книги из ГПНТБ / Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов

кольца, равен нулю. Это достигается изменением формы сечения кольца, места расположения уплотнительного резинового кольца

и опорной поверхности В. Так, уменьшая высоту кольца до 15 мм,

гкак показано на рис. 70, в, можно значительно уменьшить его деформацию по сравнению с вариантом на рис. 70, б. При этом получаем

М с = 2,6 кгс см/см; 0 = 0,93 10“ 3 рад;

6 = 0,0026 мм.

Практически из-за неизбежных неточностей расчета, а также изменений формы эпюры распределения давления в зазоре уплотнения момент сил, скручивающих кольцо, никогда не получается Lравным нулю. Для пояснения влияния формы эпюры" на момент

обратимся к рис. 73. Здесь показаны три возможные формы зазора пары трения, возникающие в результате неравномерного износа, силовых или температурных деформаций пары трения. Во всех трех случаях для одного и того же уплотнения при одинаковом давлении суммарная сила реакции W 0 одна и та же. Она склады­ вается из силы гидростатического давления жидкости (или газа) в зазоре и силы контактной реакции.

На рис. 73 ориентировочно показаны эпюры гидростатиче­ ского (р) и контактного (руд) давлений при различных формах зазора, если их подсчитывать по формулам (19) и (67). С измене­ нием зазора от диффузорного к конфузорному суммарная реакция W 0 смещается ближе к выходу из зазора пары трения, т. е. ее момент относительно центра тяжести сечения изменяется.

Изменение момента имеет такой знак, что результирующий момент стремится деформировать данный зазор в зазор с парал­ лельными стенками (см. рис. 73, б), поворачивая сечение кольца относительно центра тяжести Сх или С2.

Если не учитывать гидродинамическую жесткость, то, как по­ казано в работе [63], наибольшую гидростатическую жесткость по отношению к деформациям поворота сечений имеет зазор кон-

90

фузорной формы с отношением максимальной высоты к минималь­ ной, равным 2. Однако одновременное действие неравномерно распределенных руд должно изменять это соотношение.

Возникновение значительных пиков нагрузок руд на границах пары трения приводит к ее неравномерному износу. Это подтвер­ ждается экспериментальными данными (см. рис. 72). Неравномер­ ностью износа пары можно объяснить и резкие колебания расхода утечки через уплотнение, углеграфитовое кольцо которого было подвержено значительным деформациям скручивания. Обратимся вновь к рис. 68. При силовых деформациях, показанных на рис. 68, а, в первую очередь изнашивается наружная кромка пары тре-

Рис. 74. Схема установки кольца уплотнения циркуляционного насоса

ния (граница изношенной поверхности обозначена штрих-пунктир­ ной линией). При сбросе давления кольцо возвращается в свое недеформированное состояние и зазор приобретает конфузорную форму. Если снова поднимать давление среды, то эпюра рас­ пределения давления в зазоре пары становится выпуклой, стык пары может раскрыться и начнется сильная утечка. При дальней­ шей работе в результате деформации углеграфитового кольца пара трения может закрыться и величина утечки уменьшится. Это и наблюдалось в виде колебаний расхода утечки (см. рис. 71).

Обратная картина возникнет при деформациях, образующих первоначально конфузорный зазор (см. рис. 68, б). Здесь после снижения давления при неравномерном износе зазор пары тре­ ния становится диффузорным, поэтому последующее повышение давления вызовет в паре трения чрезмерно большие нагрузки и, как следствие, перегрев, повышенный износ и терморастрескива­ ние колец.

Рассмотрим теперь деформации колец пары трения, установка которых практически полностью исключает деформации поворота сечений.

В качестве примера детально рассмотрим деформации угле­ графитового кольца уплотнения вала циркуляционного насоса

(рис. 74).

91

Поверхность трения кольца имеет канавки (см. рис. 40, е) для обеспечения условий термогидродинамического расклинива­ ния пары трения.

Кольцо можно считать как неподвижным, так и вращающимся, поскольку влияние сил инерции на его деформации при высоком давлении среды мало. Кольцо опирается своей тыльной доведенной поверхностью на доведенный выступ обоймы, расположенный так, что реакция опоры Fw и действующая в зазоре суммарная сила W 0 (гидростатическая + контактная сила) взаимно уравновешены. Момент сил давления р, действующих на часть поверхности кольца относительно центра тяжести его сечения, равен нулю.

