Hidraulica - Elemente de etansare, Etansarea asamblarilor fixe, Etansarea asamblarilor mobile

Hidraulica

Hidraulica este stiinta care studiaza legile de echilibru si de miscare a fluidelor din punctul de vedere al aplicatiilor in tehnica.

Denumirea de hidraulica provine din cuvintele grecesti hidra-apa si aulos-tub.Notiunea a fost pusa initial in legatura cu orga de apa(instrument muzical in Grecia antica)unde caracteristicile sunetelor erau realizate de inaltimea coloanelor de apa.

Hidraulica studiazain principal lichidele care sunt fluide,practic incompresibile.

Hidraulica are un vast domeniu de aplicabilitate.Apa fiind un element indispensabil vietii,primele asezari omenesti au fost conditionate de prezenta ei.In timp au aparut primele lucrari hidrotehnice:diguri,stavilare,apeducte,sisteme de irigatii.Mai tarziu rezervele mari de apa stranse in lacurile de acumulare sau canale au putu fi utilizate dupa dorinta pentru irigatii,navigatie,pentru scopuri industriale sau energetice.

Domeniul de aplicabilitate al hidraulicii s-a extins considerabil.La ora actuala nu exista nicio ramura a tehnicii unde s nu isi gaseasca aplicabilitate.

Exemple:

l      Industria constructoare de maini:in tehnica automobilului,locomotivei,aviatiei,navale,in industria usoara si alimentara s-au extins sistemele hidraulice de comenzi,actionari si automatizari,amortizoare,suspensii hidraulice etc.

l      Transporturi:principiile de functionare ale celor mai multe mijloace detransport sunt bazate pe legile hidraulicii.Astfel sunt vapoarele si submarinele,avioanele,vehiculele pe perna de aer,etc.De asemenea transportul fluidelor in conducte si canale,transportul hidraulic si pneumatic al diferitelor materiale al diferitelor materiale in suspensie(pulberi,paste,grane).

l      Metalurgie:siderurgie,in industria grea,de o importanta deosebita este problema apei de racire la furnale,laminoare,dispozitive hidraulice de turnare a metalelor si maselor plastice,echipamente hidraulice ale forjelor si pieselor etc

l      Masini hidraulice:reprezinta de asemenea un domeniu vast de aplicabilitate:turbine hidraulice sau eoliene,turbine de foraj,pompe de diferite tipuri etc.

Principalele proprietati ale lichidelor hidraulice sunt:

1. Densitatea,reprezinta,masa unitatii de volum:r=m/V[kg/m

2. Greutatea specifica,reprezinta greutatea unitatii de volum:g=G/V[N/m ],g=r.g

3. Viscozitatea,este proprietatea fluidelor de a opune rezistenta la curgere,datorita interactiunii intre particulele constituente.

4. Compresibilitatea,indica variatia relativa a volumului unitar de lichid supus unei variatii unitare de presiune.

5. Punctul de aprindere este temperatura la care vaporii de ulei se aprind.In sistemle de actionare hidraulica,acest punct de inflamabilitate nu are inportanta prea mare deoarece temperatura agentului motor in aceste sisteme este mult mai mica decat temperatura de temperatura de inflamabilitate a uleiului.In schimb,la presele hidraulice pentru presare la cald actionate cu ulei mineral este foarte importanta.Deasemenea in cazul depozitarii uleiurilor in legatura cu prevenirea incendiilor.

6. Puritatea agentului de lucru -Impurificarea uleiului cu substante care provin din afara(substante mecaniceca:praf,nisip,particule de metal etc)are urmari grave putand duce la deteriorarea elementelor hidraulice in miscare.Impurtatile se determina prin gravimetrie.Uleiul se poate imprifica si cu produsi lichizi si in special cu apa.Prezenta apei poate fi constatata si vizual,in unele cazuri,dupa culoarea tulbure pe care o da uleiurilor.

Elemente de etansare

Elementele de etansare au rolul de a impiedica pierderile de lichid ce se gasesc sub o presiune excedentara prin spatiul(intervalul)rezultat din imbinarea fixa sau mobila a doua suprafete.

Acestea se realizeaza prin crearea unui interval cat mai mic intre suprafetele asamblate,asezand intre acestea materiale usor elastice sau asigurand un joc mic prin constructie.Asamblarea se considera ermetica daca dupa o functionare de lunga durata,in cazul asamblarilor fixe,sau dupa un numar mare de deplasari,in cazul asamblarilor mobile,pierderea de lichid nu se observa cu ochiul liber.

