Ve vysokoteplotních a vysokotlakých ventilech, leteckých palivových systémech a ultračistých polovodičových zařízeních se pružinové těsnění stalo referenčním řešením v oblasti dynamického těsnění díky synergii mezi pružinou a těsnicím břitem. Volba typu jádrové pružiny (typ V a typ O) přímo ovlivňuje těsnicí výkon a životnost. Tento článek podrobně analyzuje technické rozdíly a logiku technického výběru obou pružin z hlediska rozměrů strukturální mechaniky, adaptace na provozní podmínky a režimu poruchy.
1. Porovnání konstrukčního řešení a mechanických vlastností
Charakteristiky pružiny typu V Pružina typu O (spirálová pružina)
Tvar průřezu V - kontinuální vinutí kovového pásu Vinutí spirály z kulatého drátu
Silový režim Radiální elastická podpora je hlavním složeným efektem axiální komprese + radiální roztažnosti
Součinitel tuhosti (N/mm) Vysoký (500~2000) Středně nízký (200~800)
Schopnost kompenzace deformace Omezená (závisí na změně úhlu ve tvaru V) Vysoká (spirálovitá struktura se může deformovat ve více směrech)
Výrobní proces Lisování + navíjení, vysoké požadavky na přesnost CNC navíjení, vyzrálý proces
Základní rozdíly:
Pružina typu V: Poskytuje radiální podpěrnou sílu pružným ohybem profilu ve tvaru V, vysokou tuhost, ale malý rozsah deformace;
Pružina typu O: Využívá kompresi a torzní deformaci spirálové struktury k dosažení vícesměrné adaptivní kompenzace.
2. Výkonnostní parametry a přizpůsobivost pracovním podmínkám
1. Přizpůsobivost těsnicího tlaku
Pružina typu V:
Výhody: Vysokotuhá konstrukce snese ultravysoký tlak (statické těsnění může dosáhnout 1000 MPa);
Scénář: Těsnění hlavního čerpadla jaderné elektrárny, ventil turbíny s nadkritickým CO₂.
Pružina typu O:
Výhody: Velká elastická deformace (míra stlačení může dosáhnout 50 %), vhodné pro scénáře kolísání tlaku;
Scénář: Vratné těsnění hydraulického válce, letecký aktuátor.
2. Kompatibilita s teplotou a médiem
Pružina typu V:
Materiál: Nejčastěji se používá Inconel X-750 nebo Elgiloy (slitina na bázi kobaltu) s teplotní odolností 650 ℃;
Nedostatky: Složitý průřez ztěžuje pokovování a odolnost proti korozi závisí na podkladu.
Pružina typu O:
Materiál: Běžně používaná nerezová ocel 316L nebo Hastelloy C-276 s lepší odolností proti korozi;
Nedostatky: K uvolnění napětí dochází při vysokých teplotách (>400℃).
3. Charakteristiky dynamické odezvy
Pružina typu V:
Potlačení vysokofrekvenčních vibrací: vysoká tuhost snižuje riziko rezonance, vhodné pro scénáře nad 200 Hz;
Spotřeba třecího výkonu: Hrany ve tvaru V mohou zhoršit opotřebení těsnicího břitu (je nutné povrchové postříbření).
Pružina typu O:
Kompenzace posunutí: spirálová struktura dokáže absorbovat axiální výchylku ±2 mm;
Počáteční moment: nízká elastická hystereze, vhodná pro přesné řízení pohybu.
4. Životnost a spolehlivost
Pružina typu V:
Únavová životnost: 10⁷ cyklů (R=0,1, zatížení ＞50 % mezní hodnoty);
Způsob porušení: koncentrace napětí v kořeni tvaru V vede k lomu.
Pružina typu O:
Únavová životnost: 10⁸ cyklů (R=0,5, zatížení <30 % mezní hodnoty);
Způsob selhání: zasekávání ve spirálové mezeře nebo korozní bodnutí.
3. Porovnání typických aplikačních scénářů
Průmyslové těsnění s pružinovou zátkou typu V, typické použití, těsnění s pružinovou zátkou typu O, typické použití
Energie Vysokotlaký ventil pro hlavici vrtu zemního plynu (105 MPa) Těsnění vodicí lopatky vodní turbíny (25 MPa)
Ventil pro kapalný kyslík raketového motoru pro letectví a kosmonautiku (-196 ℃) Hydraulický pohon podvozku letadla (150 ℃)
Plazmový leptací stroj pro polovodiče, vakuová komora, zařízení na čištění destiček, rotační spoj
Těsnění pro lékařské autoklávy (pára 140 ℃) Těsnění kloubu chirurgického robota (nízké tření)
4. Strom výběru a analýza nákladů
Logika výběru:
Preferenční výběr pružiny typu V:
Tlak > 70 MPa;
Rozložení kontaktního napětí je třeba přesně řídit;
Vysokofrekvenční vibrační prostředí (＞150 Hz).
Preferenční výběr pružiny typu O:
Kolísání tlaku je větší než ±30 %;
Vícesměrný složený pohyb (rotace + vratný pohyb);
Silně korozivní média (jako je kyselina fluorovodíková).
Porovnání nákladů:
Pružina typu V:
Cena materiálu: Materiál Inconel je cca 8000 ¥/kg;
Náklady na zpracování: Přesné ražení + tepelné zpracování tvoří 40 % ceny jednoho výrobku.
Pružina typu O:
Cena materiálu: nerezová ocel 316L je přibližně 150 ¥/kg;
Náklady na zpracování: CNC navíjení tvoří 25 % ceny jednoho výrobku.
Úspora údržby:
Těsnění pánve a kuželky s pružinou typu V: vysoké náklady na životní cyklus (výměna vyžaduje celkovou demontáž), ale nízká poruchovost;
Těsnění pružinové pánve typu O: umožňuje online výměnu pružiny, náklady na údržbu jsou o 30 % nižší.
V. Technologický vývoj a směr inovací
Optimalizace pružiny typu V:
Návrh optimalizace topologie: změna tvaru průřezu ve tvaru V pomocí metody konečných prvků a snížení koncentrace napětí o 50 %;
Aditivní výroba: laserové selektivní tavení (SLM) vytváří integrovanou strukturu s pružinovým těsněním.
Vylepšení pružiny typu O:
Chytré materiály: Pružiny z tvarově paměťové slitiny (SMA) dosahují teplotně adaptivního předpětí;
Kompozitní povlak: Povlak z diamantového uhlíku (DLC) snižuje koeficient tření na 0,02.
Hybridní pružina:
Kompozitní struktura VO: Vnější pružina typu V poskytuje tuhou oporu a vnitřní pružina typu O kompenzuje mikroskopickou deformaci;
Scénář použití: První utěsnění stěny zařízení pro jadernou fúzi (s ohledem na radiační odolnost a tepelný cyklus).
Závěr
Použití pružin typu V a typu O v těsněních typu pan-plug je v podstatě technickou volbou cesty „tuhé podpory“ a „elastického přizpůsobení“. Pružiny typu V jsou známé svou mechanickou přesností a dominují v extrémních oblastech ultravysokého tlaku a vysokofrekvenčních vibrací; pružiny typu O jsou první volbou pro těsnění s komplexním pohybem díky svým schopnostem vícesměrné kompenzace. V budoucnu, s rozvojem materiálového výpočetnictví a technologie digitálních dvojčat, konstrukce pružin prolomí tradiční formy a podpoří vývoj těsnění typu pan-plug k integrovaným inteligentním těsněním typu „vnímání a odezva“.
Čas zveřejnění: 6. března 2025