Если компоненты гидравлических систем не подлежат снятию, их соединения могут быть припаяны или приварены для обеспечения максимальной надежности. Однако, при необходимости обслуживания или замены компонентов такие соединения неизбежно будут повреждены, поэтому для всех гидравлических систем, за исключением узкоспециализированных, необходимы разъемные соединения. В связи с этим, конструкции фитингов за долгие годы претерпели значительные усовершенствования, направленные на повышение эксплуатационных характеристик и удобства монтажа, однако общая функция этих компонентов остается относительно неизменной.
Соединения герметично изолируют рабочую жидкость в гидравлической системе одним из двух способов:
- уплотнение «металл по металлу» с герметичным контактом двух металлических поверхностей;
- с помощью уплотнительных колец, удерживающих жидкость под давлением внутри системы путем сжатия эластомерного уплотнения.
В обоих случаях при затяжке соединения между ответными частями фитинга (либо фитинга и порта компонента гидросистемы) сопрягаемые поверхности соединяются, образуя уплотнение высокого давления.
Соединения с уплотнением «металл по металлу»
Резьба на трубных фитингах имеет коническую форму, а герметичность соединения зависит от напряжения, создаваемого при контакте витков резьбы ответной части с наружной резьбой с витками резьбы ответной части с внутренней резьбой (Рис. 1). Трубная резьба подвержена утечкам, поскольку она чувствительна к моменту затяжки
— при чрезмерной затяжке витки деформируются, формируя пути для утечки. Кроме того, трубная резьба характеризуется ослаблением под воздействием вибрации и значительных перепадов температуры, которые отнюдь не являются редкостью в гидравлических системах.
Рис 1. Фитинги с трубной резьбой уступили место новым конструкциям, которые упрощают сборку и техническое обслуживание и уменьшают либо полностью устраняют утечки. На рисунке показан угловой фитинг 90° с трубной резьбой на одном конце, стационарно ввинченный в порт. На другом конце фитинга имеется цилиндрическая резьба с конусом под трубу с развальцовкой.
При использовании трубных фитингов в гидравлических системах высокого давления всегда следует ожидать утечек по резьбе. Поскольку трубные резьбы имеют коническую форму, повторная сборка и разборка только усугубляет проблему утечки вследствие деформации витков, особенно если штампованный фитинг соединяется с портом чугунного компонента системы. Для соединения трубных фитингов рекомендуется применение герметиков, представляющих собой потенциальный источник загрязнения, что является еще одной причиной, по которой большинство конструкторов считают их устаревшими для использования в гидросистемах.
Фитинги с коническими штуцерами, разработанные много лет назад с целью усовершенствования соединительных элементов трубопроводов (Рис. 2), вероятно, до сих пор остаются конструкцией, наиболее часто используемой в гидравлических системах. При затягивании накидной гайки штуцер прижимается к развальцованной части трубы, в результате чего между поверхностями развальцованной части трубы и конической части штуцера образуется надежное уплотнение. Конические фитинги с углом конуса 37° предназначены для использования с трубами с малой и средней толщиной стенки в гидросистемах с рабочим давлением до 200 бар. Поскольку развальцовка толстостенных труб технологически сложна, для их соединения не рекомендуется использовать конические фитинги. Конические фитинги с углом 37° подходят для гидравлических систем, работающих при температурах от −50 до +200° С. Они более компактны по сравнению с большинством других фитингов и легко могут адаптируются под трубы с метрическими размерами. Такие фитинги широко доступны и являются одними из самых бюджетных.
Рис 2. Конические фитинги включают ряд усовершенствований в конструкции и отличаются улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с трубными фитингами. Они используются для соединения труб с малой и средней толщиной стенки.
Соединения без развальцовки трубы (Рис. 3) постепенно получает все большее признание, поскольку требует минимальной подготовки трубы. Они подходят под среднее рабочее давление 200 бар и более устойчивы к вибрации, чем другие типы соединений с уплотнением «металл по металлу». При затягивании накидной гайки уплотнительная втулка входит внутрь штуцера. При этом уплотнительная втулка сжимается вокруг трубы, что приводит сначала к ее контакту с наружной поверхностью трубы, а затем к утапливанию в поверхность с созданием принудительного уплотнения. В связи с этим, соединения без развальцовки трубы следует использовать для труб со средней и большой толщиной стенки.
Рис 3. Фитинги без развальцовки трубы имеют преимущества, сходные с преимуществами фитингов с коническим штуцером, и используются для соединения труб со средней и большой толщиной стенки.
Соединения с уплотнительным кольцом
Как это ни удивительно, проблема утечек в гидравлических системах могла быть устранена более чем пару поколений назад. Хотя работа гидравлики без утечек была всегда желательна, необходимость в этом стала более острой с повышением рабочих давлений, прежде всего в гидравлических системах военной авиационной техники во время Второй мировой войны. До этого типовое рабочее давление составляло от 55 до 70 бар. Послевоенная эра ознаменовалась разработкой систем, предназначенных для работы при давлении до 100 бар и выше в условиях высокой частоты рабочих циклов и гидроударов. Вскоре обычное рабочее давление выросло до 170…200 бар, что на сегодняшний день отнюдь не редкость.
