вала 2 м/сек; жидкость АМГ-10; давление 5 кГ/см2\ температура жидко­ сти 70—80° С) показали, что они обеспечивают высокую (практически абсолютную) герметичность уплотнения, которая за время работы колец в этих условиях длительностью 600 час практически не была нарушена (утечка жидкости не превышала 0,2 см?/час). Кольца и вал (твердость HRC 30) после 600 час работы износа практически не имели.

Высокие показатели также получены при испытаниях этих колец в условиях высоких давлений. При длительных 500-часовых испытаниях

и вала не установлено.

УПЛОТНЕНИЯ ТОРЦОВОГО ТИПА

В связи с повышением требований к уплотнениям вращательных со­ единений, работающих при высоких давлениях и скоростях вала в соче­ тании с высокими температурами, возникла необходимость в изыскании новых уплотнений, отвечающих этим требованиям. Наиболее полно им отвечают уплотнения торцового типа (рис. 381), в которых подвижная

3в осевом направлении уплотняющая поверхность контактирует с внешней поверхностью вала в плоскости, пер­ пендикулярной к оси вала. Эти уплотнения могут применяться при окружных скоростях уплотняемого

сроком службы, а также предельной простотой — уплотняющие поверх­ ности торцового уплотнения имеют самую простую геометрическую форму — плоскость. При соответствующем подборе материалов скользя­ щей пары подобные уплотнения длительное время могут работать без смазки.

Торцовые уплотняющие устройства позволяют решить в ряде слу­ чаев весьма сложные проблемы герметизации. Так, например, при соот ветствующем подборе материалов можно обеспечить надежную герме­ тизацию в любых рабочих средах. Они незаменимы при работе в усло­ виях вредных газов, а также в топливных системах самолетов, в кото­ рых требование герметичности обусловлено опасностью возникновения пожара.

Торцовое уплотнение состоит из нагруженного пружиной 1 и уплот­ нительного кольца 2, изготовленного из мягкого антифрикционного

454

материала, и контактирующего с ним по торцу металлического опорного кольца (буксы) 4 высокой твердости. Уплотнительное кольцо крепится либо к вращающемуся валу, либо соединяется с неподвижным корпу­ сом, а опорное в первом случае крепится в корпусе, а во втором — на вращающемся валу. При этом одно из колец должно иметь свободу пе­ ремещения вдоль оси, благодаря которой оно с помощью пружины 1 мо­

Для снижения контактного давления площадь f= ~^(d\ —dty, на ко­

торую действует давление жидкости, прижимающее подвижное кольцо к неподвижному, выбирается меньше площади F= - ( d l - d j ) , на кото­

рой происходит контакт пары. Отношение f/F = k называется коэффици-

Р

ентом уравновешивания, а обратная ему величина l / k = ----- степенью

разгрузки уплотнения.

Правильным подбором отношения k = f/F можно получить контакт­ ное давление колец значительно ниже удельного давления рабочей среды.

При условии F=f контактное давление (без учета разгружающего действия давления жидкости в зазоре между кольцами 2 и 4) равно дав­ лению р1 рабочей среды. Уплотнения этого типа, получившие название неразгруженных, применяются при относительно невысоких давлениях рабочей среды, которые для минерального масла обычно не превышают

15кГ/см2.

Впрактике распространены уплотнения, в которых F>f, получив­ шие название разгруженных уплотнений. Подобные уплотнения при качественном изготовлении и правильном выборе значения k пригодны для работы при давлении жидкости до 400 кГ/см2 и выше.

Контактное давление колец

Надежность работы этих уплотняющих устройств в первую очередь, зависит при всех прочих равных условиях, от правильного соотноше­ ния величины контактной поверхности колец F и поверхности f, на ко­ торую действует давление жидкости, нагружающее подвижной элемент (кольцо) уплотнения, а также частично от усилия пружины, создающей первоначальное нагружение этого элемента. Указанное соотношение оп­ ределяет величину удельного контактного давления на поверхности скольжения уплотнительных колец.

4 5 5

Расчет сил, действующих на стыке уплотнения является сложной проблемой, так как до настоящего времени мало изучены характер и толщины смазочной пленки, распределение давления в этой пленке, температуры и др. Поэтому даже при тщательном расчете колебания давления могут вызвать появление непредвиденных осевых сил в том или другом направлении.

Допуская, что непосредственный контакт поверхностей скользящей пары отсутствует (действующие силы уравновешены) и что течение жидкости в зазоре подчиняется гидродинамическому закону, условие равновесия осевых сил, приложенных к подвижному элементу, будет иметь вид

где Рср— среднее давление жидкости в зазоре между прилегаю­ щими поверхностями колец 2 и 4 (см. рис. 381);

F и / ----- площадь контакта колец и площадь, на которую дейст­ вуют давление жидкости;

Ар = Р\ — Рч— перепад давления между давлением р\ уплотняемой сре­ ды и полостью низкого давления р2 при условии, что по­ лость низкого давления соединена с атмосферой Ар = рь

Т— сила трения подвижного элемента; ЯПР— усилие затяжки пружины 1.

