KURZUS: Gépszerkesztés és modellezés

MODUL: IV. modul Fogaskerekek, rugók, tömítések

12. lecke: Tömítések

| Cél: tömítések típusainak, feladatainak megismerése.
Követelmény: A tananyag elsajátítása akkor tekinthető sikeresnek, ha Ön:
tudja, hogy mi a tömítések célja; tudja, hogy milyen szempont szerint osztályozhatjuk a tömítéseket; tudja, hogy kialakításukat tekintve milyenek lehetnek a lapos tömítések; tudja, hogy mi szolgáltatja a tömítő hatást profilos, önműködő és labirint tömítéseknél; tudja, hogy milyen csoportokra oszthatók a radiális tömítések; tudja, hogy melyik tömítés típus a legelterjedtebb megoldás forgótengelyek esetén; tudja, hogy mi a csúszógyűrűs homloklap tömítés négy altípusa; ismeri a védőtömítések feladatát; tud rajzolni nemeztömítést és karmantyús tömítőgyűrűt.
Kulcsszó: tömítés.
12.1. A tömítések célja és fajtái
Legáltalánosabban úgy határozhatjuk meg a tömítésre szolgáló elemek célját, hogy segítségükkel különböző nyomású és különböző közeggel töltött tereket tudunk egymástól elválasztani. Látszólag ez a feladat nem nehéz, viszont a későbbiekben látható lesz, hogy ez a viszonylag olcsó alkatrész milyen fontos feladatot tölt be. Ugyanis ezen egyszerű alkatrész hibájából, vagy nem megfelelő szerkezeti kialakításából igen komoly üzemzavar, más drága szerkezeti rész tönkremenetele, de legalábbis sok bosszúság adódhat.
A tömítések nemcsak különböző közegeket választanak szét, hanem védelmet adnak szennyeződések bejutásával szemben, vagy pedig megakadályozzák a kenőanyag elszivárgását.
A tömítéseket többféle szempont szerint osztályozhatjuk.
1. | Működési módjuk szerint beszélünk
| a) | érintkező tömítésekről (a tömítőanyag és a tömítendő felületek érintkeznek)
| b) | érintkezés nélküli tömítésekről (vagyis a tömítendő felületek között rés van)
2. | A csatlakozó felületek relatív elmozdulása szerint megkülönböztetjük
| a) | nyugvó felületek tömítéseit (az egymáshoz csatlakozó vagy a tömítés és a vele érintkező felület között relatív elmozdulás nincs)
| b) | mozgó géprészek tömítéseit (a felületek között relatív elmozdulás van).
3. | A tömítési feladat szerint megkülönböztetünk:
| a) | Folyamatos üzemelést biztosító (funkcionális) tömítések: Ezen tömítések a gépek, berendezések működéséhez elengedhetetlenül szükségesek (pl. kazánfedél-, hengerfejtömítés); tönkremenetelük működési rendellenességet okoz.
| b) | Védő (komfort) tömítések Ezek a tömítések a gépeket, berendezéseket védik a külső behatásoktól (pl. por, nedvesség), ill. a környezetet védi a szennyeződéstől (pl. kenőanyag-szivárgás); tehát kis nyomáskülönbségek esetén.
| c) | Biztonsági tömítések Élet-, baleset-, és vagyonbiztonsági szempontból jelentősek, a legkisebb hibájuk is veszélyt okozhat (pl. fékberendezések tömítései)
12.2. Nyugvó felületek érintkező tömítései
12.2.1. Lapos tömítések
A lapos tömítésekben az összeszorító erő hatására a tömítőanyag rugalmasan, vagy pedig képlékenyen deformálódik. A belső túlnyomással szemben a felületek síkjában keletkező csúsztató feszültség tart egyensúlyt (12.1. ábra).
A tömítés alakváltozása és egyensúlya
12.1. ábra
A lapos tömítések kialakításukat tekintve lehetnek tárcsák, gyűrűk vagy kerekek különböző keresztmetszettel, ezek teljes szélességükkel felfekszenek a tömítő felületen (12.2. ábra). Az anyagaik jórészt kis alakváltozási ellenállással rendelkeznek (gyapot, kender, azbeszt stb.) részint viszonylag lágyfémek. Sokszor a lágy műanyagot keményebb fémbevonattal látják el, ez rugalmas, míg a lágyabb anyag maradó alakváltozást szenved.
Lapos tömítések
12.2. ábra
Elvileg a sík felületei tömítésekhez soroljuk azt a tömítést is, amikor a tömör zárást a felületek pontos illesztésével és fokozott alakhűséggel valósítunk meg (12.3. ábra). A tömítő hatás fokozása érdekében tömítő paszták is alkalmazhatók. A paszták adszorpciós és kapilláris hatás következtében adnak tömör zárást.
