Průvodce světem hydraulického těsnění II.

V tomto článku budou popsány základní vlivy a parametry, které je třeba brát v úvahu při návrhu těsnění pro hydrauliku. Dostaneme se do oblasti fyziky a teoretických znalostí, které jsou základem pro konstrukci těsnění v závislosti na provozních podmínkách.

Požadavkem na těsnění u hydraulických válců je prevence toku kapaliny přes dva povrchy při relativním pohybu a udržení vysoké úrovně těsnícího výkonu během jeho životnosti a za provozních podmínek, pro které bylo určeno.

Během posuvného pohybu se vyvine unášecí průtok a v důsledku hydrodynamického nárůstu tlaku se těsnění zvedne od vodící plochy a tenký kapalný film zůstane mezi těsněním a vodícím povrchem. Tloušťka tohoto kapalného filmu je regulována následujícím vzorcem:

Množství kapaliny procházející těsněním během pohybu, lze považovat za něco jako prosakování.

Tlaky působící na těsnění jsou ty, které jsou vyvolány hydraulickým čerpadlem (Pp) a ty, které jsou způsobeny pohybem válce zvané „unášecí tlak“ (Pt):

Unášecí tlak, obzvláště v případech těsného uložení, může být někdy vyšší než tlak generovaný samotným čerpadlem, čímž způsobuje rychlé poškození těsnění. Během činnosti může být těsnící prvek vystaven různým stálým tlakům, které i během krátké doby dosahují velmi vysoké intenzity. Tyto další zátěže, vystavují těsnění vysokému provoznímu napětí. Při volbě správného těsnícího systému je třeba brát je v potaz.

TLAKOVÁ ZÁTĚŽ – MÉNĚ NEŽ 50 Bar

Nízký tlak je nejkritičtější situací pro dobrý výkon těsnícího systému a je situací, kdy může dojít k větším problémům s prosakováním. V těchto případech nejsou břity těsnění dostatečně roztahovány kapalinou a olejový film mezi okrajem a dynamickým povrchem dosáhne nadměrné tloušťky. Volba správného profilu a materiálu těsnění může značně snížit riziko prosakování v takové situaci.

STŘEDNÍ TLAK – 50 až 150 Bar

Tlakový rozsah mezi 50 a 150 bary je jeden z nejpříznivějších a za takových podmínek garantují téměř všechny typy těsnění dobrý výkon, i při různé životnosti v závislosti na materiálu těsnění.

VYSOKÝ TLAK – NAD 150 Bar

Při vysokém tlaku nebo při vysokých nárůstech tlaku (rázové zatížení) podává těsnění běžně dobré výsledky.
Tlak kapaliny sám aktivuje břity těsnění a tím zajišťuje velmi dobrý těsnící výkon. Vysoký tlak naproti tomu
snižuje životnost celého systému těsnění. Za těchto pracovních podmínek vzniká mnoho případů opotřebení a vytlačení, které způsobí předčasné poškození těsnění. Volba materiálu je velmi důležitá, protože musí být odolný proti vytlačení a opotřebení.

NÍZKÁ RYCHLOST – MÉNĚ NEŽ 0,05 M/S

Při nízké rychlosti nedochází k problémům s prosakováním, ale je pravděpodobné, že dojde k problémům s rychlým opotřebením a nepravidelným pohybům (stick-slip). V rozsahu nízké rychlosti není hydraulický tlak generovaný pohybem dostatečný pro vytvoření trvalého filmu kapaliny a okraj těsnění se dostane do přímého kontaktu s kluzným povrchem, čímž se zvýší riziko rychlého opotřebení a nepravidelného pohybu. „Stick-slip“, je hlučný vibrační pohyb způsobený opakovaným přilepením a smeknutím mezi těsněním a kluzným povrchem. Správná volba profilu těsnění a materiálu (např. PTFE, s nízkým koeficientem tření) může snížit problém a také vylepšit ovládání kapaliny a rychlosti.

STŘEDNÍ RYCHLOST – 0,05 ÷ 0,3 M/S

Toto je ideální situace, kde nejsou ani nepravidelné pohyby ani nadměrné ztráty typické pro vysokou rychlost. Za těchto podmínek je hydraulický tlak generovaný pohybem schopen zajistit trvalý film kapaliny mezi okrajem těsnění a vodícím povrchem, čímž se zajistí přesné ovládání kapaliny a správná lubrikace těsnění. Tloušťka filmu kapaliny, úměrná druhé odmocnině rychlosti, obecně nedosáhne tloušťky schopné způsobit nechtěné prosakování.

