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

11-8. САЛЬНИКОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ВВОДОВ ДВИЖЕНИЯ

На рис. 11-14 показано сальниковое уплотнение— устройство, обеспечивающее вакуумную плотность ввода в вакуумный аппарат вращающегося вала или поступа­ тельно движущегося штока. Уплотнения такого вида имеют весьма широкое применение для валов с малыми скоростями движения и удельными нагрузками.

Для их нормальной работы необходимо прежде все­ го, чтобы та часть вала или штока, которая может нахо­

диться в уплотнении, имела правильную цилиндрическую форму без ступеней, конуса, лысок и поясков и была бы хорошо заполирована.

Вал (шток) нужно делать из стали повышенной твер­ дости (сталь Ст.45 и выше), закаливать и шлифовать. После шлифовки его поверхность тщательно полируется и хромируется.

Сальниковое уплотнение с резиновыми манжетами работает удовлетворительно только со смазкой. Поэтому резиновые уплотнители для него должны делаться из маслостойкой резины, например, сорта 9024.

После плавления парафина в масле при температуре не свыше 70 °С смеси дают охладиться до комнатной тем­ пературы при непрерывном размешивании.

260

Глава двенадцатая

ПРОГРЕВАЕМЫЕ СТЫКОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ УПЛОТНИТЕЛЯМИ

12-1. М ЕХАН И ЗМ УПЛОТНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОКЛАДКОЙ

Ни один сорт резины, ни один вид упруго-пла­ стичного полимерного материала не обладает достаточ­ ной термостойкостью, чтобы полностью удовлетворить требованиям техники сверхвысокого вакуума, когда вакуумный аппарат подвергается прогреву свыше 300 °С. В этих случаях эффективным оказывается только уплотнение металлическими прокладками (уплотните­ лями).

Хотя принцип действия уплотняющей прокладки (за­ полнение всех неровностей уплотняемых поверхностей материалом относительно мягкой прокладки) остается неизменным для всех материалов, все же механизм уплотнения металлом значительно отличается от меха­ низма уплотнения резиной или полимером. Если наибо­ лее ценное для уплотнения качество резины (упругость) обычно совпадает в достаточной степени с ее мягкостью, то у металлов, наоборот, наиболее упругие материалы являются и наиболее твердыми, т. е. наименее пригод­ ными для изготовления прокладок. Наиболее же подхо­ дящие для этой цели пластичные, относительно мягкие металлы обладают весьма малой упругостью.

В то же время оба вида прокладок имеют общие чер­ ты поведения при сжатии их между уплотняемыми по­ верхностями: способность растекаться в стороны наи­ меньшего сопротивления, т. е. вытекать в наибольшие зазоры до тех пор, пока силы поверхностного натяжения и трение по контактным поверхностям не превзойдут слагающих, направленных в плоскости разъема соеди­ нения, а также способность сохранять вакуумную плот­ ность соединения при частичном снятии сжимающего (уплотняющего) усилия.

Однако последнее свойство у резиновых прокладок является следствием запаса упругости, полученной обычно в результате сжатия, большего, чем необходимо для на­ ступления вакуумной плотности, а у металла проклад-

кп.— это следствие отсутствия упругости, следовательно, инертности частиц, перекрывших каналы натекания п остающихся в них даже при некотором ослаблении

сжатия.

Для уплотнения металлическими прокладками могут быть применены сжимающие прокладку (уплотняемые) поверхности трех основных видов: плоские, конические и разного рода фасонные (с уступами, выступами, с ка­ навками, рифленые и т. и.). На практике любые уплот­ няемые поверхности не бывают идеально гладкими, как не бывает и идеально гладких уплотнителей. Следова­ тельно, процесс уплотнения заключается в деформации контактирующих поверхностен, продолжающейся до тех пор, пока более пластичный материал не примет форму, в точности соответствующую рельефу более жестких по­ верхностен. В большинстве случаев более твердыми являются фланцы плн вообще стыкуемые детали, а бо­ лее мягкими — прокладки. По существу здесь происходит

штамповка прокладки.

Для заполнения всех микроканалов, образуемых сле­ дами обработки уплотняемых поверхностей, приходится сжимать уплотнитель с усилиями, далеко превосходя­ щими предел текучести его материала, так как поверхност­ ные слои материала-уплонителя должны быть доведены до состояния высокой пластичности, подобной жидкотекучести. Отсюда следует, что в уплотнениях с металли­ ческими прокладками выгодно по возможности умень­ шать площадь, по которой происходит смятие прокладки, чтобы при высоком удельном давлении иметь возможно меньшее суммарное сжимающее усилие. Это наводит на мысль, что при плоских или конических уплотняемых поверхностях рациональны проволочные уплотнители, а при использовании плоских ленточных уплотнителей выгодно иметь на-фланцах или на прокладках узкие вы­ ступы, по ширине которых будет осуществляться уплот­ нение. Нельзя, однако, забывать при этом, что проволоч­ ные уплотнители малых размеров не технологичны, а при больших размерах требуют наличия цилиндрических по­ садочных мест, на которые их можно было бы натяги­ вать, ибо уложенная, но не натянутая проволока крайне неудобна в монтаже.