Pentru buna functionare a dispozitivelor actionate hidraulic se impune realizarea unei etansari cat mai bune.In caz contrar,pierderile de lichid sunt marisi obtinerea presiunilor ridicate devine dificila.In acelasi timp,in cazul etansarii organelor mobile,constructia nerationala a acesteia provoaca pierderi mari de putere prin frecare si o uzura pronuntata a locurilor etansate. De asemenea,de o deosebita importanta este si asigurarea evacuarii eventualelor pierderi de lichid in rezervor.Prin aceasta se evita murdarirea cu ulei a masinii-unelte(in cazul folosirii uleiului ca mediu hidraulic),cat si a incaperii,inlaturand pericolul dezagregarii fundatiei de beton. La baza alegerii tipului de etansare sau urmatoarele criterii principale:etanseitatea,marimea fortei de plecare,rezistenta la uzura a elementului de etansare si a locurilor ce se etanseaza,siguranta in exploatare,simplitatea si comoditatea intretinerii si economia. Tipul de etansare ales depinde de valoarea presiunii,de natura mediului hidraulic,de temperatura si viteza acestuia.

Etansarea asamblarilor fixe In sistemele hidraulice majoritatea asamblarilor fixe sunt supuse demontarii in vederea repararii si reglarii,fapt ce limiteaza folosirea etansarilor turnate au lipite.Pe scara larga se folosesc etansarile cu materiale elastice(garnituri) (fig.1).

Garniturile elastice au proprietatea de a compensa neregularitatiile suprafetelor asamblate rezultate din prelucrare.

In vederea etansarii asamblarii flanselor,conductelor si diferitelor capacele,se utilizeaza garnituri din materiale usoare ,cum ar fi:carton,prespan,azbest,fibre,paronit(foaie de azbest cauciucata),piele,cauciuc,materiale plastice,etc.,precum si materialele usoare cu invelis din cupru,alama,aluminiuotel,etc. Pentru etansarea asamblarilor care lucreaza la presiuni de circa 75kgf/cm² si temperatri de 100°C se folosesc garnituri de paronit ,care inainte de asamblare,trebuie spalate cu apa calda si apoi unse cu grafit,iar in cazul presiunilor de pana la 250kgf/cm² se folosesc garnituri de aluminiu sau cupru cu lungimea de 3-6mm si grosimea de 1.5-3mm..Pentru presiuni mai mari se folosesc garnituri de otel si alte metale.Metalul folosit pentru executarea acestor garnituri trebuie sa aiba un modul de elasticitate mare pentru ca sa reziste la eforturi mari create prin strangerea prealabila a acestora. In prezent se folsesc,pe scara larga,garnituri combinate,realizate prin suprapunerea de straturi din diferite materiale.Pentru realizarea unei rezistente marite,baza garniturii se executa din metal,folosindu-se invelisuri corespunzatoare. Rezultate bune dau garniturile metalice inelare gofrate(fig.2,a),cu suprafete cauciucate si garnituri ale caror intrinduri ale nodurilor sunt umplute cu cauciuc vulcanizat(fig.2,b). La aceste garnituri,etansarea se realizeaza in principal pe seama materialului usor,iar ondularea formata de gofruri imprima garniturilor rigiditatea necesara. Destul de mult sunt folosite si etansarile cu inele de cauciuc de diferite sectiuni vulcanizate pe saibe metalice(fig.2,c si d). In cazul folosirii sectiunii trapezoidale,dupa strangere,inelul de cauciuc capata forma unei mansete(fig.3),asigurand astfel o etanseitate foarte buna.Se recomanda ca inelul metalic sa fie executat dintr-un material usor,care sa se deformeze in momentul strangerii,acoperind astfel jocurile prin care ar putea fi expulzat cauciucul.De asmenea trebuie evitata posibilitatea strangerii partii interioare a mansetei cu filetul. Pentru realizarea unei etanseitati cat mai bune si a protejarii garniturii,acestea se introduc in canale speciale practicate pe una din flanse(fig.4).In cazul folosirii garniturilor elastice cu sectiunea transversala drptunghiulara,sectiunea transversala a canalului va fi cu 30%mai mica decat cea a garniturii. La asamblarile flanselor cu garnituri plane,pe suprafetele celor doua flanse se executa niste canale concentrice(cu sectiune transversala dreptunghiulara)cu o ada ncime de 0.3mm,la distanta de 1.00-0.8mm unul de altul,in vederea imbunatatirii etanseitatii.Pentru asamblarea flanselor cilindrilor,grosimea garniturii se recomanda a fi aleasa in functie de diametrul acestuia. In prezent pentru etansarea dispozitivelor hidraulice se folosesc pe scara larga etansarile cu inele circulare(fig.5). Asamblarile care pot fi etansate fara garnituri(printr-o lucrare mai ingrijita,cu o prestrangere mai mare)necesita o ungere si o vopsire a suprafetelor in contact pentru imbunatatirea etanseitatii. Unsorile si vopselele folosite sunt pe baza de rasini sintetice,gudroane sintetice,produse de distilare ale petrolului,azbest praf,hartie sau reziduri textile,etc.In compozitia acestor unsori si vopsele se mai adauga si pulberi metalice,in special pulbere de aluminiu.Unsorile si vopselele in compozitia carora se afla cauciucul sintetic nu se dizolva in apa,sunt elastice si poseda o mare capacitate de a se lipi.

