ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗОЛОТНИКА

Размеры золотника определяются в основном расходом и допусти­ мой скоростью жидкости в его каналах, которая, в свою очередь, зави­ сит от давления в системе и назначения золотника. При расчете сечений каналов исходят также из условия, что площадь сечения потока жидко­ сти в любом месте внутреннего канала в золотнике была не менее ^50% площади сечения подводящей трубы.

Практически скорость жидкости выбирают равной 6—10 м/сек. Расходные каналы (окна) в гильзах золотников обычно выполняют­

ся по всей окружности контакта плунжера с гильзой, благодаря чему размер w проходного окна по окружности достигает максимального зна­ чения w = nd и его площадь f = ndh, где d и h диаметр плунжера и ши­

временно с этим должна быть обеспечена требуемая жесткость плунже­

Для обеспечения герметичности минимальный диаметральный за­ зор в золотниках должен быть 0,004—0,01 мм. При более жестких тре­ бованиях диаметральный зазор для диаметров золотника 25 мм и дав­ ления р= 150-Г-200 кГ/см2 составляет 0,004—0,007 мм. При выборе зазо­ ров необходимо учитывать температурное расширение материалов, из

.которых изготовлены детали плунжерной пары.

СИЛА ТРЕНИЯ ПЛУНЖЕРОВ

Одним из основных параметров плунжерной пары, определяющих се качество, является статическое трение (трение при страгивании плун­ жера с места), величина которого для реальной пары зависит от вели­ чины давления жидкости, увеличиваясь с увеличением последнего, а также от правильности геометрических форм плунжера и гильзы и со­ осности их расположения.

Силы давления жидкости на детали идеальной пары, характеризуе­ мой абсолютной цилиндричностью и высоким качеством обработки по­ верхности, уравновешиваются как в аксиальном, так и в радиальном на­ правлениях, а поверхности скольжения разделены слоем жидкости. Следовательно, трение плунжера такой пары будет зависеть лишь от скорости его перемещения и вязкости жидкости. Однако трение плунже­ ра реальной пары зависит от величины давления жидкости, а также от правильности геометрических форм плунжера и втулки и соосности их взаимного расположения. Практически зависимость силы трения при движении от величины перепада давления для распространенных в практике величин давления (до 200 кГ/см2) имеет линейный характер.

Практика показывает, что величина трения при движении плунжера под рабочим давлением не превышает 50—100 г, если не учитывать тре­ ния в уплотнении его штока и если качественно изготовлена золотнико­ вая пара. Однако трение покоя (статическое трение) золотника, нахо­ дящегося под давлением жидкости, может достигать величины в не­ сколько килограммов. Причем величина этого трения зависит от про­ должительности пребывания плунжера в покое под давлением. Прак­

100 кГ/см2 в неподвижном состоянии в течение 5—8 мин, обычно состав­ ляет 2,5—3 кГ. В отдельных случаях это усилие достигает такой величи­ ны (до 50 кГ при р = 250 кГ/см2), что происходит фактическое защемле-

221

ние плунжера в гильзе. Для дальнейшего же его движения после страгивания с места требуемое усилие обычно составляет не более 1 % этой величины.

Исследования показали, что трение плунжера возникает в основном в результате неравномерного распределения давления жидкости в ра­ диальном кольцевом зазоре, образованном плунжером и гильзой, ввиду чего возникает неуравновешенная радиальная сила, поджимающая плунжер к одной стороне гильзы. Последнее обусловлено в основном пе­ рекосами оси плунжера относительно оси гильзы или расточки в кор­ пусе, а также неправильной геометрией (конусностью) поясков золотни­ ка или отверстия в гильзе.

Рассмотрим схему плунжерной пары, представляющую собой поя­ сок золотникового плунжера длиной /, помещенный во втулку с ради-

Рис. 161. Расчетные схемы действия радиальных сил давления жидкости на плунжер золотника

альным зазором (рис. 161). С левой стороны этого пояска находится по­ лость высокого ри а с правой — полость низкого р2 давления. Для уп­ рощения анализа пренебрегаем силами инерции и тяжестью плунжера и жидкости, а также допускаем, что во всех случаях поток жидкости в зазоре ламинарный.

Рассмотрим случай размещения в подобной втулке идеального ци­ линдрического плунжера, ось которого параллельна оси втулки, йо сме­ щена относительно ее на величину е.

В результате эксцентричного размещения между плунжером и ци­ линдром в верхней части образуется зазор y\ = s—е и в нижней — зазор

Эпюры давления в потоках жидкости dq\ и dq2 через верхний и ниж­ ний зазоры шириной dz=rd% графически представлены на рис. 161, а. Так как при условии параллельности осей плунжера и втулки площади поперечного сечения в верхней y\dz и нижней y2dz части этих зазоров будут постоянными по всей длине плунжера /, градиент давления как для верхнего, так и для нижнего зазора можно принять постоянным:

где Ap=pi—P2 — перепад давления по длине / зазора. Следовательно, давление в зазоре будет понижаться от величины р\

до величины р2 линейно, т. е. кривые давлений а и b в функции х будут прямыми линиями, соединяющими точки р\ и р2.