Что касается плоских прокладок, зажатых между вы­ ступами, то узкий выступ действует здесь как нож, хотя п тупой. Металл прокладки стремится вытечь из-под

2 6 2

выступа, если не имеет каких-либо ограничителей (на­ пример канавки, в которую уложен уплотнитель).

Помимо следов обработки в виде рисок на уплотняе­ мых поверхностях часто присутствует мелкая волни­ стость, также являющаяся следами обработки (дробле­ ние). Заполнить эти углубления возможно только при­ кладывая дополнительные значительные сжимающие прокладку усилия.

Как уже отмечалось, в большинстве случаев металли­ ческие уплотнители применяются в прогреваемых ва­ куумных системах. Вследствие анизотропичпости мате­ риалов и несимметричности конструкции при прогревах фланцы в большей или меньшей степени коробятся. Ве­ личина прогиба при этом соизмерима с толщиной уплот­ нителя, так как толстыми уплотнители делать нельзя во избежание вредного влияния разницы в коэффициентах термического расширения материалов фланцев и уплот­ нителя. Для повторного уплотнения необходимо или вы­ правлять фланцы, или не позволять им коробиться. По­ следнее достижимо только при условии, что стягиваю­ щие элементы соединения настолько мощны, что не да­ дут фланцам в результате прогрева отстать от уплот­ нителя даже на доли микрона.

Надежность уплотнения в значительной степени зави­ сит и от материала уплотнителя и от того, в каком со­ стоянии находится этот материал: нагартованном или отожженном. Нагартованный материал недостаточно пластичен и требует для уплотнения добавочных усилий. Слишком пластичный материал легко растекается, преж­ де чем перекроет каналы и уплотнит соединение. Лучшие результаты достигаются с уплотнителями, у которых мягкие поверхностные слои облегают относительно твер­ дую сердцевину. Последняя не дает материалу расте­ каться, а пластичная обкладка хорошо заполняет углуб­ ления в контактных поверхностях.

При прогреве разные материалы в различной степе­ ни способны к взаимной диффузии, а иногда и к химиче­ скому взаимодействию. Эти явления в некоторых случаях полезны, повышают надежность и долговечность уплот­ нения за счет некоторого спекания деталей соединения, но в ряде случаев приводят к их разрушению при демон­ таже. Например, алюминиевые уплотнители при прогреве свыше 350 °С и при давлениях, необходимых для уплот­ нения, частично привариваются к стальным фланцам,

причем приварившиеся частицы окиси алюминия чрезвы­ чайно тверды и могут быть удалены только вместе с по­ верхностными слоями стали. Медь также приваривается к стали при прогреве свыше 500 °С, но в интервале 300— 450 СС медные уплотнители, нагартоваиные монтажным сжатием, в значительной мере отжигаются и в соедине­ ниях некоторых конструкций могут быть использованы повторно. Никелевые уплотнители могут использоваться при температурах до 700 °С без опасности приваривания к фланцам. Опыт показал, что слабо окисленные уплот­ няемые поверхности деталей из нержавеющей стали ме­ нее подвержены опасности сваривания с уплотнителями.

Большое значение для надежности уплотнения имеет одинаковое температурное расширение всех элементов соединения. Если стягивающие болты, например, будут при нагреве удлиняться в большей степени, чем будет расширяться при той же температуре фланец, то стяги­ вание соединения ослабнет и вследствие коробления фланцы местами отстанут от уплотнителя, уплотнение нарушится. Поэтому все детали соединения должны де­ латься из металлов, имеющих одинаковый или близкий коэффициент термического расширения. Если же мате­ риал уплотнителя значительно отличается по темпера­ турному коэффициенту линейного расширения (КТР) от материала остальных деталей соединения, то его уплот­ нитель следует делать возможно более топким, чтобы эта разница сказывалась в меньшей степени.

Как видно из изложенного, эффективность и надеж­ ность уплотнения при помощи металлических уплотните­ лей определяется многими факторами. Этим объясняет­ ся то обстоятельство, что до сих пор не разработана методика расчета вакуумных уплотнений (это следует отнести и к уплотнению резиной). Все эти попытки при­ водят к таким сложным расчетам, что использование их теряет смысл, если учесть настоятельную необходимость унификации присоединительных деталей. Не подлежит сомнению, что эти расчеты следует использовать только как поверочные при разработке стандартов, которыми и надлежит пользоваться при конструировании вакуум­ ных систем.

