Прокладки плоскопараллельных фланцевых уплотнений

 Уплотнения мягкими резиновыми прокладками жидких сред описаны в работах. Диффузия жидкости (неагрессивной) через резиновую прокладку пренебрежимо мала. Главную роль играет контактная проницаемость, которая может возникнуть рал личными путями в зависимости от соотношения жесткости соеди­нений системы с жесткостью прокладки.

Первый вариант, когда жесткость соединений сравнима с жест костью прокладок, наблюдается при сжатии прокладки между плитами рычажного пресса с нефиксированным жестко по­ложением рабочего состояния плит, между которыми зажата прокладка. В рассматриваемом случае созданное усилием сжатия N (в 10 Н) начальное давление уплотнения f (контактное напря­жение)   (в 10⁵ Па) при достижении критического гидравлического давления рабочей среды ар_кр (вследствие противодавления среды) уменьшается до значения fо, при котором герметичность системы нарушается (рис. 205). При этом справедливо уравнение

Зависимость р_1ф — f — линейная с коэффициентом а, опреде­ляемым геометрическими размерами и не зависящим от свойств резин. Величина же fо тем больше, чем больше модуль резины.

Учитывая механические свойства резины при сжатии (урав­нение 8.5), можно связать начальное давление уплотнения f с соответствующей ему деформацией е

Как видно из рис. 206, расчет по уравнению (13.4) достаточно хорошо согласуется с данными эксперимента. Величина ее предварительного сжатия прокладки для создания плотного контакта по поверхностям составляет, по практическим данным, 0,02—0,0.4.

Второй вариант, когда жесткость соединений значительно превышает жесткость прокладки, наблюдается, если положение плит пресса после сжатия прокладки зафиксировано и практи чески не изменяется под действием гидравлического давления механизм разуплотнения будет иной. Как показывают прямые опыты, нарушение герметичности происходит вследствие потери устойчивости, которая возникает из-за местной деформации про­кладки. С увеличением гидравлического давления прокладка в каком-либо месте начинает значительно растягиваться и изгибаться, одновременно сужаясь и уменьшаясь в поперечном сече­нии. Сопротивление резины изгибу невелико, поэтому устойчивость уже не сохраняется (и прокладка перестает уплотнять) с тех пор, как гидравлическое давление р по внутренней цилиндрической поверхности S_u приводящее к нагрузке pSi (1-е), превысит силу трения по опорным поверхностям.

В уравнении (13.6), описывающем условия, соответствующие названному механизму уплотнения (но не учитывающему сопро­тивления прокладки изгибу), видно, что на зависимость pu_V—J влияют не только размеры прокладки, но и механические свой­ства резины.

Выразив отношение s/Si через  Ь и h, приведем уравнение (13.6) к такому виду:

Так как модуль прокладки Е_ст зависит от статического мо­дуля резины Е, размеров прокладки (от ее коэффициента фор­мы Ф) и от условий трения [см. уравнение (8.17)], то и критиче­ское давление также зависит от габаритов прокладки.

Обозначив в уравнении (13.7)

Рис. 207 показывает достаточно близкую сходимость экспери­ментальных и расчетных данных по уравнению (13.7). Кривые 4 и 5 относятся к прокладкам с одним и тем же коэффициентом формы Ф, но в случае, описываемом кривой 5, применена смазка, уменьшившая коэффициент трения ц._т до 0,1. Это, следуя урав­нению (8.17), снижает Е_ст с 85 до 21 10 Н/см².

Данные расчета и испытания прокладок со смазкой согла­суются до сжатия в 25%. При больших степенях сжатия смазка выжимается с опорных поверхностей.

Уплотнение мягкими резиновыми прокладками газовых сред изучалось следующим путем. Испытуемую прокладку сжи­мали между плитами пресса до заданной деформации. Воздух подавали в полость, образованную внутренней поверхностью про­кладки и поверхностями плит пресса. Кривая f рис. 208 отобра­жает типичную для прокладки из мягкой резины зависимость нарастания давления от времени, а кривая 2 — для прокладок из свинца. В обоих случаях сжатие прокладок составляло 30%. Кривая   3   отображает   градуировочный   график,   получаемый   в случае помещения в прессе вместо прокладки свинцовой пластинки на вакуумной замазке.

Из рис. 208 видно, что, начиная с некоторого времени, поя и ляется  стационарный  режим  нарастания  давления,  отвечающим натеканию газа с постоянной скоростью.

Однако скорость натекания существенно зависит от величины сжатия прокладки, а также от характера контакта металла и резины.

Кривые 1 и 2 рис. 209 отвечают двум возможным механизмам натекания. В области малых сжатий, до 20—25% высоты прокладки, газ протекает через контакт и через толщу прокладки.

Однако диффузионная составляющая натекания мала но ери мне­нию с контактной. Кривая 2 показывает, что при устранении натекания через контакт, нанесением на опорных поверхностях прокладки вакуумной смазки, скорость натекания резко сни­жается. При сжатии резиновой прокладки в 25—30% контактное течение практически прекращается и в области больших сжатий натекание происходит только путем диффузии.

Скорость  натекания  с при фланцах с гладкой  поверхностью определяется следующей зависимостью

Константа Р зависит от типа резины и температуры. С увели­чением количества связанной серы (с возрастанием модуля высокоэластичности резины) скорость натекания снижается. Поскольку в эксплуатации применяется сжатие порядка 20—30%, уплотнение газообразных сред резиновыми прокладками определяется глав­ным образом диффузионными свойствами газа и проницаемостью материала прокладки. Состояние же поверхности прокладки имеет важное значение лишь при работе прокладок ниже температуры стеклования резины. В последнем случае разуплотнение вызы­вается температурной контракцией. Расчет необходимого началь­ного давления уплотнения, приводящего к требуемому сжатию е_ьможет быть сделан по уравнению (13.2).

Зависимость между критическим давлением рабочей среды и сжатием прокладки и в этом случае отвечает уравнению (13.4), как это видно из рис. 210.

Уплотнение упруго-жесткими (резино-паронитовыми) проклад­ками как жидких, так и газообразных сред описывается в ряде работ. Для систем, жесткость соединений которых сравнима с жесткостью прокладок, принимается механизм контактной про­ницаемости с учетом незначительных по величине деформаций всех элементов системы. При расчетах исходят из следующего. При начальной затяжке болтов фланцевого соединения (рис. 211) усилие затяга Q создаст начальную нагрузку болтов и прокладки. Их условные напряжения могут быть установлены по размерам и жесткости соответственных деталей. Гидростатическая нагрузка рабочей среды Р разгружает прокладки и дополнительно нагру­жает болты. Соотношение нагрузок на болты Рв, на прокладку определяемая модулем продольной упругости материала E_f по условному напряжению.

Из уравнения (13.12) видно, что наличие упругой прокладки ведет к повышению напряжения в болтах и притом тем большему, чем величина k ближе к единице, т. е. чем меньше жесткость С прокладки (если Сф постоянно).

От уравнения (13.13) почленным делением его на площадь прокладки s = 0,25я d — d]) можно перейти к установлению за­висимости давления уплотнения fот f и 

Давление уплотнения fдолжно быть достаточным для того, чтобы материал прокладки заполнил бы неровности от обработки уплотняемых поверхностей. Величина fили отвечающее ему ео может быть найдена экспериментально.

Уравнение (13.15) по заданным параметрам и модулям упру­гости материалов деталей конструкций и величине затяга. Q по­зволяет найти Р_Кр-

Между уравнениями   (13.1)   и   (13.15)   есть аналогия.