Файл: Балицкий А.В. Технология изготовления вакуумной аппаратуры.pdf

вышаются и, следовательно, повышается газопроницае­ мость такого уплотнителя. Кроме того, и масла и рас­ плавленные металлы под действием собственной тяжести стекают с вертикальных и наклонных поверхностен. Жидкостные уплотнители в подавляющем болынинстцве случаев пригодны лишь для горизонтальных со­ единений.

зов, наличие летучих составляющих.

Более удобными представляются на первый взгляд уплотнители из высокоэластпчных упругих материалов, таких как вакуумная резина или некоторые пластики. Но здесь для получения и сохранения вакуумной плотности требуется соблюдение ряда условий.

Естественно, что первым из них является газонепро­ ницаемость материала, вторым — наименьшее содержа­ ние летучих составляющих. Современные сорта вакуум­ ной резины в значительной мере отвечают этим требова­ ниям, так же как и некоторые пластмассы.

Далее следует требование упругой текучести мате­ риала, т. е. свойства заполнять все неровности формы, но не расплываться, а восстанавливать свои первоначаль­ ные форму и размеры при снятии нагрузки.

Высокая степень упругости необходима для постоян­ ного поддержания контактного давления между уплот­ нителем и соприкасающимися с ним деталями уплотняе­ мого соединения. В противном случае всякое изменение температуры, вибрация, одностороннее повышенное дав­ ление могут послужить причиной отставания прокладки от уплотняемых поверхностей и раскрытия уплотнения.

Только при наличии таких свойств упругий материал может служить высоковакуумным уплотнителем. Упру­ гий материал сам по себе под действием собственной тяжести или сил поверхностного натяжения не растека­ ется по поверхности уплотняемой детали и не заполняет ее неровностей. Его нужно загнать в эти неровности, за­

хотя бы надежно изолировать отдельные неровности, как

показано па рис. 11-2. Дело в том, что упругие уплотни­ тели при сжатии ведут себя в значительной мере подоб­ но очень вязким жидкостям; они не смачивают сжимаю­ щих их поверностей, и растекание уплотнителя по всем неровностям уплотняемой поверхности идет тем труднее, чем более резкими изломами очерчена эта поверхность. Неглубокие выемки со скругленными краями заполняются уплотнителем легко, но узкие глубокие риски с острыми

краями могут быть заполнены лишь под большим дав­ лением.

В силу этих причин, несмотря на очень высокую эла­ стичность вакуумной резины, требуется тщательная об­ работка уплотняемых поверхностей по высоким классам чистоты.

По этим же причинам рационально применять для обработки уплотняемых поверхностей электрополирова­ ние, так как при этом сглаживаются все острые выступы и притупляются острые кромки микрорельефа обраба­ тываемой поверхности. Однако обработка по классам чистоты выше девятого не приносит пользы. Это связано очевидно с тем обстоятельством, что в ограничении ра­ стекания материала уплотнителя (если в конструкции фланцев не имеется ограничителей такого растекания) значительную роль играет трение и чрезмерно снижать его не следует. Поэтому рекомендуется обрабатывать уплотняемые поверхности по 6—8-му классу чистоты.

Кроме того, в ряде случаев требуются замкнутые канавки, из которых уплотнитель не мог бы вытекать при больших сжимающих усилиях,

244

11-2. ВИДЫ УПЛОТНЕНИЙ

Наибольшее распространение в вакуумной тех­ нике получили уплотнения следующих видов: стыковые уплотнения с резиновыми уплотнителями; стыковые уплотнения с уплотнителями из пластических масс; про­ греваемые стыковые уплотнения с металлическими уплотнителями; уплотнения телескопических соединений и грибковых вводов с резиновыми и пластмассовыми уплотнителями; сальниковые уплотнения подвижных штоков и валов.

Применение того или другого материала для уплот­ нителя влечет за собой и характерное конструктивное решение стыка или ввода и некоторые особенности тех­ нологии.

В этой главе мы кратко рассмотрим стыковые уплот­ нения с резиновыми и пластмассовыми уплотнителями, телескопические и сальниковые уплотнения. Остальные виды уплотнений будут кратко освещены в двух после­ дующих главах.

