Уплотнения могут сильно влиять на энергоэффективность, поскольку они являются барьером между областями повышенного давления в гидроцилиндре и находятся в непосредственном контакте с подвижными деталями (штоком поршня и поршнем).

Уплотнения создают силы трения, которые противодействуют движению и уменьшают выходную мощность. Однако увеличение трения не только снижает выходную мощность, оно приводит и к повышению рабочих температур, что сокращает срок службы всей гидравлической уплотнительной системы. Кроме того, повышение температуры влияет на свойства смазочного материала, особенно на вязкость масла, что приводит к ухудшению смазочных свойств и снижению выходной мощности. Помимо этого, изменения коэффициента трения, известные как прерывистое скольжение, могут влиять на точность позиционирования и (или) создавать шум.

Устойчивая гидравлическая система не должна иметь, а также обладать максимально возможными межремонтными интервалами. С точки зрения уплотнений это может быть достигнуто путём выбора наилучшей уплотнительной системы, позволяющей добиться максимальной эффективности, т. е. системы, которая состоит из уплотнений штока и поршня, а также направляющих эл-ментов и статических уплотнений. Поэтому для создания высокоэффективной уплотнительной системы необходимо не только понимать классификацию типов уплотнений, но и хорошо знать, как взаимодействуют эти различные уплотнения.

Эта статья посвящена уплотнениям штока, используемым в гидравлических системах (например, в экскаваторах).

В частности, взаимодействие между вторичным и первичным уплотнением штока было тщательно изучено на собственных испытательных стендах SKF, а также в ходе анализа методом конечных элементов. Результатом этих исследований стали два новых вторичных уплотнения штока SKF с оптимизированным коэффициентом трения.

Система гидравлических уплотнений штока и основные функции уплотнений

Уплотнительная система в гидроцилиндре обычно включает вторичное уплотнение штока, первичное уплотнение штока и грязесъёмник

Основные функции вторичного уплотнения штока, первичного уплотнения штока и грязесъёмника:

Поглощение скачков давления в системе, которые могут повредить первичное уплотнение штока

Обеспечение возможности маслу проходить через уплотнительную кромку для смазывания первичного уплотнения штока и грязесъёмника.  Сброс промежуточного давления между вторичным и первичным уплотнением штока, когда давление в системе ниже промежуточного давления, чтобы предотвратить образование ловушки давления.

В сочетании с вторичным уплотнением первичное уплотнение штока должно обеспечивать выполнение следующих функций:

• Предотвращение утечек за счёт уменьшения толщины смазочной плёнки и обеспечение возврата смазочного материала внутрь системы
• Выравнивание толщины смазочной плёнки как для минимизации утечек, так и для снижения трения
• Поглощение возможного промежуточного давления

Грязесъёмник должен выполнять следующие основные функции:

• Защита от всех видов загрязнений, поступающих из окружающей среды
• Предотвращение утечек благодаря возможности возвращать смазочный материал обратно в систему
• Сброс возможного промежуточного давления между уплотнением штока и грязесъёмни-ком

Типы вторичных уплотнений штока

Для выполнения вышеупомянутых функций вторичного уплотнения штока и достижения высокой эффективности системы уплотнений штока вторичное уплотнение должно быть спроектировано таким образом, чтобы обеспечить наличие некоторой смазочной плёнки под первичным уплотнением штока и грязесъёмником.

Как правило, на рынке представлены вторичные уплотнения двух типов, работающие в соотве-ствии с одним из двух принципов.

Первый тип называется «вторичное уплотнение с высоким уплотнительной способностью». Здесь основное внимание уделяется уменьшению толщины смазочной плёнки до минимума и, следовательно, предотвращению повышения давления на первичном уплотнении штока.

С одной стороны, применение этой концепции предотвращает экструзию и (или) износ первичного уплотнения штока из-за повышения давления, но, с другой стороны, это вызывает недостаточное смазывание уплотнения штока, что приводит к увеличению трения, возможному возникновению прерывистого скольжения и повышению температуры системы.

Второй тип называется «вторичное уплотнение с оптимизированным коэффициентом трения».

 Применение этой концепции позволяет смазочной плёнке определённой толщины проходить за кромку уплотнения и обеспечивает достаточное смазывание первичного уплотнения штока. С одной стороны, применение этой концепции может привести к возможному возникновению промежуточного давления за вторичным уплотнением, которое должно отводиться от первичного уплотнения штока, но, с другой стороны, это обеспечивает снижение трения всей системы уплотнений штока, что приводит к увеличению срока службы и повышению энергоэффективности.

SKF провела сравнение обоих типов вторичных уплотнений штока на собственных испытательных стендах, и мы обнаружили, что у обеих концепций есть своя ниша на рынке. Тем не менее, SKF уделяет особое внимание разработке вторичных уплотнений с оптимизированным коэффициентом трения для достижения максимальной эффективности.

1.1  Вторичные уплотнения штока SKF с оптимизированным коэффициентом трения
SKF разработала два совершенно новых вторичных уплотнения штока с оптимизированным коэффициентом трения.

1.2  Уплотнение HDB оптимизировано для использования в тяжёлых условиях эксплуатации, в нём используется упорное кольцо из термопласта для предотвращения экструзии.