Tömítés tömítőanyag nélkül
12.3. ábra
Hengerfej tömítés - tulajdonképpen síktömítés - anyagkombinációból készült tömítés, A nyugvó, érintkező felületek közötti tömítés egyik legfontosabb, de legnehezebb területe a belsőégésű motorok hengerfejénél használt síktömítés. A hengerfejtömítés feladata a hengertömb és a hengerfej tereinek és nyílásainak tömítése, egymásközti és a környezethez viszonyított tömítése.
12.2.2. Profilos tömítések
Míg a lapos tömítéseknél a tömítő nyomás egy meghatározott felületen oszlik meg, addig ez a nyomás a profilos tömítéseknél viszonylag kicsi, kevésbé definiálható felületre, sokszor pedig csak egy vonal mentén hat.
A profilos lágytömítések leggyakoribb alakja a kör keresztmetszetű gyűrű, vagy a szokásos megnevezéssel O-gyűrű. A rugalmas anyagú O-gyűrűt gondosan kialakított horonyban helyezik el, majd külső nyomással összeszorítják. Az üzemi nyomás hatására a gyűrű felveszik a legjobb tömítőhatásnak megfelelő anyagot. Az O gyűrű beépítése és működése látható a 12.4. ábrán.
"O" gyűrű beépítés és működés
12.4. ábra
Profilos kemény tömítések anyaga általában lágyvas, acél, vagy vörösréz. Nagyobb üzemi nyomásnál kemény alakos tömítés használandó, ekkor a tömítő erő igen kis felületre koncentrálódik és nem szükséges nagy előfeszítő erő. Az él felfekvésű gyűrűk képlékeny alakváltozást szenvednek a beépítéskor (az élek letompulnak), ezért a felfekvő felület kismértékben kiszélesedik, a tömítés éle a tömítendő felületekbe benyomódik. A gyűrűk másik csoportja lényegében rugalmas alakváltozást szenved, és emiatt ismételten felhasználható. A gyűrű tömítő felülete lehet kúpos, lencse alakú körívekkel határolt. Ezeket a profilokat igen nagy nyomású és nagy hőmérsékletű közeg tömítésére használhatjuk (12.5. ábra).
Lényeges megállapítás az, hogy a tömítő hatás elérése érdekében nem szükséges különleges tömítőanyag. A tömítés ugyanis nem tömítőanyagon múlik, hanem a megfelelő alakadás kérdése, és ezt olyan anyaggal is megvalósíthatjuk, amely általában nem jó tömítőanyag.
Profilos tömítőgyűrű alakok
12.5. ábra
12.2.3. Önműködő tömítések
Ez esetben a külső előfeszítő erő csak egy kezdeti nyomás előidézésére szolgál. Az érintkező felületeken üzem közben a szükséges tömítő nyomás a közeg nyomásának megfelelően változik (12.6. ábra).
Önműködő gumi gyűrű és delta fém gyűrűtömítések
12.6. ábra
12.2.4. Tömszelence szerű tömítések
Ezek a tömítések átmenetet képeznek a tömítőszelencés tömítések felé. A rugalmas tokos kötéseknél rugalmas, gumi alapú tömítőanyagot használnak. A tömítő erőt a tömítő persely segítségével tudjuk utánállítani (12.7. ábra).
Tömszelence szerű tömítés
12.7. ábra
12.2.5. Nem bontható vagy csak korlátozottan bontható érintkező tömítések
Két fő csoportja van:
a hegesztett kötések a szilárd illesztésű kötések.
A csövekben ébredő erők átvitelére is alkalmas hegesztett kötéseket nem sorolják a tömítések közé, pedig a hegesztési varratnak tömítési funkciója is van, mely a működés szempontjából igen lényeges. Az erőátvitel nélküli hegesztett kötéseknél a hegesztési varrat tisztán tömítési célra szolgál, mert az erőhatást a karimát összekötő csavarok viszik át.
A szilárd illeszkedésű kötések (zsugorkötések) a nagy fajlagos felületi nyomás következtében a két alkatrész között tömítő hatást is kifejtenek.