VYSOKÁ RYCHLOST – NAD 0,3 M/S

Při navyšování hydraulického tlaku generovaného pohybem se těsnění zvedne od vodícího povrchu a tím umožní průchod nadměrného množství kapaliny. Situace se stává obzvlášť kritickou, když jsou fáze nízkého tlaku spojené s vysokou rychlostí. V takovém případě je těsnění vystaveno deformaci. Za takových podmínek
je nutno volit těsnění, které zajistí dostatečnou těsnost i při nedostatku tlaku.

Teplota systému je kritickým faktorem, který se musí brát v potaz při volbě těsnění a má důležitý vliv na rozsah ztrát. Následkem tření je teplota na okrajích těsnění vyšší než teplota systému, i když to nelze přesně předem předurčit, protože to závisí na mnohých dalších faktorech, počínaje materiálem, profilem těsnění, typem kapaliny a kvalitou povrchu. Protože viskozita kapaliny je nepřímo úměrná teplotě, lze považovat prosakování za úměrné druhé odmocnině převrácené hodnoty teploty (viz kapitola „Mechanika těsnění“):

NÍZKÁ TEPLOTA

Při nízké teplotě kapaliny se zvyšuje tvrdost těsnícího materiálu a těsnění ztrácí pružnost, čímž umožňuje průchod nadměrné vrstvy kapaliny.

STŘEDNÍ TEPLOTA

Toto je ideální situace, kdy má kapalina ideální viskozitu pro prevenci ztrát pomocí dostatečné lubrikace. Materiály při této teplotě nemění své mechanické vlastnosti natolik, aby ovlivnily výkon těsnícího systému.

VYSOKÁ TEPLOTA

Těsnící materiál se stává elastičtější, objem těsnění se zvýší a viskozita kapaliny se sníží, čímž omezí ztráty. Současně ale dochází k nedostatečné lubrikaci a zvyšuje se opotřebení a riziko nepravidelného pohybu. Je nutno věnovat zvýšenou pozornost teplotním limitům materiálů. Při limitních hodnotách dochází ke ztrátě
pružnosti těsnění.

Tření mezi dynamickým těsněním a těsnícím povrchem závisí na mnoha faktorech jako je návrh těsnění a materiál, kapalina, tlak, teplota, rychlost a úprava povrchu.

Výsledná třecí zátěž nemusí být pro mnoho aplikací důležitá (kromě pneumatických válců, kde je třeba minimálního tření pro dosažení optimálního výkonu), ale tření samotné může být nebezpečné z hlediska tvorby tepla, které může způsobit degradaci těsnícího materiálu a filmu maziva a nebo zvýšit prosakování snížením viskozity. Výkon těsnění je v tomto smyslu těžké analyzovat v rámci obecných termínů, protože zde záleží na větším počtu empirických faktorů, které jsou typické pro návrh těsnění.

Obecně lze ale říci, že tření je úměrné tlaku, ale koeficient tření se může měnit s rychlostí, teplotou, materiálem a povrchovou úpravou.

Specifické hodnoty K faktoru je těžké získat, pokud nejsou hodnoceny na empirických linkách nebo na základě komparativních údajů. Tento vzorec lze použít pouze přímo pro zjišťování možných rozdílů ve výkonu a tření na kompresních těsnění stejného typu a materiálu, ale s rozdílnou velikostí.

Koeficient suchého tření typických těsnících materiálů, které se otírají o hladkou a suchou těsnící plochu může být od μ=0.4 ÷ 1. U mazaných povrchů je rozsah mnohem nižší, například μ=0,02 ÷ 0.10. Toto platí obzvláště u elastomerů. Látkové materiály a impregnované látky vykazují podobnou hodnotu „μ“, ale s menšími rozdíly, například μ=0.04 ÷ 0.08 při promazání. Obecně platí, že čím tvrdší je materiál, tím je vyšší tření, a čím je materiál měkčí, tím je nižší tření, ovšem toto je dobře udržitelné za nízkého tlaku. Koeficient tření „μ“ je také ovlivněn tlakem, ale přímý vztah není jasně určen. Obecně platí, že tření bude nejvyšší za nízkého tlaku, nejmenší hodnoty budou dosaženy při vyšším tlaku.