При этом считаем, что резиновое уплотнительное кольцо пол­ ностью передает давление жидкости р на соприкасающиеся с ним поверхности. Равенство нулю момента сил давления достигается применением симметричной формы сечения кольца (небольшой выступ уплотняющего пояска незначительно влияет на равновесие силовых факторов) и симметрией действующих сил.

Такая идеализированная картина отсутствия деформаций по­ ворота сечений кольца может быть нарушена из-за неопределен­ ности положения силы реакции опоры Fw. В предельных случаях при значительных температурных или силовых деформациях опор­ ных поверхностей сила реакции может проходить через точки 1 или 2. Тогда возникают моменты в плоскостях сечений кольца. С увеличением угла поворота сечений эпюры распределения сил в зазоре уплотнения перестраиваются таким образом (см. рис. 73), что величина моментов убывает. Они воспринимаются сопротивле­ нием кольца на скручивание.

Допустим, что сила реакции Fw = W0 сместилась в точку 1. Тогда равновесие кольца нарушится и угол поворота его сечений

котором W 0 приложена в точке 3 (см. рис. 74).

При перемещении равнодействующей Fw в точку 2 уравнение равновесия моментов сохранит вид уравнения (71), но вид функ­ ции ф (0) изменится. Ее предельное значение в соответствии с рис. 73, в будет меньше единицы.

г* Таким образом, в обоих рассмотренных случаях ф (0) — моно­ тонно возрастающая функция. Эту функцию можно найти, исполь­ зуя выражения (19) и (67) для распределения контактных удель­ ных давлений и давления в зависимости от величины и формы зазора.

92

Другим видом деформаций являются деформации формы сече­ ний кольца. Они происходят при любой форме колец и различной их установке в уплотнении. Деформации формы начинают суще­ ственно влиять на работу пары трения лишь при высоких давле­ ниях и больших размерах сечений колец.

На рис. 74 показаны деформации формы сечения кольца под влиянием сил давления. Зазор пары трения приобретает конфузорную форму, а эпюра распределен-ия давления становится выпуклой.

Чтобы определить величину деформаций формы сечений кольца, можно использовать уравнения теории упругости или моделиро­ вание. Обычно считают материал кольца подчиняющимся закону Гука. Тогда для относительной его деформации в направлении оси кольца в цилиндрических координатах имеем

Напряжения аг и сгф можно приближенно определить по урав­ нениям Ламе для круглой трубы, нагруженной наружным давле­ нием:

рг\

(73)

г \ - г \

рг\

(74)

• + f ) .

Л - Л

Оценим величину возможных деформаций и напряжений кольца в уплотнении вала циркуляционного насоса при следующих усло­

гидростатической и гидродинамической сил на единицу длины W0 = 160 кгс/см, координата точки приложения равнодействую­ щей /0 = 4 мм, материал кольца — углеграфит с Е — 105 кгс/см2, vn = 0,2; ав (сжатия) = 1500 кгс/см2.

Предположим, что в результате изменений условий сила реак­ ции Fw переместилась в точку 1. Условно принимаем ф (0) = = 0/0т , где 0т — предельное значение 0, при котором W0 прохо­ дит через точку 3. Пусть Ь9т = 0,01 мм, тогда, используя урав­ нение (71), найдем

= 0,0076 мм.

Интересно отметить, что сокращение линейных размеров сече­ ния кольца в 2 раза, т. е. уменьшение его жесткости на скручи­

93

щина возникала по наружной границе уплотняющего пояска в месте его перехода в опорную часть кольца (рис. 75).

Характер разрушения свидетельствовал о больших местных напряжениях, связанных с резким переходом одной поверхности кольца в другую и сравнительно большой высотой уплотнитель­ ного пояска (1,5—2 мм).

Значительные деформации трущейся поверхности колец могут возникать при их установке в металлические крышки или обоймы (см. рис. 7). Кольца пары трения обычно вклеиваются по всей поверхности контакта с обоймами. По наружному диаметру их можно устанавливать как с натягом, так и с небольшим зазором. Клеющее вещество обеспечивает герметичность и прочность соеди­ нения. Однако при этом деформации обоймы передаются на кольцо пары трения.

Особенно типична передача обоймой установочных деформаций при ее затяжке на валу или в корпусе машины. Как правило, это деформации волнистости, ухудшающие герметичность уплотне­ ния. Конструкция обойм и их установка в машине должны обес­ печивать минимальную деформацию обойм и локализовать ее та­ ким образом, чтобы она не передавалась на кольцо пары трения.

С этой точки зрения свободную установку колец в обойме или обоймы на вал следует считать оптимальной.

