Ako môžu kostróvateľné tesnenia pre hriadeľové systémy robotov kompenzovať interferenciu pera pri nízkych teplotách?

Pri aplikáciách pri nízkych teplotách, ako sú systémy hriadeľov robotov, kostrónové tesnenia oleja (radiálne hriadeľové tesnenie) často zažívajú únik oleja, zvýšené opotrebovanie pri štarte a zastavení a nestabilný tesniaci výkon. Prax ukazuje, že tieto poruchy nie sú často spôsobené nesprávnou inštaláciou, ale stratou účinnej kompenzácie interferencie pera pri nízkych teplotách.

Tento článok analyzuje, ako nízka teplota ovplyvňuje interferenciu pera, a predkladá praktické návrhové stratégie na zlepšenie spoľahlivosti tesnenia v chladných prevádzkových podmienkach.

Vplyv nízkej teploty na interferenciu pera

Kostrónové tesnenia oleja sa spoliehajú na stabilný kontaktový tlak medzi tesniacim perom a povrchom hriadeľa, aby zabránili úniku. Pri nízkych teplotách niekoľko spriahnutých efektov vedie k systematickému zhoršovaniu tesniaceho výkonu:

Zosilnenie gumy

So znižovaním teploty sa zvyšuje modul pružnosti elastomérov a klesá deformovateľnosť materiálu, čo znižuje schopnosť tesniacej laby držať sa povrchu hriadeľa.

Nesúlad termického rozšírenia

Elastoméry, kovové plášte a hriadele vykazujú rôzne koeficienty tepelnej kontrakcie. Tento rozdiel mení skutočný prekryv a kontaktný tlak pri nízkych teplotách.

Zhoršenie mazania

Zvýšená viskozita maziva oneskoruje vznik mazivej vrstvy po štarte, čo posúva tesniaci kontakt do oblasti hraničného alebo zmiešaného trenia a urýchľuje opotrebenie.

Hlavným problémom teda nie je len nedostatočný prekryv, ale neschopnosť labia nepretržite generovať účinný kontaktný tlak pri nízkych teplotách.

Racionálne určenie prekryvu

Prekryv labia musí byť optimalizovaný na základe prevádzkových podmienok (tlak, rýchlosť), vlastností materiálu a priemeru hriadeľa.

Typické odporúčané hodnoty sa pohybujú od 0,35–0,55 mm, pričom niektoré aplikácie s vysokým zaťažením môžu vyžadovať až 0,8 mm.

Avšak slepé zvyšovanie interferencie sa neodporúča. Nadmerná interferencia môže zvýšiť trenie, urýchliť opotrebovanie a zvýšiť tvorbu tepla. Konečné hodnoty by mali byť vždy overené pomocou simulácie a validačných testov.

Výber materiálu: Zameranie na odolnosť pri nízkych teplotách

Udržanie tesniacej sily pri nízkych teplotách závisí predovšetkým od elastickej obnovy a pružnosti materiálu, nie len od nominálnej „odolnosti voči chladu“:

FVMQ

Vhodné pre extrémne nízke teploty, ponúka dobrú pružnosť v kombinácii s odolnosťou voči olejom. Často sa používa v kolaboratívnych robotoch a systémoch vyžadujúcich vysokú pružnosť.

FKM formulované pre nízke teploty

Zabezpečuje rovnováhu medzi odolnosťou voči olejom, odolnosťou voči starnutiu a zlepšenou elasticitou pri nízkych teplotách, vhodné pre tesniace systémy v miernych až nízkych teplotách.

HNBR

Poskytuje kompromis medzi nízkoteplotnou pružnosťou a mechanickou pevnosťou, bežne sa používa v vonkajšom vybavení a strojnom inžinierstve.

Kľúčovým kritériom je, či materiál dokáže udržať účinné elastické obnovenie pri nízkej teplote, nie len prežiť vystavenie chladu.

Systém pružín: Kritický mechanizmus kompenzácie

Keď sa tuhosť gumy zvyšuje pri nízkej teplote, pružina sa stáva hlavným zdrojom kompenzácie kontaktnej tlakovej sily:

Dostatočný účinný zdvih a stabilná sila pružiny pri nízkej teplote

Združené rozdeľovanie zaťaženia medzi pružinu a geometriu tesniaceho okraja

Pre extrémne chladné prostredia sa dôrazne odporúčajú konštrukcie okraja s radiálnymi koľajnicovými pružinami

Správne navrhnutý systém pružín výrazne zlepšuje stabilitu tesnenia, keď sa zníži pružnosť elastomeru.

Štrukturálna optimalizácia pre prispôsobivosť teplote

Namiesto zvyšovania pretiahnutia je často účinnejšia štrukturálna optimalizácia na zlepšenie výkonu pri nízkych teplotách:

Znížený prierez okraja na zlepšenie ohybovej pružnosti

Predĺžená dĺžka elastickej pažky na zvýšenie schopnosti sledovania

Optimalizovaný uhol styku pre rovnomernejšie rozloženie tlaku a zníženie opotrebenia okrajov

Cieľom návrhu je umožniť tesniacej laloku dynamicky reagovať, namiesto pasívneho znášania straty výkonu

Stav povrchu hriadeľa: Rozhodujúci faktor pri nízkych teplotách

Keďže tvorba olejovej vrstvy je pri nízkych teplotách ťažšia, kvalita povrchu hriadeľa získava obzvlášť veľký význam:

Povrchová drsnosť riadená v rozmedzí Ra 0,2–0,4 μm pre vyváženie retencie oleja a priliehavosti

Zavedenie mikrotextúr (napr. krížových vzorov) na zlepšenie mazania pri štarte

Vyhnutie sa povrchovým chybám, ktoré môžu spôsobiť predčasné opotrebenie laloku

Správna príprava hriadeľa je nevyhnutnou súčasťou spoľahlivosti tesnenia pri nízkych teplotách

Koordinácia na úrovni systému: Teplotná kompatibilita a kontrola tolerancií

Stabilné tesnenie pri nízkych teplotách vyžaduje prístup na úrovni systému:

Zostavené tepelné zužovanie jednotlivých komponentov

Zohľadnenie montážnych tolerancií za podmienok nízkych teplôt

Výber mazív s vhodnými vlastnosťami toku a adhézie pri nízkych teplotách

Iba prostredníctvom tepelno-mechanickej koordinácie systému môže tesniaca pery zachovať konštantný tlak kontaktu počas celého prevádzkového cyklu.

Kľúčom k úspešnému tesneniu pri nízkych teplotách nie je nadmerný pretlak, ale vytvorenie tesniaceho systému so vstupnou schopnosťou prispôsobenia sa teplote.

Integráciou optimalizovaných materiálov, geometrie pera, pružinových systémov, návrhu povrchu hriadeľa a tepelnej kompatibility na úrovni systému možno dosiahnuť spoľahlivý výkon tesnenia a predĺženú životnosť aj za náročných podmienok nízkych teplôt.