11-3. М ЕХАН ИЗМ УПЛОТНЕНИЯ УПРУГОЙ ПРОКЛАДКОЙ

Преобладающим видом разъемных вакуумных соединений являются фланцевые соединения. Анализи­ руя их работу, можно представить себе с большой сте­ пенью приближения к истине механизм уплотнения разъемных соединений вообще.

Все тела, находящиеся в нормальной воздушной ат­ мосфере, даже очень чисто промытые, покрыты весьма тонким слоем газа и влаги (адсорбированные слои). При сборке разъемного соединения с уплотняющей проклад­ кой эти слои размещаются между прокладкой и флан­ цами, образуя тончайшие газопроницаемые прослойки с обеих сторон прокладки. Следовательно, если бы мы имели даже оптически гладкие поверхности фланцев и прокладки без малейших неровностей, то и тогда простое соприкосновение прокладки с фланцем не могло бы до­ стигнуть вакуумной плотности. Происходил бы обмен частиц газа между внешней атмосферой и откачанным пространством через адсорбированные слои, т. е. устано­ вился бы поток газа из атмосферы в вакуум,-

Для достижения практической газонепроницаемости соединения необходимо удалить эти слои или совсем,

245

или в такой степени, чтобы остающийся поток газа был меньше определяемого существующими контрольными приборами. Это достигается приложением к соединению больших или меньших сжимающих, стягивающих уси­ лий, приводящих к частичному выдавливанию адсорби­ рованных слоев газа и влаги и максимально возможному сближению поверхностей собственно прокладки и фланца.

В действительности газ проникает не только по адсор­ бированным слоям, но и через многочисленные мельчай­ шие каналы, прямые и лабиринтные, образованные сетью рисок и волнистостью соприкасающихся поверхностей. Постепенно мягкую прокладку между твердыми флан­ цами можно настолько деформировать, что ее материал заполнит все каналы, выжмет из них газ и влагу и на­ столько плотно прижмется во всех точках контакта к по­ верхностям фланцев, что прекратит практически доступ газа в вакуум.

При сжатии прокладки форма ее поперечного сечения в зависимости от конструкции фланцев более или менее изменяется. При этом уменьшается высота прокладки, а объем ее благодаря практически незначительной сжи­ маемости материала можно считать неизменным. Пере­ мещающийся при этом материал прокладки, естествен­ но, течет в направлении наименьшего сопротивления, т. е. в ту сторону, с которой не имеется ограничений или где имеется наибольший зазор. Это продолжается до тех пор, пока силы внутреннего сцепления и трение по кон­ тактирующим с прокладкой поверхностям в сумме не окажутся в состоянии остановить бесполезное растекание материала прокладки. Тогда начнется затекание мате­ риала в микронеровности уплотняемых поверхностей и перекрытие упомянутых выше каналов.

Эти явления, изложенные здесь схематично, обуслов­ ливают необходимую для каждого случая степень сжа­ тия прокладки и соответствующее ей давление уплотне­ ния. Это давление, замеренное в определенных условияхсжатия прокладки, можно считать мерой уплотняющей способности того или другого материала, применяемого для изготовления уплотняющих прокладок, которые в ва­ куумной технике обычно называются уплотнителями. Чем меньше усилий требуется для достижения вакуумно­ плотного соединения, тем выше уплотняющая способ­ ность материала, тем рациональнее и экономичнее мо­

246

жет быть конструкция уплотнения. Удельное давление в большинстве случаев может быть заменено, как крите­ рий уплотняющей способности, величиной степени сжа­ тия, необходимой для уплотнения.

Однако в реальных соединениях усилие сжатия зави­ сит не только от уплотняющей способности материала уплотнителя. На его величину влияет целый ряд факто­ ров: наличие или отсутствие ограничителей растекания уплотнителя, чистота обработки уплотняемых поверхно­ стей, форма сечения уплотнителя, технологические допу­ ски, рабочая температура, агрессивность среды, соблюде­ ние чистоты при монтаже, правильность сборки.

Под нагрузкой все материалы в большей или мень­ шей степени подвержены ползучести, т. е. имеют свойст­ во очень медленно, но непрерывно уступать действию внешних сил. Чем выше температура, тем сильнее сказы­ вается ползучесть. Для упругих материалов это свойст­ во выражается в постепенном снижении сопротивления, оказываемого телом, сжимающим его внешним силам и накоплении остаточных деформаций. В уплотнениях это приводит к снижению контактного давления между уплотнителем и фланцами. Поэтому, чем выше упругость материала, тем надежнее уплотнение.