Температурные деформации

Температурные деформации колец пары трения возникают в ре­ зультате неравномерного их нагрева выделяющимся в зазоре уплотнения теплом. Неравномерность распределения температуры по сечению колец (см., например, рис. 58) и пространственный характер эпюры распределения температур сильно затрудняют определение температурных деформаций колец.

Однако здесь можно использовать приближенные методы, ана­ логичные используемым при оценке силовых деформаций.

На основе предположения, что сечения кольца остаются пло­ скими и не изменяют свою форму, в работе [66] получена фор­ мула для угла поворота сечений, идентичная формуле (69):

Если сечение кольца имеет прямоугольную форму, его тем­ пература не зависит от радиальной координаты и уменьшается линейно от поверхности трения в направлении оси кольца, то на

95

Как видно из формулы (76), угол поворота сечений кольца в 2 раза меньше угла при его свободном расширении. Это объяс­ няется действием тангенциальных напряжений.

Если задаться разностью температуры (Т — Т 0) = 50° С, то для кольца, показанного на рис. 74, считая коэффициент линей­ ного расширения равным 3 X 10“6 1/°С, по формуле (76) полу-

Рис. 76. Температурные де­ формации торцового уплот­

нения с обыкновенной парой трения со сварным метал­ лическим сильфоном при ра­ боте на расплавленном нат­ рии [30]

чим ЬВ = 0)004 мм. При этом зазор в паре трения приобретает конфузорную форму.

Значительные температурные деформации наблюдались в паре трения торцового уплотнения с металлическим сварным сильфо­

носа.

Температурные деформации, так же как и силовые, вызывают изменения формы сечений колец (вращающееся кольцо на рис. 76).

Они особенно велики в области зазора пары трения, так как здесь наибольшие градиенты температуры.

Полная температурная деформация пары трения, включающая деформацию поворота сечений и деформацию формы сечений колец, может создавать как конфузорный, так и диффузорный зазоры

впаре трения.

Впоследнем случае (см. рис. 76) удельные нагрузки в паре тре­ ния возрастают и режим трения смещается в сторону сухого трения.

96

Для большинства торцовых уплотнений утечки рабочих жидкостей направлены к оси вращения вала, так как это обеспе­ чивает лучшее охлаждение пары трения и сепарацию абразивных примесей.

Вэтих случаях осевые и радиальные градиенты температуры

вкольцах вызывают деформации одного и того же знака, которые способствуют образованию конфузорного зазора в паре трения. Благодаря этому обеспечивается стабильность работы пары тре­ ния уплотнения. Эффект образования конфузорного зазора уси­ ливается в термогидродинамических парах трения (по сравнению

собыкновенными) благодаря более интенсивному охлаждению одной части поверхности трения (см. рис. 40).

Сочетание высокого коэффициента температурного расшире­ ния с низкой теплопроводностью (например, у колец из материа­ лов на основе фторопласта-4) неблагоприятно, так как усиливает температурные деформации. При испытаниях во ВНИИГидромаше уплотнений с такими кольцами (см. рис. 11) наблюдались случаи неравномерного износа их поверхностей трения, сходного

сизносом при действии моментов на кольцо (см. рис. 68).

Остаточные напряжения и деформации

При доводке пар трения и их работе в торцовых уплотнениях на­ блюдались деформации уплотнительных поверхностей, которые проявлялись не сразу, а по истечении некоторого времени. Обычно это были деформации волнистости и их величина выражалась в отклонениях от плоскости в несколько микронов. Причины воз-, никновения таких деформаций различны. В качестве одной из них можно назвать небольшие остаточные напряжения в кольцах, возникающие при их изготовлении. Процессы, аналогичные ста­ рению чугуна, наблюдались в кольцах из силицированного гра­ фита марки ПГ-50С. Так, у колец с высокой степенью плоскост­ ности (отклонения не более 0,3 мкм) через 10—20 ч хранения пло­ скостность ухудшалась и отклонения составляли несколько ми­ кронов. При последующих доводках колец эти деформации по­ степенно прекращались.

Другой причиной возникновения деформаций является за­ прессовка и вклейка колец в обоймы. Напряжения, возникающие при таком закреплении колец, вызывают со временем деформации доведенных поверхностей. Для устранения деформаций рекомен­ дуется выдержка колец перед их доводкой в условиях смены тем­ ператур, например на подоконнике в течение от нескольких дней до двух недель. Другим способом устранения остаточных напря­ жений является выдержка колец в печи при определенной тем­ пературе [23].