Se mai folosesc uneori si vopsele pe baza de uleiuri vegetale(in,soia),care se usuca usor,pastrandu-si in acest caz elasticitatea. In cazul temperaturilor inalte trebuie folosite unsori si vopsele care sa reziste la tensiuni termice.Se comporta foarte bine unsorile si vopsele care sa reziste la schimbarile de temperatura de la -50°C pana la +650°C. Aceste unsori si vopsele aplicate pe suprafetele in contact in stare stransa(comprimata) se transforma intr-o garnitura subtire. Pentru asigurarea etanseitatii asamblarilor fixe la dispozitivele care lucreaza la presiuni si temperaturi inalte(cazul preselor),se flosesc diferite garnituri metalice ,rigide si elastice,care dau rezultate bune pana la presiuni de circa 3000kgf/cm². In figura 6 sunt reprezentate sectiunile transversale ale garniturilor de etansare carese folosesc la presiuni peste 7000kgf/cm². In figura 6 ,a si b,sunt reprezentate garniturile(inelele)cu sectiunea triunghiulara,al caror efect de etansare este bazat pe principiul penei.Tot pe acelas principiu se bazeaza etansarea reprezentata in figura 6 ,g,la care rigiditatea radiala a inelului este mai mare. Inelul cu sectiune patrata(fig.6,c)realizeaza etansarea tot pe principiul penei,insa,in acest caz,presiunea de contact este mai mica decat in cazul inelului cu sectiune triunghiulara. Pentru micsorarea concentrarii de tensiune si realizarea unei presiuni mai uniforme a contactului ,se folosesc inele cu sectiune circulara (fig.6,d si e).O varianta a acestor inele este reprezentata in figura 6,f. Inelul din figura 6,h,cu sectia profilata,cat si cel din figura 6,i,realizeaza o eansare mai buna decat celelalte,deoarece presiunea de contact depinde in mai mare masura de actiunea presiunii uleiului.Aceste garnituri pot fi folosite cu destula siguranta pentru presiuni 2500-3000kgfcm². Garniturile metalice cu suprafete cauciucate(fig.7,a)pot lucra la presiuni de 350kgf/cm² si temperaturi cuprinse intre -230°C si +260°C,iar garniturile metalice(fig.7,b)dau rezultate bune la temperaturi cuprinse intre 230°C si 1000°C si presiuni de pana la 1400kgf/cm².

Etansarea asamblarilor mobile                                  

In constructia dispozitivelor hidraulice asamblarile mobile care necesita etansare,sunt cu miscari d translatie si cu miscari de rotatie. Etansarile asamblarilor mobile cu miscare de translatie sunt foarte des intalnite ,mai ales la etansarea pistoanelor si tijelor motoarelor si distribuitoarelor cu sertar.

