструкций канавки для удобства обработки и
уменьшения стоимости имеют треугольную форму (рис. 82, в).
При конструировании соединений с основанием в виде ласточ-
кина хвоста объем канавки выполняется больше объема уплотни-
тельного кольца на 30—35% (рис. 82, г). Эта величина зависит
от размеров и допусков колец и канавок. Такие соединения при-
меняются в топливных системах и системах гидравлики.
109