2 2 2

Нетрудно видеть, что радиальное усилие df\ давления жидкости в верхнем зазоре, стремящееся переместить плунжер вниз, равно, если пренебречь скоростным напором потока утечек, усилию df2 давления жидкости в нижнем зазоре, стремящемся переместить плунжер вверх, т. е. эти силы уравновешиваются:

случаях при параллельности поверхностей плунжера и втулки, образую­ щих щель, а в случае совпадения осей плунжера и втулки уравновешены

цилиндричности поверхностей втулки и плунжера вызывает нарушение уравновешенности радиальных сил, в результате чего возникают силы и моменты смещающие плунжер к той или иной стороне поверхности втулки.

Рассмотрим наиболее характерный случай эксцентричного размеще­ ния в цилиндрической втулке конусного плунжера, основание конуса ко­ торого обращено в сторону высокого давления жидкости (см. рис. 161,6).

Величину усилия давления жидкости на единицу ширины поверхно­ сти dz можно определить для этого случая двойным интегрированием. Опуская математические вычисления, приводим результаты этих вычис­ лений, из которых следует, что для любой элементарной длины щели dx высотой у по радиусу и шириной dz по дуге окружности справедливо со­ отношение, связывающее градиент давления с градиентом расхода:

находим, что давление в зазоре по длине пояска плунжера изменяется по параболическому закону:

(266)

Очевидно, что отклонение параболической зависимости от линей­ ной, показанной на рис. 161,6 штрих-пунктирной линией, зависит как от величины конусности h плунжера на длине /, так и от величины мини­ мального значения S\ зазора между поверхностью втулки и основанием конуса, т. е. зависит от значения отношения s j s 2 величин зазоров по концам рассматриваемого пояска плунжера, при этом чем меньше вели­ чина отношения s\/s2, тем больше кривые давлений а и Ъ приближаются к прямой линии, и наоборот.

Величина радиальной силы, действующей на элементарную площад­ ку dxdz поверхности плунжера, равна pdxdz. Интегрируя по *, находим

2 2 3

величину радиальной силы df, действующей на элемент поверхности плунжера шириной dz и длиной /:

Произведя второе интегрирование по окружности пояска, получим выражения для полной боковой (радиальной) силы.

В рассматриваемом случае интерес представляет компонент dF этой радиальной силы, действующей в плоскости эксцентриситета е осей плунжера и втулки; компоненты, действующие перпендикулярно этой плоскости, ввиду симметрии рассматриваемой' системы относительно этой плоскости будут уравновешены.

Указанный компонент силы давления жидкости на плунжер можно выразить уравнением

где 5 — номинальный радиальный зазор со стороны основания конуса

D\—D2

при концентричном положении плунжера во втулке s = — —

(см. рис. 161,а).

Полную величину действующей на плунжер неуравновешенной ра­ диальной силы F получим, интегрируя последнее уравнение по 0 от ну­ ля до 2я:

Так как второй член выражения, заключенного в скобки, по абсо­ лютной величине больше единицы

то значение силы F будет отрицательным, т. е. неуравновешенная ради­ альная сила будет действовать со стороны широкого (нижнего) зазора, стремясь переместить плунжер вверх и одновременно вследствие несим­ метричности действующих сил разворачивая (перекашивая) его относи­ тельно оси втулки.

Эпюра неуравновешенных радиальных сил давления жидкости, дей­ ствующих на плунжер, представлена на рис. 161,6 площадью, заклю­ ченной между кривыми а и b давлений соответственно для верхнего и нижнего зазоров. Направление действия неуравновешенных радиаль­ ных сил указано стрелками.

Следовательно, при конусной щели, расширяющейся в направлении движения утечек жидкости (см. рис. 161,6), положение плунжера во втулке будет неустойчивым и при нарушении центричности возникнет неуравновешенная радиальная сила, которая стремится сместить плун­ жер в сторону меньшего зазора до контакта его с поверхностью втулки; в этом случае защемляющая сила будет максимальной.

Очевидно, что че^1 большими будут эксцентричность и перекосы плунжера, тем больше по величине и защемляющая сила.

При зазоре, суживающемся в направлении движения утечек жидко­ сти (см. рис. 161, в), максимальный градиент давления наблюдается в месте максимального сужения зазора; при этом плунжер стремится под действием неуравновешенной радиальной силы переместиться в по­ ложение, соосное втулке. В этом случае защемляющая сила будет ми­ нимальной. Очевидно, чтобы разгрузить золотниковую пару, необходимо выполнить искусственную конусность щели при окончательной обработ­

2 2 4