12.3. Mozgó gépalkatrészek érintkező tömítései
Általában a mozgó felületek érintkező tömítéseinek jó működési feltételei:
gondosan megmunkált felület, egészen lassú mozgásnál Rmax = 1...5 μm , egyébként Rmax = 1...2 μm . kopásállóság, (elérhető betétedzéssel, kemény krómozással stb.) megfelelő futáspontosság, és körkörösség valamint méretpontosság
12.3.1. Radiális tömítések
A radiális tömítések felépítésük, ill. működésük szerint az alábbi csoportokra oszthatók:
kompressziós (tömszelencés tömítések) alaktartó gyűrűstömítések önműködő tömítések
Tömszelencés tömítések
Ezek a tömítések használatosak haladó (alternáló) mozgást végző rudak és forgó-tengelyek tömítésére is, nemcsak nyugvó tömítésre. A kialakításuk általános esetekre már több országban szabványos, melynek egy megoldását az 12.8. ábra mutatja.
Tömszelencés tömítések
12.8. ábra
A tömítések most tárgyalt csoportjába sorolhatjuk a nemezgyűrűs tömítéseket is, melyek elsősorban védőtömítések (12.9. ábra). Régebben elterjedten használták kisebb fordulatszámú tengelyek zsírkenésű gördülő csapágyházainak tömítésére. Por, szennyeződés, olaj bejutása ellen tömít. Maximálisan 70°C hőmérsékletig használható. Üzem közben, ha porral telítődik, a tengely felületét jelentősen koptatja.
Nemezgyűrűs tömítések
12.9. ábra
Önműködő tömítések
Ezen belül megkülönböztetjük a forgómozgást végző és a haladó mozgást végző géprészek tömítéseit.
a) Önműködő tömítések forgómozgást végző géprészeken
Forgótengelyek tömítésére egyik legelterjedtebb megoldás a radiális (karmantyús) tengelytömítés. Tulajdonképpen radiális, lágy anyagú tengelytömítés, amely sok országban szabványosítva van, a rugós tömítőgyűrű nevet viselik, viszont a legismertebb megnevezése a Simmering-tömítés. A tengely felülete és a tömítő ajak közötti tömítő résben ébred a tömítő erő, amelyet vagy maga a rugalmas anyag, vagy pedig a rásegítő csavarrugó fejt ki (12.10. ábra).
Karmantyús tömítés felépítése
12.10. ábra
A radiális tengelytömítések két jellegzetes kiviteli formában készülnek, fémházas, illetve fémerősítésű elasztomer-burkolatú kivitelben.
Az egyes gyártó cégek igen sokféle változatban állítják elő, katalógusaik részletes ismertetéseket adnak. A szokásosabb megoldásokat az 12.11. ábra mutatja:
Karmantyús tömítések típusai
12.11. ábra
Karmantyús tömítések
Egy ajakos típusok elasztomer-ajkas, fémházas (a, ábra) elasztomer-ajkas és -borítású (b, ábra) szövetbetét-erősítéses elasztomer borítású c, ábra) fémházas, teflon tömítőajkas (d, ábra) fémházas, kúpos megtámasztással (e, ábra) Porvédőajakos típus (f, ábra) Két ajakos típus (g, ábra) Külső ajakos típus, furatok belső hengerpalástjának tömítésére (h, ábra)
A rugós tömítőgyűrű általában csak kis nyomásra használható, szennyeződés bejutása, vagy leginkább olaj kiszivárgásának megakadályozására. A karmantyú az ajak irányában tömít.
b) Önműködő tömítések haladómozgást végző géprészeken
Az ilyen, főként gyűrű alakú tömítések leginkább a hidraulikus és pneumatikus munkahengerek dugattyújának és dugattyúrúdjának tömör zárásánál találhatok.
A használatos tömítések mindegyike lágyanyagú, beszélhetünk profiltömítésről és ajakos tömítésről.
Profiltömítések legegyszerűbb alakja a kör keresztmetszetű O gyűrűk. Anyaga gumi, vagy gumi rugalmasságú műanyag (elasztomer). Kifejezetten dinamikus igénybevétel esetére használható a T gyűrű (12.12. ábra). Előnye az O gyűrűvel szemben a gyűrű nem csavarodik meg, nagyobb a megengedhető résméret, a gyűrű kevésbé deformálódhat a résbe, ezért lágyabb, kopásállóbb elasztomer is felhasználható.
T-gyűrű tömítés, terheletlen és terhelt állapotba
12.12. ábra
Ajakos tömítések (mandzsetta tömítések) (12.13. ábra). Az üzemi nyomás szorítja a tömítő ajkakat a tömítendő felületekhez. Megkülönböztetünk egyszeres és kettős tömítő hatású (tömítő ajkú) mandzsetta tömítést. Az egyszeresnél a radiális tömítetlenségi utat külső beszorítással zárjuk, míg a kettősnél a radiális és axiális tömítetlenség az üzemi nyomás hatására záródik (teljesen önműködő tömítés).
