Герметизация жестких фланцевых соединений

Прокладкой называют материал, помещаемый между двумя сопряженными фланцами для герметизации соединения. Необходимо, чтобы прокладки в течение длительного времени оставались неповрежденными и не теряли своих качеств. Поэтому материал, из которого изготавливают прокладки, должен быть стойким к воздействию жидкостей или газов, не разрушаться от нагрева, выдерживать вибрацию и другие эксплуатационные нагрузки.

Прокладки могут изготовляться заранее как отдельные детали методом вырубки из картона, резины, пробки, металла и других материалов. Либо формироваться по месту, между двумя сопрягаемыми фланцами. В этом случае химический уплотнительный материал наносится на одну из поверхностей непосредственно перед сборкой деталей. При их соединении уплотнитель распределяется между фланцами, заполняя зазоры, полости, царапины и неровности поверхности, и затем отверждается образуя герметизирующий слой.

Выбор типа герметизирующего материала зависит от решаемых инженерных задач и определяется множеством факторов. Главный из них - это конструкционный тип фланцевого соединения, - жесткий или эластичный. Жесткие фланцевые конструкции встречаются во всех областях промышленности, и являются даже более распространенными, чем эластичные.

Функции, выполняемые жесткими фланцевыми соединениями:

• достижение оптимальной жесткости между сопряженными деталями 
• минимизация перемещений фланцев друг относительно друга 
• передача усилий от одной детали к другой

Таким образом, задача жестких фланцевых соединений в идеале сводится к превращению соединения в единую деталь, без малейших зазоров и микроперемещения сопряженных поверхностей друг относительно друга. При этом предъявляется и прямо исключающее условие – такое соединение должно все же оставаться разборным. В свою очередь жесткие фланцевые соединения подразделяются на статические и динамические.

Динамические фланцевые соединения – это механические или фрикционные муфты, используемые для передачи момента вращающихся валов. Типичные примеры из автомобилестроения - промежуточные карданные валы в силовых трансмиссионных системах, в коробках передач и приводных механизмах автомобиля.

Передача усилия и крутящего момента в муфтах происходит за счет трения, возникающего между сопряженными поверхностями фланцев. Сила трения прямо пропорциональна площади соприкасающихся поверхностей и давлению, вызванному силой зажима стяжных болтов. Наличие даже микронных зазоров создает возможность микросмешения поверхностей при передаче вращающего момента.

Однако исследования, проведенные на микронном уровне, показывают, что зазоры остаются всегда. Фактическая площадь контакта даже тщательно обработанных и затем жестко стянутых стальных поверхностей на самом деле не превышает 25-35%. По этой причине жесткие механические соединения и соединения трением оказываются подвержены «заболеванию», называемому, «Фреттинг-коррозия». Это преждевременный износ сопряженных поверхностей, как следствие постоянных микроперемещений деталей относительно друг друга.

Использование вырубных прокладок в динамических муфтах позволяет отсрочить Фреттинг-коррозию, но появляются другие болезни. Под влиянием нагрузок материал прокладки изнашивается и просаживается, появляется люфт и разгерметизация.

Решение проблемы было найдено благодаря разработке анаэробных клеевых составов, отверждение которых происходит только при отсутствии доступа воздуха в малых зазорах между металлическими деталями. Такой клей, позволяет обеспечить надежную фиксацию металлических соединений, являясь при этом одновременно и герметиком, и стойким антикоррозийным покрытием.

Компания HENKEL выпускает анаэробный клей-герметик для жестких фланцев LOCTITE 574.

Этот продукт позволяет создавать очень тонкие (до 0,3 мм) полимерные прокладки. Анаэробный клей обладает очень высокой проникающей способностью, что позволяет ему полностью заполнять даже мельчайшие шероховатости. После того как поверхности стянут происходит его быстрая полимеризация, в результате достигается 100% контакт и дополнительная фиксация сопряженных фланцев. Это существенно увеличивает жесткость конструкции и придает ей лучшую способность выдерживать динамические нагрузки и большую прочность на сдвиг.