1.3  Уплотнение RDB предназначено для использования в условиях средней нагрузки, в нём используется высокоэффективный твёрдый полиуретановый материал. Оба типа вторичных уплотнений штока успешно прошли проверочные испытания.

4: Новые вторичные уплотнения штока SKF с оптимизированным коэффициентом трения: HDB (слева) и RDB.

1.2 Факторы, влияющие на энергоэффективность при использовании уплотнений штока
Как было указано во введении, на энергоэффективность уплотнений штока в гидравлической системе влияют несколько факторов. Чтобы добиться высокой эффективности системы уплотнений штока, трение, создаваемое уплотнениями, должно быть минимальным. Но что влияет на трение уплотнений?

Чтобы выяснить это, необходимо внимательно осмотреть зону контакта между уплотнением и подвижной деталью, с которой оно контактирует. Влияющие факторы могут быть полностью объяснены уравнением Рейнольдса. Согласно этому уравнению, на течение тонкой смазочной плёнки между двумя поверхностями влияют скорость, градиент распределения контактного давления и вязкость смазочного материала. Чем меньше толщина смазочной плёнки, тем выше вероятность увеличения трения.

Исследования на испытательных стендах

Конфигурация испытательного стенда.

Испытательный стенд состоит из испытательной камеры под давлением, включающей вторичные и первичные уплотнения штока, а также статические уплотнения и направляющие элементы. Испытательный стенд также оснащён подвижным штоком поршня (с электрическим приводом), гидравлическим устройством для создания давления и системой определения силы трения на основе датчика давления.

Целью при определении цикла испытаний было проверить все функции вторичного уплотнения штока, но при этом максимально приблизиться к использованию уплотнения в реальных условиях. Программа испытаний включает следующие этапы:

• Этап приработки для установления постоянных условий пуска для каждого уплотнения, чтобы гарантировать корректное сравнение
• Этап предварительной работы для оценки таких характеристик, как поглощение скачков давления или время возникновения промежуточного давления
• Этап длительной работы для оценки таких характеристик, как износостойкость или стойкость к экструзии
• Заключительный этап для оценки характеристик по мере старения уплотнения

Результаты и обсуждение

Вторичные уплотнения штока для тяжёлых условий эксплуатации (например, в экскаваторах) — новые уплотнения SKF HDB
Новое вторичное уплотнение штока HDB в сочетании с первичным уплотнением штока S1S оценивалось в ходе программы ресурсных испытаний и сравнивалось с эталонным комплектом уплотнений штока, состоящим из вторичного уплотнения с высокой уплотнительной способностью в сочетании с каучуковым U-образным уплотнением со встроенным упорным кольцом в качестве первичного уплотнения штока.

Это означает, что эталонный комплект был повреждён во время длительного цикла испытаний из-за более высоких рабочих параметров, вызванных повышенным трением. Комплект SKF показывает довольно стабильную и низкую силу трения, что является показателем исправной работы системы уплотнений в долгосрочной перспективе.

 Вторичные уплотнения штока для использования в условиях средней нагрузки (например, в вилочных погрузчиках) — новые уплотнения SKF RDB

Уровень трения уплотнения SKF RDB и наиболее распространённого вторичного уплотнения штока из PTFE с пружинным элементом из каучука в ходе предварительного и заключительного этапов испытаний, а также анализ разреза уплотнения после завершения полного ресурсного испытания. Оба вторичных уплотнения испытывались в сочетании с одинаковым первичным уплотнением штока.

Вторичное уплотнение из PTFE показывает относительно низкий уровень трения. Элемент из PTFE показывает экструзию в обоих направлениях, потому что он был герметичен в обоих направлениях и не сбрасывал промежуточное давление. Как следствие, первичное уплотнение штока также показало некоторую экструзию, что подтверждает неэффективность вторичного уплотнения из PTFE в отношении снижения скачков давления во время ресурсного испытания.

Снижение трения между заключительным и предварительным этапами испытаний меньше по сравнению с вторичным уплотнением из PTFE, что является результатом увеличения износостойкости и стойкости к экструзии уплотнительного кольца из твёрдого полиуретана.

Поэтому SKF рекомендует использовать уплотнение RDB только в условиях средней нагрузки, где приоритет отдаётся экономичности.

Выводы и заключение

В этой статье освещены основные функции уплотнений штока, а также различные принципы работы вторичных уплотнений штока. Влияние вторичных и первичных уплотнений штока на эффективность гидравлической системы можно подробно объяснить с помощью результатов исследований на собственных испытательных стендах SKF.

Результаты наглядно демонстрируют, что очень важно выбрать правильный тип вторичного уплотнения штока в зависимости от рабочих параметров. Если вторичные уплотнения с уплотнительной кромкой и упорным кольцом из термопласта (HDB) могут использоваться вплоть до очень высоких давлений, то уплотнения с уплотнительным кольцом и пружинным элементом (RDB) имеют ограничения по стойкости к экструзии. В частности, использование материалов из низкокачественного PTFE может привести к недопустимой экструзии. Поэтому такие типы уплотнений следует использовать только в системах со средней нагрузкой.

Источник информации-Evolution-деловой и технический журнал фирмы SKF.