Соединения с уплотнительными кольцами, обеспечивающими герметичность, продолжают получать признание разработчиков гидросистем по всему миру. В настоящее время имеются три основных типа таких соединений: фитинги SAE с цилиндрической резьбой и уплотнительным кольцом круглого сечения, фитинги с уплотнением по торцу, а также фланцевые соединения с уплотнительным кольцом круглого сечения. Выбор между фитингами с цилиндрической резьбой и уплотнительным кольцом и фитингами с уплотнением по торцу, как правило, зависит от таких факторов как место установки, наличие пространства под гаечный ключ или индивидуальные предпочтения. Фланцевые соединения обычно используются с трубами, имеющими наружный диаметр более 7/8” (22 мм), или в гидросистемах высокого давления.
При использовании фитинга с цилиндрической резьбой и уплотнительным кольцом последнее размещается между резьбой и гранью под ключ по наружному диаметру штуцера с наружной резьбой (Рис. 4). При этом формируется герметичное уплотнение между штуцером и посадочной поверхностью ответной части с внутренней резьбой. Фитинги с цилиндрической резьбой и уплотнительным кольцом подразделяются на две основные группы: регулируемые и нерегулируемые. К нерегулируемым (без возможности выбора положения) относятся заглушки и ниппели. Они просто ввинчиваются в порт без необходимости выравнивания. Регулируемые фитинги, такие как углы и тройники, при монтаже требуется ориентировать в определенном направлении.
Рис 4. Нерегулируемые фитинги (слева) и регулируемые фитинги SAE с цилиндрической резьбой и уплотнительным кольцом круглого сечения отличаются простотой сборки и высокой степенью герметичности.
Основное конструктивное различие между этими двумя типами соединений заключается в том, что заглушки и ниппели не имеют стопорной гайки и не требуют наличия опорной шайбы для эффективного уплотнения. Герметичность соединения здесь зависит от силы прижима уплотнительного кольца к фаске порта. Регулируемые фитинги ввинчиваются в ответную часть, поворачиваются в необходимом направлении и фиксируются путем затягивания стопорной гайки. При затягивании стопорной гайки неподвижная опорная шайба прижимает уплотнительное кольцо, образуя герметичное уплотнение. Сборка таких соединений всегда происходит предсказуемо, поскольку после установки фитингов технику достаточно убедиться в том, что опорная шайба находится в плотном контакте с посадочной поверхностью порта и должным образом зафиксирована.
В соединениях с уплотнением по торцу герметизация производится между плоской шлифованной поверхностью ответной части с внутренней резьбой и уплотнительным кольцом, находящимся в канавке, проточенной в торце ответной части с наружной резьбой (Рис. 5). При затягивании накидной гайки уплотнительное кольцо сжимается между торцами ответных частей.
Рис 5. В фитинге с уплотнением по торцу используется уплотнительное кольцо круглого сечения, помещаемое в кольцевую канавку в ответной части с наружной резьбой, которая сопрягается с плоской и гладкой поверхностью ответной части с внутренней резьбой.
Соединения с уплотнительными кольцами имеют ряд преимуществ перед соединениями с уплотнением «металл по металлу». Несмотря на то, что недостаточный или чрезмерный момент затяжки может привести к утечкам в любом фитинге, фитинги с уплотнением «металл по металлу» чаще подвержены утечкам, поскольку требуют более высокого момента затяжки при меньшем диапазоне допустимых значений. Это повышает риск срыва резьбы, образования трещин и деформации деталей соединения, что повышает вероятность нарушения герметичности. При уплотнении «резина по металлу» в соединениях с уплотнительным кольцом металлические детали не деформируются, что обеспечивает тактильное ощущение достижения герметичности при затяжке. Фитинги с уплотнением «металл по металлу» затягиваются постепенно, поэтому у техника могут возникать проблемы с распознаванием момента, когда соединение уже достаточно плотное, но еще не перетянуто.
С другой стороны, фитинги с уплотнительным кольцом дороже, чем фитинги аналогичных типоразмеров с уплотнением «металл по металлу», и во время их установки следует соблюдать осторожность, чтобы уплотнительное кольцо не выпало и не было повреждено при затяжке. Кроме того, уплотнительные кольца не являются взаимозаменяемыми для всех соединений. Неправильный подбор уплотнительного кольца или повторное использование деформированного кольца взамен поврежденного может привести к утечке. Однажды снятое уплотнительного кольцо нельзя использовать повторно, даже если оно не имеет видимых повреждений и деформаций.