Остаточные деформации появлялись после пуска уплотнений в работу в результате действия давления и температуры на кольца. Некоторую роль в этом процессе, по-видимому, играют реологи*

ческие свойства клея. Такие деформации наблюдались, например, у керамических колец (керамика марки ЦМ332 с 99% А120 3), вклеенных на лаке Ф-10 в крышки из стали Х17Н13М2Т, при испытаниях на воде в паре с углеграфитом 2П-1000, пропитанным фенолформальдегидной смолой. Частота вращения валов диа­ метрами 100 и 130 мм составляла до 3000 об/мин. Уплотнения по конструкции близки к показанным на рис. 8 и 10. Герметичные в неподвижном положении, они при вращении вала сразу начи­ нали пропускать большие утечки. При разборке обнаружены де­ формации притертых поверхностей керамических колец.

Применение металлических обойм с тонкими стенками (тол­ щиной ~ 1 мм), охватывавшими керамические кольца по наруж­ ному диаметру, значительно снизило указанные деформации.

Деформации волнистости возникают также при неоднородности материала самих колец. Так, например, при испытаниях во ВНИИГидромаше уплотнений высокого давления на воде с парой трения силицированный графит ПГ-50С по силицированному гра­ фиту УМС, последний имел неодинаковую степень силицирования по окружности кольца (это было обнаружено рентгеновским про­ свечиванием кольца). В результате под действием давления (100— 150 кгс/см2) кольцо деформировалось неодинаково в направлении окружности и его трущаяся поверхность становилась волнистой. Утечка через пару трения возрастала, момент трения падал и ре­ жим трения приближался к жидкостному.

Аналогичные деформации возникают при неоднородности мате­ риала кольца из-за переменности коэффициента температурного расширения или износостойкости кольца.

Рассмотренные силовые, температурные и остаточные дефор­ мации обычно малы, и поэтому можно считать, что они подчи­ няются закону Гука, хотя материалы колец не всегда имеют это свойство. Отсюда полную деформацию какого-либо кольца можно найти, суммируя отдельные его деформации.

Деформации, за исключением некоторых случаев, нежела­ тельное явление в парах трения, так как они приводят к неравно­ мерности и большей интенсивности износа и увеличивают утечку.

ВЛИЯНИЕ НЕТОЧНОСТЕЙ УСТАНОВКИ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ, БИЕНИЙ ВАЛА И ДРУГИХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Пару трения рассматривали выше изолированно от конструкции уплотнения в целом и его установки в машине, считая, что ника­ кие возмущающие силы не действуют на вращающееся и неподвиж­ ное кольца. Это идеальный случай. В действительности имеют место неточности установки уплотнения; неточности изготовления уплотнения; биения вала.

Все это влияет на силы и моменты, действующие в паре трения.

98

Рассмотрим влияние неточностей установки. В любом торцо­ вом уплотнении плоскость стыка пары трения всегда отклонена от положения, перпендикулярного оси вращения вала, т. е. имеется некоторый перекос пары трения. Величина этих отклонений в уп­ лотнениях с вращающимся упругим элементом приблизительно на порядок больше, чем в уплотнениях с неподвижным упругим элементом (см. рис. 2).

В уплотнениях с вращающимся упругим элементом будем различать два случая, когда кольцо пары трения приводится во вращение посредством упругой связи (пружины, сильфона и т. п.) и шарнирной связи (поводка, шпонки, штифта и т. п.). Упругую связь можно рассматривать как связь с помощью гибкого вала.

Рис. 78. Схемы к расчету силовых факторов, действующих на пару трения в уплот­ нениях с вращающимся упругим элементом

На рис. 78, а в качестве упругого элемента применен сильфон. Угловая частота вращения кольца пары трения при этом равна угловой частоте вращения вала. Считаем упругую связь идеаль­ ной, т. е. пренебрегаем работой деформации и инерцией упругого элемента, тогда равновесие упругого элемента с кольцом пары трения можно представить, как показано на рис. 78, а.

Д ля' идеальной упругой связи момент слева по абсолютной величине равен моменту трения М тв стыке торцового уплотнения. Из-за перекоса стыка в теле сильфона возникает изгибающий мо­ мент, уравновешивающийся моментом сил, действующих в стыке пары трения: М у = kya. Под влиянием М у упругий элемент при­ обретает форму части тора. Равновесие сильфона возможно в слу­

ционный момент / 0 -^jr, суммирующийся с моментом трения. Об­