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 zátky s pružinou typu V, typické použití, těsnění zátky s pružinou 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