Pentru asamblarea pistoanelor motoarelor motoarelor hidraulice si cel mai simplu si rezistent tip de etansare este cel cu inele metalice elastice(segmenti).Aceste etansari sunt folosite pentru o gama larga de presiuni si temperaturi si poseda o frecare relativ mica[179].In figura8 este rprzentat un inel metalic elastic obisnuit,de fonta sau de bronz,cu sectiunea transversala dreptunghiulara si fante(taieturi) de diferite configuratii. Experienta arata ca aceste asamblari asigura o etanseitate buna in cazul unor presiuni mari.Etanserile cu 2-3inele de fonta cenusie prelucrate ingrijit pot functiona timp indelungat la presiuni de pana la 250kgf/cm²si viteze de deplasare de 300m/min.In cazuri cu totul deosebite,cu o prelucrare mult ingrijita ,pot fi folosite cu succes si la presiuni de 500-700kgf/cm². Durata de functionare a segmentiilor este de aproximativ 500 ore sau,altfel spus,de 200 000curse duble,la o temperatura de 15-25°C.In conditiile cresterii temperaturii durata de functionare scade. Materialul segmentiilor trebuie sa aiba o elasticitate suficienta si proprietati antifrictiune. De obicei ele se executa din fonta cenusie si se trateaza termic dupa prelucrare la o duritate de 98-105 HRB100. Segmentii cu diametrul pana la 180mm se executa din fonta cenusie Fc20,iar cei cu diametrul de peste 180mm,din Fc15.Modulul de elasticitate al materialului inelelor E=9 1010 10kgf/cm.           In figura 9,a,este o montare cu bucsa;in figura 9,b, este o montare cu piulita si in figura 9,c,este o montare cu placa. Pentru functionarea corecta a mansetelor cotite este necesar un joc de 1.5-2mm intre suprafata interioara a acesteia si suprafata exterioara a inelului1(fig.10,a).Este nerecomandabila folosirea inelelor cu suprafata exterioara conica(fig.10,b),la care diametrul sau maxim atinge suprafata interioara a mansetei.In acest caz diametrul mansetei cresteputin in apropierea locului de contact si in acelas timp manseta este stransa in directie radiala,marind pierderile prin frecare si reducand durata de functionare. Pentru a preveni distrugerea mansetelor in momentul terminarii cursei(atingerea cu capacul motorului),se prevede,prin constructie,ca planul frontal al inelului1 sa depaseasca marginea mansetei cu marimea l1>23mm(fig.10,a). Aceste etansari cu mansete prezinta un mare dezavantaj,care consta in umflarea mansetelor in urma strangerii cu ajutorul inelelor.Astfel diametrul mansetei creste in dreptul suprafetei de contact ,capatand forma in figura11.Daca strangerea inelului nu este suficienta ,atunci nu se realizeaza etanseitatea intre fundul inelului si piston.Pentru a inlatura neajunsul se folosesc mansete in forma de V. Caracteristic la aceste mansete este faptul ca ele se monteaza liber pe piston.Etanseitatea se obtine numai sub actiunea presiunii exercitate de catre mediul hidraulic asupra mansetei. Inelele de cauciuc se introduc in canale cu sectiunea dreptunghiulara sau semicirculara,cu strangere intre suprafetele ce trebuie etansate.Sectiunea canalului trebuie sa fie mai mare decat sectiunea inelului.Datorita presiunii exercitate de catre mediul hidraulic,inelul de etansare se deformeaza,asigurand etanseutatea. Pentru etansarea arborilor(la pompele si motoarele hidraulice cu miscare de rotatie)se utilizeaza din ce in ce mai mult etansari de tip frontal.Aceste garnituri asigura o etansare buna,o frecare micasi o durabilitatemare ,si pot fi folositela viteze periferice mari,in orice mediide lucru,si la temperaturi inalte.Etansarile de acest tip seconstruiesc in doua variante:etansari nedescarcate(fig.13,a)si etansari descarcate(fig.13,b).In ambele cazuri ,etansarea se compune din inelul de etansare1,executat dintrun material antifrictiune si inelul de reazem2,care vine in contact cu inelul1 pe suprafata frontala,executa dintr-un material dur.Inelul de etansare1 se monteaza liber pe axul in miscare de rotatie,iar inelul reazem pe carcasa fixa,putand fi folosit si montajul invers.Inelul de etansare este presat de inelul de sprijin de catre arcul3,realizand presiunea de contact prealabila,suficienta pentru a impiedica scaparile,in cazul in care presiunea este nula sau aproape de valoarea lui zero.Pentru etansara inelului mobil montat pe ax se filoseste inelul de cauciuc4 sau mansete de etansare.Din cauza suprafetei mici de alunecare a inelului,inunele cazuri temperatura de la locul de contact creste si exista pericolul griparii.Pentru a se evita aceasta se asigura o frecare minima si se prevede circulatia lichidului de lucru prin camera de etansare pentru evacuarea plusului de caldura.In timpul miscarii de rotatie ,inelu mobi trebuie sa fie supus numai actiunii cuplului de rotatie,iar forta arcului sa se repartizeze uniform pe suprafetele frontale ale inelelor de etansare. Acest tip de etansari prezinta avantajul compensarii erorilor de executie si montaj,precum si uzura inelelor,datorita faptului k unul dinter inele poate aluneca in lungul axului. Prin constructia nedescarcata se realizeaza o presiune de contact marita,datorita suprafetei mari a inelului1 pe care actioneaza lichidul de lucru sub presiune. In vederea micsorarii presiunii de contact se folosesc etansarile cu descarcare partiala a cuplei de frecare create de catre forte datorate presiunii mediului hidraulic. Etansarile descarcate pot functiona la presiuni de ordinul a 45kgf/cm,deoarce sunt mai putin sensibile la pulsatiile mediului hidraulic.