Так как в правильно сконструированном уплотнении сумма Т+Рт обычно не превышает 5—8% осевого усилия давления жидкости, дейст­ вующего на подвижный элемент, в расчетах ею пренебрегаем. При этом допущении уравнение (365) примет вид

Допуская линейность распределения давления жидкости в зазоре в радиальном направлении по ширине b= - 1~~d-3уплотняющей поверх­

ности (см. рис. 381), что будет справедливо при условии параллельности поверхностей, образующих зазор, можно написать:

Яср = PL

2 в

В соответствии с этим равновесие сил давления жидкости на уплот­ нительное кольцо с учетом указанного расклинивающего действия жид­ кости наступит при линейном распределении давления в зазоре при ус­ ловии, когда

/

0,5,

F

где k — коэффициент уравновешивания.

При этом значении коэффициента k плотность контакта, требуемая для сохранения герметичности, достигается лишь при натяжении пру­ жины.

Поскольку распределение давления в зазоре может быть нелиней­ ным, коэф>фициент k уравновешивания обычно выбирают больше 0,5, так как в противном случае усилие давления жидкости в зазоре может пре­ высить усилие прижатия колец и уплотнение «раскроется».

4 5 6

Из практики можно рекомендовать для уплотнений с шириной кон­ тактной поверхности 6= 3-f-5 мм при использовании масел малой вязко­ сти следующие значения коэффициента уравновешивания: для давле­ ний рабочей среды выше 8—10 кГ/см2— &= 0,55-ь0,6; ниже 8 кГ/см2 — &= 0,6-f-0,65. Однако при качественном изготовлении деталей уплотни­ тельного узла этот коэффициент может быть принят Л=0,5ч-0,56, причем большее его значение соответствует уплотнениям, предназначенным для масел малой вязкости.

При принятом условии &>0,5 появится избыточная сила, прижи­ мающая подвижное кольцо к неподвижному. Эта сила должна быть ми­ нимальной, чтобы не вызывать излишнего контактного давления колец, сопровождающегося усилением трения и износом деталей.

Предел уравновешивания действующих сил без нарушения герме­ тичности зависит от многих факторов, в том числе и от качества рабо­ чей жидкости, вязкость которой оказывает некоторое влияние на рас­ пределение давления в зазоре между поверхностями колец (с увеличе­ нием вязкости величина среднего давления в зазоре несколько умень­ шается). Ввиду этого значение k для жидкостей большой вязкости мо­ жет быть уменьшено. Так, например, по данным иностранной печати, качественно изготовленное уплотнение надежно работает в среде машин­ ных масел при условии &= 0,4.

Приведенные данные справедливы для уплотнения с шириной кон­ тактной поверхности колец 5 мм (см. рис. 381). Для уплотнений с иной шириной контактной поверхности коэффициент уравновешивания можно принять изменяющимся обратно пропорционально изменению размера этой ширины.

Величина рассматриваемого коэффициента определяет удельное контактное давление и соответственно — толщину масляной прослойки (пленки) между контактирующими поверхностями уплотнительных ко­ лец 2 и 4, от значения которой зависит величина трения и интенсивность износа этих колец. Испытания показали, что толщина пленки в уплотне­ ниях разгруженного типа колеблется в зависимости от значения коэф­ фициента разгрузки k, а также от величины перепада давления Ар = р\—

—р2 и числа оборотов вала в пределах от 0,75 до 2 мк.

Ширина контактного пояска

Надежность торцового уплотнения в значительной мере зависит от ширины контактного пояска Ь. Испытаниями установлено, что с умень­ шением этой ширины уменьшается как толщина масляной пленки, так и момент трения и температура в месте контакта. Поскольку с уменьше­ нием b снижаются требования к точности и чистоте обработки трущихся поверхностей, а также улучшается их смазка, рекомендуется выбирать малые значения Ъ, минимальная величина которого определяется усло­ вием преодоления сил трения кольца 2 (см. рис. 381). Так, например, удовлетворительную работу показали уплотнения с шириной пояска 6=1,5 мм (& = 0,7; п —3000 об/мин и /?i = 100 кГ/см2)\ при длительных 300-часовых испытаниях изменений в качестве уплотнения не обнару­ жено.

На основании результатов испытаний и исходя из требования надеж­ ного преодоления сил трения кольца 2 ширину пояска для диаметра вала до 60—80 мм целесообразно принимать равной ~3 мм, при диаметрах вала 80—100 мм эту ширину доводят до 5—6 мм.

Число оборотов уплотняемого вала

Толщина пленки и момент трения зависят от числа оборотов уплот­ няемого вала, причем эта зависимость превалирует над зависимостью, обусловленной давлением жидкости. Так, например, при повышении дав­

457