Фланцевые соединения с металлическими уплотните­ лями могут быть классифицированы, как было указано выше, по форме уплотняемых поверхностей (эти поверх­ ности часто называют уплотняющим профилем) или

2 6 4

по форме поперечного сечения уплотнителя. Соедине­ ния малых и средних размеров, примерно до 300 мм в диаметре, могут быть уплотняемы с одинаковым успе­ хом при использовании многих существующих конструк­ ций уплотнения. Более крупные соединения, до 750 мм

вдиаметре, уже с большим трудом поддаются уплот­ нению, и надежных уплотнений здесь существует мень­ ше. Для уплотнения же металлом соединений, имеющих

впоперечнике несколько метров, пригодны только немно­ гие конструкции.

12-2. УПЛОТНЕНИЯ С ПЛОСКИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ УПЛОТНИТЕЛЯМИ

Этот вид уплотнений в прогреваемых высокова­ куумных системах наиболее распространен. В них пло­ ская ленточная прокладка, по большей части медная, зажимается между фасонными уплотняемыми поверх­ ностями фланцев. Поперечное сечение этих поверхностей (уплотняющий профиль) имеет в разных конструкциях соединений самую разнообразную форму, но все эти конструкции имеют целью создать уплотнение на воз­ можно более узкой полоске из всей ширины уплотнителя, чтобы получить на этой полоске наибольшие удельные давления при возможно меньшем суммарном уплотняющем усилии.

Остальная ширина уплотнителя ис­ пользуется в некоторых конструк­ циях как упор, ограничивающий сближение фланцев, а во всех слу­ чаях необходима для удобства об­ ращения с уплотнителем.

Необходимость деформации уз­ кой полоски уплотнителя (шириной не более 2,0 мм) делает обязатель­

ным точное изготовление фланцев по жестким техноло­ гическим допускам. Это затрудняет применение ленточ­ ных уплотнителей в соединениях больших размеров, на­ пример свыше 700 мм в диаметре, и в соединениях не­ круглых очертаний.

Во многих странах наибольшее распространение по­ лучило уплотнение типа «Conflat», запатентованное фир­ мой «Varian», схематически изображенное на рис. 12-1.

265

изготовления. Несоосность выступов пли недостаточная их высота делают невозможным уплотнение фланцев. Стяжные болты размещены с шагом 22—25 мм и имеют диаметр 8 мм. По рекламным данным в этом соединении уплотнитель может использоваться повторно. Однако это может осуществиться только в том случае, если предыду­ щее уплотнение было произведено не до смыкания флан­ цев, а с некоторым зазором. Дело в том, что при доста­ точном для уплотнения соединения сжатии уплотнителя в нем отпечатываются все неровности уплотняемых по­ верхностей фланцев п для повторного уплотнения необ­ ходимо перештамповать уплотнитель заново (при новом монтаже соединения попасть в прежнее положение всех элементов практически невозможно), а для этого необхо­ димо углубить выступы в уплотнитель больше, чем в пре­ дыдущий раз.

Распространены уплотнения со встречными кольцевы­ ми выступами на фланцах, схематически показанные на рис. 12-2. Выступы имеют в сечении форму трапеции или прямоугольника с высотой 0,7—1,0 мм и шириной по уплотняющей кромке 0,25—1,0 мм. Выступы должны вдавливаться в толстый медный уплотнитель на глуби­ ну до 0,4 мм.

Подобная конструкция была разработана в СССР

еще в 50-х годах для крупных разборных радиоламп. Она же применяется некоторыми отечественными пред­ приятиями и в настоящее время. Так же как и ранее описанные конструкции, эта система требует весьма точ­ ного исполнения деталей и тщательного монтажа и, кро­ ме того, она весьма чувствительна к малейшим повреж­

2 6 6

дениям или дефектам изготовления на уплотняемых по­ верхностях. Материал уплотнителя, деформируемый между выступами и не ограниченный в радиальном на­

ружной или внутренней) в зависимости от использования поля допуска. Клиновидный выступ имеет по бокам ма­ лые по размерам (0,3 мм), но очень важные заплечики, назначение которых ограничить растекание металла про­ кладки и обеспечить вакуумную плотность соединения при неравномерных прогревах, когда фланцы могут при­ обрести неодинаковое искажение очертаний. При этом явлении линия уплотнения может местами переходить, например, с внешнего конуса выступа и канавки на вну­ тренний или обратно. Без указанных заплечиков уплот­ нение при этом не обеспечивается.

Основная идея каиавочно-клинового уплотнения (нор­ маль НП0.002.025) заключена в том, что сравнительно тонкие фланцы, защищенные легко деформируемым ком­ пенсирующим поясом от вреднего воздействия корпуса при короблении последнего и стянутые часто поставлен­ ными стяжными шпильками достаточного диаметра, не могут отделиться от прокладки даже при короблении

267