3.0. УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ
Если мы хотим создать разницу давлений между двумя разными участками в гидравлических системах, возникает необходимость в герметизации.
Как видно на диаграмме-1, в зависимости от требуемой разницы давлений в зазоре между штоком и цилиндром возникает утечка.
Где перепад давления = ΔP
Если ΔP = P1-P2
Q, расход масла из зазора «S» будет равен
Q = π.d. ΔP.S3 / 12 мкл
Где, Q = расход μ = вязкость
В реальных условиях зазор «S» между обеими сторонами штока поршня не всегда одинаков. Из-за радиальных сил может быть чрезмерный контакт с одной стороны. Это означает, что зазор «S» будет увеличиваться с одной стороны.
Если мы посмотрим на приведенную выше формулу, зазор «S» показывает двукратное увеличение, которое пропорционально объему в кубе, что приводит к восьмикратному увеличению расхода масла. На практике невозможно установить производственные допуски зазора «S» равными нулю.
Поэтому, если утечка нежелательна, мы обязаны использовать уплотнительный элемент в этой секции.
В таких случаях обычно используются уплотнения из эластомерных материалов. Анализируя принцип работы уплотнений, мы можем увидеть на рис. 2 логику роли уплотнительного кольца. Уплотнительное кольцо, показанное на схеме, изображено как динамическое и функционирует как элемент уплотнения штока. По общему принципу после установки в канавку в канавке должно оставаться достаточно места.
Когда система не находится под давлением, собранное уплотнительное кольцо из-за своей конструкции оказывает давление на шток. Мы называем это предварительной загрузкой. Предварительная нагрузка необходима для обеспечения герметизации в условиях отсутствия давления.
Когда система находится под давлением, должна быть предусмотрена конструкция, позволяющая находящейся под давлением среде проходить до корпуса уплотнительного элемента. Эта среда под давлением, которая начинает заполнять канавку уплотнительного элемента, приводит к увеличению силы давления, прикладываемой к статическим и динамическим поверхностям, за счет расширения материала уплотнения. Таким образом достигается герметичность.
Ниже на рисунке 3 можно увидеть результат FEA (анализ методом конечных элементов). В этом анализе работа уплотнительного кольца была смоделирована в цифровом виде. Различные используемые цвета позволяют четко увидеть деформацию материала при критических нагрузках.
Мы не должны игнорировать тот факт, что эти критические нагрузки могут увеличиться, а уплотнительные материалы могут стать вязкими, т.е. может возникнуть проблема с утечкой из-за пространства с одной стороны в негерметичной части системы. Таким образом, производители уплотнений должны проявлять особую осторожность при проектировании уплотнений, а производители гидравлических поршней должны уделять больше внимания выбору правильного уплотнения для улучшения качества конечного продукта.
Если между уплотнением и канавкой недостаточно места, среда под давлением не может расширить материал уплотнительного элемента, что вызовет избыточные силы трения, и уплотнение временно деформируется, создавая утечку.
3.1. СТАТИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ
Увеличение контактного давления уплотнительным элементом уменьшит утечки масла при статическом уплотнении. Контактное давление на оптимальном уровне полностью остановит утечку масла. В то же время, важным фактором, который нельзя игнорировать, является шероховатость поверхностей нанесения. Естественно, высокие значения шероховатости требуют более высокого контактного давления.
Уплотнительные материалы будут давать разные результаты упругости и остаточной деформации при сжатии при разных рабочих температурах. Следовательно, разница температур может создавать действительно важные функциональные различия. Низкие температуры, в частности, могут привести к тому, что уплотнительные материалы потеряют эластичность и станут твердыми, что приведет к выходу уплотнения из строя.
3.2. ДИНАМИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ
Пока мы проверяем динамическое уплотнение, мы должны посмотреть на принцип работы, который объясняется формулой потока;
Q = π.д. ΔP.S3 / 12 мкл
В этой формуле стержень статичен, а давление уменьшается. Если стержень динамичен и давление не уменьшается.
Q1 = π.dSV/2
Расход можно рассчитать по формуле V= скорость. Если поршень движется в направлении давления, Qдинамический = Q+Q1
То есть
Qдинамический = π.d ( ΔP.S3/12. мкл ± VS/2)
В этой формулировке скорость и направление скорости будут иметь большое значение. С другой стороны, если зазор S не параллелен из-за радиальных сил, локально будет создаваться дополнительное давление (гидродинамическое давление).
Из-за этого эффекта в микроскопическом размере в гидродинамической масляной пленке между уплотнением и динамической поверхностью будет создаваться усилие. Эта масляная пленка имеет толщину всего несколько микрон.
Эта толщина масляной пленки пропорциональна направлению движения. Следовательно, невозможно иметь системы без утечек в динамических приложениях. Тем не менее, толщина масляной пленки может быть уменьшена или увеличена в зависимости от типа применения и геометрии уплотнения.
3.3. СИЛА ТРЕНИЯ
Силу трения невозможно объяснить классическими законами силы трения из-за скольжения по толщине масляной пленки, как объяснялось выше. Из-за масляной пленки возникают 3 различные силы трения:
1. Статическое (сухое трение)
2. Смешанное трение (сухое и среднее трение)
3. Среднее трение (сухой контакт отсутствует)
Когда начинается динамическое движение, возникает большая сила трения, что приводит к смешанному трению, что приводит к немедленному уменьшению силы трения. После этого начинается трение среды, т.е. скольжение по толщине масляной пленки. С увеличением скорости сила трения увеличивается линейно.
Толщина масляной пленки зависит от скорости системы и непосредственно от вязкости среды. Двумя наиболее важными факторами, влияющими на силу трения, являются давление в системе и температура. Несоответствующие силы трения создают локальную высокую температуру и приводят к выходу уплотнения из строя и поломке.
В то же время износ возникает из-за надрывов толщины масляной пленки и влияния неподходящих значений шероховатости поверхности, что приводит к утечкам.