Испытания показали, что нанесения LOCTITE 574 на фланцы муфты перед сборкой увеличивает показатель статического крутящего момента в диапазоне от 2,5 до более чем 12 раз. Использование этого продукта дает и другие преимущества: защиту от коррозии и легкость последующего демонтажа соединения, исключение фреттинга и необходимости дополнительной подтяжки болтов в процессе эксплуатации.

Теперь поговорим о герметизации статических фланцевых соединений, которые имеют достаточно широкое распространение в автомобилестроении.

Типичными примерами жестких статических конструкций в транспортных средствах являются:

• корпуса коробок передач минимизация перемещений фланцев друг относительно друга 
• фланцевые соединения блока цилиндров 
• водяной насос к блоку цилиндров 
• литая крышка клапанного механизма к головке блока цилиндров

Основная задача герметизирующих прокладок в таких узлах - создавать непроницаемые барьеры, предотвращающие утечку либо попадание в механизм технологических жидкостей, газов и грязи.

Чтобы соответствовать требованиям жесткого фланцевого соединения, сила затягивания болтов (которые яв­ляются обычно единственным элементом крепления фланцев), должна быть значительной и при этом распределяться равно­мерно по всей сопрягаемой поверхности фланцев. При использовании вырубленных прокладок необхо­димо затянуть болты с таким усилием, чтобы под действием сжимающей силы прокладка заполнила все неровности фланцевой поверхности. Понятно, что при этом материал прокладки принимает на себя главную нагрузку при затяжке болтов. Отсюда происходят главные недостатки и причины утечек через вырубленные прокладки:

Преимущества использования анаэробных формирователей прокладок LOCTITE 574 в жестких фланцевых соединениях: 

• Отсутствие релаксации прокладки: применение анаэробных прокладок дает возможность плотного контакта металлических поверхностей флан­цев, что гарантирует оптимальное напряжение болтов в течение всего срока эксплуатации собранного соединения. Никакой дополнительной подтяжки болтов не требуется. 
• Отсутствие зазора: так как присутствует контакт металл-металл, то нет необходимости делать в конструкции допуск на толщину прокладки. Это очень важно, например, в случае если подшипник удерживается двумя половинами корпуса узла. 
• Структурная прочность: анаэробные прокладки дают высокую прочность на сдвиг, которая может использоваться для устранения перемещения, вызванного побочной нагрузкой. Это предотвращает ослабление болта, просадку между фланцами и увеличивает структурную прочность всего соединения. 
• Финишная обработка фланцевой поверхности: анаэробные прокладки позволяют уменьшить требования допусков к чистоте обработки поверхности деталей. Поверхности с царапинами и зарубками могут быть загерметизированы без устранения дефектов.
• Снижение затрат на складирование: обычные вырубленные прокладки могут использоваться только на конкретном фланцевом соединении. Они требуют бережного хранения и обращения. Большие запасы вырубленных прокладок могут вызы­вать значительное затоваривание на складах и увеличение накладных расходов. 
• Высокая химостойкость: отвержденные анаэробные прокладки имеют превосходную стойкость к воздействию бензина и дизтоплива, масел, водогликолевых смесей (антифризы, тосолы) и других агрессивных сред.
• Излишки материала не отверждаются вне соединения: в отличие от других жидких уплотнителей, анаэробные прокладки отверждаются только между совмещенными фланцевыми поверхностями. Это дает возможность гибкости сборочного процесса и исключает фактор ограниченности во времени, возникающий при использовании быстро испаряющихся или отверждаемых под воздей­ствием влажности материалов. Излишки продукта легко удаляются с внешних поверхностей или выдавли­ваются вовнутрь (жидкие анаэробы растворимы во многих средах). Проходы и каналы не будут блокированы их твердыми остатками. 
• Более простое применение на вертикальных поверхностях: жидкие уплотняющие продукты могут наноситься как на горизонтальные, так и на вертикальные фланцы. Применение вырубленных прокладок на вертикальной поверхности обычно требуют дополнительной технологической операции по нанесению специальных клеев на прокладку для фиксации на вертикальных поверхностях.