Методы обеспечения герметичности в машиностроении

Вартанов Михаил Владимирович,

доктор технических наук, профессор,

Шкурко Леонид Степанович,

кандидат технических наук, доцент,

Корх Никита Олегович,

аспирант.

Московский государственный технический университет «МАМИ».

При проектировании объемных изделий с жидкими и газообразными рабочими средами непроницаемость для рабочей среды может быть обеспечена двумя способами: либо созданием неразъемного соединения элементов оболочки с помощью пайки, сварки, клепки, либо путем уплотнения разъемных стыков при помощи различных средств. Создание неразъемных соединений с помощью пайки, клепки или сварки не всегда возможно из-за конструктивных или эксплуатационных особенностей изделий (например, когда в процессе эксплуатации предусмотрена разборка узла).

К соединениям без прокладочных материалов относятся металл по металлу, пластик по пластику, резина по резине и т.д.

В машиностроении среди герметичных соединений без прокладочных материалов в основном применяются металл-металлические соединения. Герметичность обеспечивается за счет контакта микропрофиля уплотняемых поверхностей. Степень негерметичности зависит от качества и свойств сопрягаемых поверхности и методов обработки сопрягаемых поверхностей. При этом фактический контакт между металлическими поверхностями сопряженных деталей при наиболее тщательной обработке не превышает 25-35%. Задача обеспечения заданного уровня герметичности путем моделирования определенного профиля поверхности решается в следующем порядке: сначала определяются параметры поверхностного слоя сопрягаемых деталей, которые обеспечат заданное значение герметичности, затем назначаются режимы обработки, обеспечивающие необходимые параметры поверхности [1].

Такой метод позволяет обеспечить необходимый уровень герметичности уже на стадии проектирования изделия.

Однако в автомобилестроении при герметизации неподвижных разъемных соединений чаще всего используются прокладочные элементы. Их задача – заполнить микронеровности уплотняемых поверхностей за счет собственных упругопластических деформаций и перекрыть, таким образом, каналы, по которым происходит утечка рабочих сред. Уплотнения изготавливаются из металлов и неметаллических материалов. Общепринятой классификации уплотнительных элементов не существует в виду исключительного многообразия уплотнений. Чаще всего их классифицируют в соответствии с принципами действия и отраслевой принадлежностью [2].

В качестве уплотнителей металлы чаще сего используют в тяжелых условиях эксплуатации: в головке цилиндра и головке блока цилиндров, в клапанной крышке, в качестве уплотнителей для свеч зажигания и т.д. При этом эти изделия подвергаются действию высоких давлений, резких перепадов температур, воздействию агрессивных сред. Для изготовления металлических прокладок применяется алюминий (АД и др.), сталь (12Х18Н10Т, SS304, SS316, 05кп и др.), латунь (Л63 и др.), медь и другие металлы и сплавы.

К неметаллическим прокладочным материалам относятся резины, паронит, фторопласты, силиконовые и анаэробные герметики (так называемые «жидкие прокладки»). Также могут быть использованы кожа, бумага, картон, фибра и т.д. Прокладка должна обладать способностью к деформациям, компенсирующим деформации фланцевого соединения при изменении режимов работы, иметь низкую стоимость и простую конструкцию.

В современном автомобиле широкое применение находят полимерные материалы, и рост количества применяемых полимеров постоянно растет.

Постепенно повышается уровень качества и эксплуатационных характеристик новых материалов. Они приобретают устойчивость к агрессивным средам – бензину, маслам, химическим веществам, смазочным материалам, – и долгому использованию в жестких условиях [3]. Диапазон рабочих температур расширяется и превышает для некоторых материалов 300 °С. Это говорит о том, что полимерные прокладки имеют огромный потенциал для использования в создании и ремонте машин и могут конкурировать с традиционными прокладками из резин, паронита и металлов.

Цель применения полимерной прокладки состоит в том, чтобы сформировать её в качестве постоянной детали на одной из фланцевых поверхностей. Такая прокладка наносятся вручную или дозирующим устройством, которое точно формирует валики из материала на фланцевых поверхностях. Затем валики отверждаются и прилипают к одному из фланцев под действием влаги воздухи или ультрафиолетового света в течение небольшого промежутка времени. Герметизация достигается путем сжатия отвержденной прокладки в момент монтажа фланцевого соединения.

Подавляющее большинство соединений, встречающихся в современной технике, герметизируется с помощью уплотнительных элементов. В особо жестких условиях – при высоких рабочих температурах и давлениях – применяют металлические прокладки. Однако основная масса соединений уплотняется с помощью неметаллических уплотнителей. Также отмечается рост применения так называемых «жидких прокладок» – материалов, выступающих в качестве уплотнителей взамен традиционных материалов из резины, паронита и других неметаллических прокладок. Это объясняется высокими эксплуатационными характеристиками «жидких прокладок» - химической стойкостью ко многим рабочим жидкостям, эластичности, а также удобству в применении в ситуации отсутствия вырубной прокладки необходимого типоразмера.

Заключение

Постепенное вытеснение традиционных уплотнительных материалов полимерными «жидкими прокладками» связано со многими причинами. Это высокотехнологичные материалы, химически стойкие к современным агрессивным топливам и маслам, обладающие практически нулевой проницаемостью для газов. Они обеспечивают высокую конструкционную прочность для многих соединений. Препятствуют отвинчиванию резьбовых соединений, избавляя от необходимости устанавливать стопорные шайбы, что в конечном итоге снижает массу автомобилей. Резиноподобные силиконовые прокладки заменяют резиновые кольцевые и вырубные, поскольку меньше подвержены старению, легко наносятся на наклонные и вертикальные поверхности. Многие металлические соединения собирают с помощью анаэробных герметиков. Во-первых, это обеспечивает дополнительную жесткость соединению, во-вторых, не изменяется размерная цепь узла, в котором применяется герметик, в-третьих, повышается герметичность стыка.

Также, в отличие от металл-металлических соединений, соединения с прокладками отличаются меньшей шумностью [4]. Наличие звукопоглощающего слоя между сопрягаемыми поверхностями помогает не только снизить собственный шум агрегата, но и шум всей системы, являясь демпфером при ударных и вибронагрузках.

Несмотря на очевидные преимущества применения новых материалов и их внедрение сталкивается с определенными сложностями.

Применение герметиков в процессе ремонта узлов и агрегатов машин зачастую почти невозможно. Ручное нанесение герметика значительно отличается по качеству от роботизированного в худшую сторону, поскольку выдержать постоянный зазор между насадкой и уплотняемой поверхностью очень сложно.

На производстве оптимальным вариантом нанесения является нанесение без участия человека, поскольку недостаточная квалификация рабочих или производственная дисциплина иногда приводит к нарушению технологии герметизации и герметизируемые соединения становятся непригодны для дальнейшей эксплуатации.

Литература

Поступила в редакцию 24.08.2011 г.