Mandzsettatömítés
12.13. ábra
Mandzsettatömítés működési elve
12.14. ábra
12.3.2. Axiális tömítések
Csúszógyűrűs homloklap tömítések
A tömítő felületet a forgó és kopó tengelyfelületről a tengelyre merőleges körgyűrű felületre visszük át, amely még kopás esetében sem változtatja alakját.
A csúszógyűrűs tömítés alaptípusai
12.15. ábra
A csúszógyűrűs homloklap tömítést négy alaptípusra vezethetjük vissza:
a tömítő csúszógyűrű a tengellyel együtt forog, és a belső túlnyomás, valamint a rugóerő szorítja a házba szilárdan illesztett jobb oldalsó ellengyűrűhöz (A típus). a túlnyomásos téren kívül helyezkedik el a csúszógyűrű (B típus). a tömítőgyűrű az állóházzal együtt áll a belső túlnyomású térben, a tengelyre felhúzott ellengyűrű forog (C típus). csúszógyűrű a házban áll, a tömítő felület (súrlódó gyűrű) a nyomás alatti téren kívül helyezkedik el (D típus).
Axiális ajakos tömítések
Itt a tömítettséget szintén a tömítő felület axiális irányú zárásával hozzák létre. Jellegében hasonló a radiális ajakos tengelytömítésekhez. Sokféle kivitelben készül, van ahol a tömítő ajkakat rugó terheli - nagyobb sebességhez és túlnyomáshoz, vannak rugó nélküli kialakítások - általában gördülőcsapágyak védelmére.
Axiális ajakos tömítés
12.16. ábra
12.4. Nem érintkező tömítések
12.4.1. Hidrodinamikus tömítések (fojtótömítések)
A résen keresztül történő folyadékáramláskor fellépő nyomás veszteségeket használjuk fel tömítésre. A résben a folyadéknyomás a súrlódási és örvénylési veszteségek következtében csökken le a külső tér nyomására. Így tömör zárásról itt nem beszélhetünk.
A nem érintkező tömítések esetén a rések között közegáramlás van. Az átfolyási utat úgy kell kialakítani, hogy az áramlási ellenállás minél nagyobb legyen. Megkülönböztetünk sima rést, labirintrést és labirintot. A labirintrés a sima réshez képest egyik vagy mindkét felület szakaszos tagolással készül. A folyadékzárású labirint- és réstömítésekbe a zárófolyadékot túlnyomással vezetik be, majd pedig az innen kiáramló zárófolyadékból az elnyelt tömítendő közeget (mérges gáz, gőz) ki kell nyerni, le kell választani.
Réstömítés
A réstömítés az esetek döntő többségében kis vastagságú körgyűrű keresztmetszetet jelent bizonyos hossz mentén.
A szokásos résvastagság 0,1...0,2 mm, esetleg néhány μm .
A réskialakítások szokásos változatai
12.17. ábra
Labirinttömítések
A labirinttömítés olyan egymást követő fojtások sorát jelenti, nagy nyomáskülönbségű terek között, ahol a folyadékáram energiáját az örvénylés majdnem teljes mértékben felemészti. A labirint tömítettsége a fojtási helyek számától függ (12.18. ábra).
Helyesen kialakított labirint tömítés esetén, ha a tömítő felületek kölcsönös helyzetüket megtartják, a tömítő hatás - állandó üzemi viszonyok között - változatlan és mentes az elhasználódástól, így nem igényel utánállítást, nem fogyaszt tömítő anyagot.
A fentiek alapján ezt a tömítési módot közepes nyomású, nagy hőmérsékletű gáz és gőz tömítésénél jöhet leginkább szóba, nagy relatív sebességnél (pl. reakciós gőzturbina stb.), elsősorban forgó tengelyek tömítésére használják. Alkalmas tengelyirányú alternáló mozgást végző dugattyúk, dugattyúrudak tömítésére is.
Labirint kialakítások
12.18. ábra
Radiális és axiális labirinttömítés
12.19. ábra
A fojtási helyek kialakítása szerint megkülönböztetünk radiális és axiális tömítéseket. A radiális tömítés a tengelyirányú hőtágulásra kevésbé érzékeny, míg a tengely radiális kilengései zavart idézhetnek elő. Az axiális tömítésre viszont éppen a tengelyirányú hőtágulás jelent veszélyt, mert esetlegesen összesúrlódás, dörzsölődés állhat elő (12.19. ábra).
