Глава 5. Уплотнения вращающихся валов

5.1. Сальниковые уплотнения

Узел уплотнения вала является чрезвычайно ответственным, осо­бенно при работе с ядовитыми и взрывоопасными средами и в аппаратах, работающих под вакуумом [19].

Сальниковые уплотнения (рис. 5.1) широко применяют в аппаратах, работающих под давлением P_изб≤0,6 МПа, и при температуре в аппа­рате до 200°C. В аппаратах повышенного давления применяют сальники с большой высотой набивки и принудительной подачей масла под давлением, которое подводится в кольцо, расположенное между двумя слоями набивки, и обеспечивает не только смазку сальника, но и служит гидравлическим затвором (основные размеры - см. табл. 5.1),

В качестве набивок широко используют промасленные асбестовые или хлопчатобумажные шнуры круглого и квадратного сечения и матери­алы на основе фторопласта (ФУМ).

В последние годы широкое распространение находят торцовые уплотнения (рис. 5.2 ).

Основной элемент торцового уплотнения состоит на двух колец - подвижного (вращающегося) и неподвижного, которые прижимаются друг к другу по торцовой поверхности с помощью пружин.

Таким образом, в отличие от натяжных сальников, в которых уплотнение осуществляется на цилиндрической поверхности вала, в тор­цовом герметичность обеспечивается путем контакта двух кольцевых поверхностей. Подвижное кольцо связывается с валом, неподвижное кольцо – с корпусом аппарата.

Торцовые уплотнения обладают рядом существенных преимуществ: они работают с незначительной утечкой газа; в период нормальной работы не требуют обслуживания; правильно подобранные торцевые уплот­нения отличаются большой устойчивостью и долговечностью. Самый ответственный элемент торцевого уплотнения - пара трения. Обычно одно кольцо изготовляют из более твердого материала. Haиболее широко применяются следующие материалы в различии комбинациях: кислото­стойкая сталь, бронза, керамика, графит, фторопласт и твердая рези­на. Основные размеры торцового уплотнения приведены в табл. 5.2.

Трущиеся поверхности должны быть отшлифованы и тщательно притёр­ты. Одинарное торцовое уплотнение состоит из следующих основных де­талей: сильфона 1, приваренного к стакану 2 и неподвижному кольцу, вращающегося кольца 3 и водила 5. Трущиеся кольца закрыты кожухом 6, связанным с фланцем. Водило крепится на валу аппарата и связано винтами с подвижной втулкой 4. В корпус сальников подаётся охлаждающая жидкость, которая служит также смазкой трущейся пары.

Рис. 5.1.

Сальниковые уплотнения типов I A и II A

1 – корпус; 2 – кольцо опорное; 3 – кольцо; 4 – фонарь;

5 – втулка нажимная; 6 – набивка; 7 – прокладка;

8 – шпилька; 9 – гайка

Область применения: давление в аппарате избыточное (РИ)

не более 0,6 МПа; температура в аппарате (t) до 200^oC

Таблица 5.1

Основные размеры (мм) сальниковых уплотнений типов I A и II A по ОСТ 26-01-1247-75

d, мм	D, мм	D1, мм	D2 (пред. откл. по НВ), мм	d1 (пред. откл. по НВ), мм	d2, мм	n1, мм	z, мм	H, мм	h, мм	b, мм	Масса, кг
40	135	150	128	60	М12	4	2	180	90	15	7,5
50	205	170	148	70	М12	4	2	190	105	15	8,5
65	235	200	178	90	М12	8	2	220	105	15	14
80	260	225	202	105	М12	8	4	225	110	18	17,5
95	290	255	232	120	М12	8	4	230	110	18	27
110	315	280	258	140	М16	8	4	265	130	18	37
130	340	305	282	160	М16	8	4	265	130	18	-

Примечания:

1. Тип IА – сальник с подводом смазки или уплотняющей жидкости к валу без автоматического поджима набивки.

2. Тип IIА – сальник с подводом смазывающей циркулирующей жидкости к валу без автоматического поджима набивки.

3. Пример условного обозначения сальникового уплотнения без автоматического поджима с подводом смазки или уплотняющей жидкости к валу диаметром 40 мм. с использованием опорного кольца из стали Ст.3 по ГОСТ 380-71: Сальник ТА40 – У ОСТ 26-01-1247-75.

5.2. Торцовое уплотнение

Рис. 5.2.

Торцовое уплотнение:

1 – сильфон; 2 – стакан; 3 – вращающееся кольцо;

4 – подвижная втулка; 5 – водило; 6 – кожух

Таблица 5.2

Основные размеры торцовых уплотнений

d, мм	D, мм	D1, мм	D2, мм	D3, мм	H, мм	H1, мм	h, мм	d1, мм	Масса, кг
50	270	240	165	235	260	220	60	18	50
65	270	240	165	235	260	220	60	18	50
80	330	280	195	275	280	230	70	87	60
95	330	280	195	275	280	230	70	87	75
110	360	310	225	300	290	250	70	87	90
130	395	340	225	340	290	250	75	90	100

5.3. Расчет уплотнений

Расчетное осевое усилие определяется по формуле

,

где – избыточное давление в аппарате (со знаком плюс) или вакуум (со знаком минус), Па;

– диаметр вала мешалки в области уплотнения, м;

– дополнительная площадь в уплотнении (табл. 5.3), восприни­мающая осевую силу давления;

– вес вращающихся частей (мешалка, вал, соединительные муфты), Н;

– осевая гидродинамическая сила мешалки, берётся со знаком плюс при направлении вверх, Н.

Таблица 5.3

Дополнительная площадь в торцовых уплотнениях воспринимающая давление ∙10^-4 , м²

Тип уплотнения	Диаметр вала, , мм
	50	65	80	95	110	130
ТД, ТДП	25	32,5	45,0	48,2	60	69,6

По указанию руководителя выполняется проверочный расчет сальникового уплотнения при использовании его в проектируемом аппарате.

Рис. 5.3.

Схема к расчету сальникового уплотнения:

1 – вал; 2 – втулка нажимная; 3 – набивка; 4 – корпус; 5 – шпилька

В каждой точке набивки одновременно действуют осевое давление P_x и боковое давление P_y. Эти давления связаны соотношением P_x = kP_y.

Предполагается, что герметичность уплотнения будет обеспе­чена, если давление в баке набивки на вал р_х в её нижней части будет не менее избыточного давления среды р_U (рис. 5.3). При этом требуемое давление втулки на сальниковую набивку будет равно

, (5.1)

где – коэффициент бокового давления сальниковой, набивки;

– давление нажимной втулки на набивку, Па;

– коэффициент трения между набивкой и валом, на­бивкой и стенкой камеры (среднее значение);

– толщина набивки, ;

– высота набивки, м;

d, d_к – соответственно диаметр вала и камеры, м.

Рекомендуемые значения коэффициентов: набивка АП во ГОСТ 5152-66 (асбестовая с антифрикционной добавкой, t_max=300°С) к=0,3; f=0,1. Набивка АСТ по ГОСТ 5152-66 (асбестовая, пропитанная с суспензией фторопласт - 4 с тальком, t_max=300°С) к=0,5, f=0,1.

Усилие затяжки шпилек нажимной втулки находится по формуле

, (5.2)

где z – число шпилек.

Шпильки проверяются на прочность по условию

, (5.3)

где – расчетное напряжение, Па;

1,3 – коэффициент, учитывающий напряжения кручения, возника­вшие при затяжке шпилек;

– внутренний диаметр резьбы, м;

– усилие затяжки шпильки, Н;

– допускаемое напряжение на растяжение для материала шпиль­ки, Па.