При уменьшении сжимающего усилия упругий мате­ риал уплотнителя стремится восстановить свою первона­ чальную форму и в определенный момент начинает вы­ тягиваться из каналов, которые он заполнил при уплот­ нении. Следствием этого является постепенно нарастаю­ щая газопроницаемость соединения.

Пластмассы, пригодные для изготовления вакуумных уплотнителей, также относятся к разряду упругих мате­ риалов, но их упругость сильно отличается от упругости резины. Если хорошая резина, кратковременно сжатая даже на 50% своей толщины, при снятии нагрузки бы­ стро восстанавливает почти полностью свои первона­ чальные размеры, то большинство пластмасс восстанав­ ливает свою толщину только после сжатия на 1—2%, а при большем сжатии сразу получает остаточную де­ формацию.

Совершенно другими свойствами среди упругих ма­ териалов обладает фторопласт-4. Ему присуща высо­ кая ползучесть, соединенная со значительной упругостью. На рис. 11-3 видно, как изменяется толщина фторопла­ стового уплотнителя под длительной нагрузкой и после

247

—I______ !______I_____ I______I______' '

W 80 no WO гоо240 280

Рис. 11-3. Изменение толщины фторопластового уплотнителя под нагрузкой и после снятия ее.

а —тефлон, нагрузка 70 кгс/см2-, 6 — фторопласт-4, нагрузка 150 кгс/см2.

снятия ее. Вначале быстро уступая нажиму, фторопласт затем в течение 160 ч медленно приближается к равно­ весию с нагрузкой, а после снятия последней почти так­ же медленно восстанавливает большую часть утраченноного размера [Л. 53].

11-4. СТЫКОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ С РЕЗИНОВЫМИ УПЛОТНИТЕЛЯМИ

Как сказано ранее, стыковые уплотнения с ре­ зиновыми уплотнителями имеют наибольшее распро­ странение в тех установках, которые не работают с агрес­ сивными веществами и не подвергаются значительному прогреву, или когда место стыка разрешается искусст­ венно охлаждать. Эти условия здесь необходимы потому, что уплотнителями в данном случае служат прокладки из вакуумной резины, лучшие термостойкие сорта кото­ рой не допускают длительного прогрева свыше 200 °С и стойки против далеко не всех агрессивных жидкостей и паров.

Термостойкими, т. е. допускающими более или менее продолжительный прогрев до 200 °С, являются сорта ре­ зины: ИРП-1345, ИРП-1399, ИРП-2043 и 51-1433. Осталь­ ные сорта вакуумной резины не рекомендуется прогре­ вать в течение многих часов свыше 70 °С, хотя помещен­ ная в высокий вакуум резина сорта 7889 и выдерживает без разрушения температуру в 120 °С. При доступе ат­ мосферного воздуха эта резина при такой температуре разрушается.

2 4 8

ра, что обеспечивает сжатие уплотнителя по высоте до 40%'. Такое сжатие создает весьма большой запас на­ дежности, так как действительно необходимая для уплот­ нения степень сжатия уплотнителей из резин упомяну­ тых нами марок составляет 12—15%•

Наиболее распространенными в настоящее время являются прессованные уплотнители круглого сечения заводского изготовления. Они наиболее надежны и вы­ годны в отношении расхода резины и трудовых затрат. Однако часто в мелкосерийном п индивидуальном про­ изводствах уплотнители изготавливают из листовой или шнуровой резины.

Уплотнители для соединения небольших диаметров могут быть вырезаны из листовой резины с помощью приспособления, показанного на рис. 11-5. Два ножа 4 передвигаются по градуированной штанге 1 и могут за­ крепляться на ней в положениях, соответствующих об­ работке листа по внутреннему и наружному диаметрам

Р и с. 11-6, П о л о ж ен и е сты к а скл еен н о го у п л о т ­ ни теля.

а — правильное; б — неправильное.

уплотнителя. Прижимы 2 и 3 обеспечивают неподвиж­ ность листа во время операции вырезания. Приспособле­ ние ставится на сверлильный станок, а под резину кла­ дется лист фанеры или деревянная доска, предохраняю­ щая ножи от порчи. Прокладки малых диаметров выре­ заются на токарных станках в простых приспособленияхприжимах. Уплотнители при этом получаются прямо­ угольного сечения,

250