Некоторые производители предлагают специально разработанные фитинги высокого давления, отличающиеся герметичностью по отношению к утечкам, в том числе капельным, аналогичной фитингам с уплотнением по торцу, и взаимозаменяемостью с множеством типов фитингов, используемых по всему миру. Испытания показали, что такие фитинги превосходят все применимые требования без каких-либо признаков утечки при воздействии вибрации с интенсивностью, в 15 раз превышающей типовые значения, наблюдаемые в объемных гидроприводах. Конструкция таких фитингов может показаться унифицированной, однако не следует сочетать с фитинги разных производителей.
Гидравлические фланцы
Для затяжки фитингов на трубах с наружным диаметром больше 1” (25,4 мм) нужны большие шестигранные гайки, которые, в свою очередь, требуют использования больших гаечных ключей, позволяющих приложить достаточный момент затяжки. Для сборки таких соединений требуется довольно большое пространство, обусловленное необходимостью работы с большими гаечными ключами. Кроме того, сила и степень усталости техника могут негативно сказаться на правильности сборки. В некоторых случаях для приложения необходимого момента могут понадобиться удлинители ключей (надставки).
Стандартные гидравлические фланцы (Рис. 6) позволяют решить обе указанные выше проблемы. Во фланцах для герметизации соединения и удерживания жидкости под давлением используется уплотнительное кольцо круглого сечения. Эластомерное уплотнительное кольцо располагается в канавке на фланце и сопрягается с плоской опорной поверхностью порта. Такая конструкция подобна фитингу с уплотнением по торцу. Фланец с уплотнительным кольцом крепится к порту болтами, что исключает необходимость использования большого гаечного ключа при сборке линии большого диаметра. Чтобы избежать образования зазора, через который может выдавливаться уплотнительное кольцо под высоким давлением, при затяжке фланцевых соединений важно приложить равномерный момент ко всем болтам.
Рис 6. Фланцы производятся в различных стандартных исполнениях, подходящих для большинства применений в гидравлических системах.
Производители также предлагают разъемные фланцы, подходящие для установки в существующие системы. Соединение с разъемным фланцем состоит из трех основных элементов: фланцевый адаптер, стационарно соединенный (как правило, паяный или приварной) с трубой, уплотнительное кольцо, которое вставляется в канавку в торце фланца, и хомут, состоящий из двух половин, с болтами для соединения разъемного фланца с ответной частью.
Все сопрягаемые поверхности фланцевых соединений должны быть чистыми и гладкими. Если на любой из них имеются царапины, шероховатости или неровности, соединения с большей вероятностью могут протечь. Кроме того, уплотнительные кольца, контактирующие с шероховатыми поверхностями, изнашиваются значительно быстрее. Для сборки конструкций, в которых важна взаимная перпендикулярность деталей, все части должны быть изготовлены с соответствующими допусками. Несмотря на то, что шероховатость рабочей поверхности фланца Ra 1,6 является приемлемой, большинство производителей фланцев предпочитают и рекомендуют изготавливать фланцы с шероховатостью Ra 0,8 с целью более качественного обеспечения герметичности соединений.
В правильно сконструированном разъемном фланце бурт выступает приблизительно на 0,25…0,76 мм за поверхность хомута, что обеспечивает достаточный прижим уплотнительного кольца к опорной поверхности (Рис. 7). Однако, половины хомута фактически не соприкасаются с опорной поверхностью. Наиболее важной процедурой при монтаже соединения с разъемным фланцем является постепенная (равномерная и перекрестная) затяжка всех крепежных болтов. Для этой работы не рекомендуется использовать пневматические гайковерты, поскольку их сложно контролировать, в связи с чем существует вероятность перетяжки.
Рис 7. В правильно сконструированном и собранном соединении с разъемным фланцем имеется равномерный зазор между опорной поверхностью порта и половинами хомута, равный 0,25…0,76 мм.
Полная затяжка одного из болтов при незатянутых остальных болтах может привести к перекосу фланца «вверх» (Рис. 8). При этом уплотнительное кольцо выдавливается, что снижает герметичность соединения. Если же болты перетянуты, фланец иногда перекашиваются «вниз» до тех пор, пока не коснется опорной поверхности порта, при этом болты изогнутся наружу. В любом случае, результатом, скорее всего, будет негерметичное соединение.
Рис 8. Неравномерная затяжка болтов разъемного фланца может привести к перекосу фланца «вверх» и повреждению уплотнительного кольца (слева), тогда как излишний момент затяжки (справа) может привести к деформации фланца и изгибанию болтов.
Управление движением механизмов с использованием гидравлической энергии требует компетенций и опыта в различных сферах. Расчет нагрузки, проверка кинематической схемы, траектория движения, выбор материалов и оборудования. Специалисты ООО ПКЦ "Кинематика" помогут сделать правильный выбор, предоставят обоснования, документацию, техническое описание и сертификаты на гидравлические компоненты, сделают математический расчет и предложат варианты оптимизации.