Změna tření při různém tlaku také závisí na úpravě povrchu, obzvláště výrobní metodě v případě těsnění válců a pístů. Nejvýraznější zvýšení tření se stoupajícím pracovním tlakem se vyskytuje u drsnějších povrchů a struktur kovaných za studena, oproti vybroušeným a naleštěným povrchům.

Běžné provedení válců je broušené, což vede k přesnému povrchu s průměrnou drsností mezi 0.25 μm a 0.625 μm. Největším problémem pro konstruktéra těsnění představuje současná tendence používat hydraulické válce vyrobené přímo z tažené trubky bez jakékoliv pozdější úpravy.

TŘENÍ A RYCHLOST

Změny tření s rychlostí tření jsou jasně definovány a probíhají ve třech fázích (viz obrázek níže):

• Statické tření (přímý kontakt mezi těsněním a těsněným povrchem)
• Smíšené tření (smíšené suché a kapalné tření)
• Kapalné tření (kapalný mazací film mezi těsněním a těsněným povrchem)

OPOTŘEBENÍ A ŽIVOTNOST TĚSNĚNÍ

Z důvodu různých návrhů a výroby z různých materiálů mají těsnící systémy různá schémata chování při navyšujícím se tlaku.

Při použití tvrdého materiálu se snižuje nebezpečí poškození kompresí. Na druhou stranu nemá tvrdý materiál tak dobré těsnící vlastnosti jako měkký materiál, obzvláště při nízkém provozním tlaku.

Pro nejlepší těsnící systém, který bude efektivní při vysokých a nízkých provozních tlacích, je třeba použít těsnění vyrobené z několika typů materiálů s různými vlastnostmi. Ideální by bylo pevné těsnění vyrobené z několika materiálů, které mají rostoucí tvrdost a mohou dosáhnout maximální tvrdosti v zadní části těsnění, kde je spára. Ovšem toho není možné zcela dosáhnout, i když jsou naše návrhy těsnění konstruované na principu mnoha fází (multi-stage) se snahou o dosažení ideálu.

První příznaky lze vysledovat při nízkém tlaku, kdy z důvodů opotřebení není těsnění schopné udržet požadovaný kontakt s těsnícím povrchem. Při vysokém tlaku je deformace znatelnější a těsnění vyhovuje požadavkům, dokud je tlak udržován na stejné úrovni. Životnost těsnění nelze přesně určit, protože to závisí na mnoha dalších faktorech, počínaje vhodnou volbou těsnění pro určitou práci a správnou instalací.

Opotřebení se může zvyšovat při nedostatku promazání, nekvalitní zástavbě, nadměrné třecí teplotě, příliš měkké částí těsnění, atd. Běžná životnost těsnění se bude dost lišit podle způsobu použití, protože se doporučené přijatelné podmínky a typ těsnění také liší.

Pokud je životnost těsnění výrazně nižší než je průměr pro určité zařízení, bylo zřejmě zvoleno nesprávné těsnění a provozní podmínky se ukázaly být výrazně náročnější než se očekávalo při volbě těsnění.

Opotřebení těsnění závisí na povrchové úpravě, proti které se těsnění otírá; je tedy velkou měrou ovlivněné způsobem výroby zástavby. Tabulka ukazuje opotřebení těsnění u povrchů válců dosaženými třemi způsoby obrábění.

Opotřebování těsnění je odstupňováno od 0 pro žádné viditelné opotřebování do 10 pro opotřebované těsnění. Tyto jednotlivé údaje byly získány po 100 000 cyklech provozu válce při pracovním tlaku 250 bar.

Z tabulky je zřejmé, že při leštěném povrchu válce v rozsahu Ra od 0,08 μm do 0,7 μm je opotřebení téměř nulové. Naproti tomu u válců kovaných za studena s povrchem Ra od 0,4 μm do 1,25 μm je opotřebení maximální.

Teoretický úvod konstrukce těsnění máme za sebou. V dalším článku otevřeme téma materiálů, jejich volba je dalším podstatným parametrem který rozhoduje o funkčnosti těsnícího prvku.