Védőtömítések
A védőtömítések feladata azonos nyomású terek szétválasztása, a szennyeződés bejutása és a kenőanyag kiszivárgása elleni védelem, tehát nyomáskülönbségre nem tömítenek. A szokásos védőtárcsák (12.20. ábra), védőgyűrűk (12.21. ábra) lemezből sajtolt vagy forgácsolt kivitelűek. Sík vagy profilos kialakításúak axiálisak vagy radiálisak lehetnek. Legtöbbször a tömítő rést zsírral töltik ki, így az áramlás a résben nem lép fel.
Védőtárcsás golyóscsapágy
12.20. ábra
Védőgyűrűs tömítések
12.21. ábra
Folyadékszóró tömítési megoldások
Olajkenésű csapágyházak esetén az olaj kijutását a tengely mentén a tengely anyagából kimunkált, vagy pedig a tengelyre szerelt szóró vállak, szóró élek, gyűrűk, tárcsák segítségével akadályozzuk meg. Ilyenkor célszerű a leszóródott olajat összegyűjteni és a csapágyházba kis furaton keresztül visszavezetni.
Folyadékszóró tömítések
12.22. ábra
12.4.2. Hidrosztatikus tömítések
E tömítés esetében a tömítésben a tömítendő közeg nyomásával azonos hidrosztatikus nyomást hoznak létre, vagy magában a tömítésben vagy azon kívül létrehozva ezt a tömítéshez szükséges nyomást. A tömítésben a nyomás kialakításának egyik legjellemzőbb módja a tengelyre, ill. a házra vágott csavarmenet, mely a mozgórészekre tapadó viszkózus folyadékot visszafelé szállítja (12.23. ábra).
Visszahordó menet
12.23. ábra
Minden tömítendő nyomáshoz tartozik egy bizonyos menethosszúság, amelyet a tömítő folyadék kitölt. A záráshoz szükséges nyomást a tömítésen kívül is létre lehet hozni szivattyúval vagy ventilátorral, és ez megfelelő nyomással megakadályozza a tömítendő közeg kiáramlását. Természetesen a tömítésre használt anyagnál elfolyási veszteségek lépnek fel.

| Önellenőrző kérdések
1. Mi a tömítések célja?
| Segítségükkel különböző nyomású és különböző közeggel töltött tereket tudunk egymástól elválasztani.
| A tömítések biztonsági célt szolgálnak, segítségükkel megelőzhető a komolyabb üzemzavar.
| A tömítések védelmet adnak szennyeződések bejutásával szemben, vagy pedig megakadályozzák a kenőanyag elszivárgását.
| A tömítések célja a jó tapadás biztosítása két összeszerelt alkatrész között.
2. Milyen szempont szerint osztájozhatjuk a tömítéseket?
| Működési módjuk szerint.
| A csatlakozó felületek felületi érdessége szerint.
| A tömítési feladat szerint.
| Élet-, baleset-, és vagyonvédelmi szempont szerint.
3. Kialakításukat tekintve milyenek lehetnek a lapos tömítések?
| Kialakításukat tekintve lehetnek hordós, kúpos alakúak.
| Kialakításukat tekintve lehetnek tárcsák, gyűrűk.
| Kialakításukat tekintve lehetnek különböző profilúak.
4. A profilos tömítéseknél min múlik a tömítő hatás?
| Az üzemi hőmérsékleten múlik.
| A megfelelő alakadáson múlik.
| A tőmítőanyagon múlik.
| Az összeszorító erőn múlik.
5. Önműködő tömítéseknél mi szolgáltatja a tömítő erőt?
| A csavarok meghúzásából származó előfeszítő erő.
| A tapadási súrlódási erő.
| Az üzemi nyomásból származó erő.
6. Melyik tömítés típus a legelterjedtebb megoldás forgótengelyek esetén?
| A karmantyús tömítés.
| A lapos tömítés.
| A tömszelencés tömítés.
7. Mitől függ a labirinttömítés tömítő képessége?
| A labirinttömítések tömítőképessége az anyag minőségtől függ.
| A labirinttömítések tömítőképessége a szorítóerőtől függ.
| A labirinttömítések tömítőképessége a folytási helyek számától függ.
| A labirinttömítések tömítőképessége a behelyezés pontosságától függ.
8. Az alábbi állításokról döntse el, hogy igazak vagy hamisak!
A védőtömítések feladata azonos nyomású terek szétválasztása. |
A védőtömítések nyomáskiegyenlítésre használhatók. |
Legtöbbször a tömítő rést olajjal töltik fel. |
A védőtömítések sík vagy profilos kialakításúak lehetnek. |