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

цовых уплотнений керамика — фторопласт-4 еще более опасно, чем для пар трения керамика—углеграфит.

Описанные выше пары допускают наличие в среде взвешенных твердых частиц, если их содержание не превосходит нескольких процентов. Для сред с большим содержанием абразивных частиц (более 10%) износостойкость колец из таких материалов, как 2П-1000-Ф, Ф4к20, становится недостаточной. В этих случаях хорошие результаты получены с парами трения силицированный графит ПГ-50С по ПГ-50С (ВНИИГидромаш). Применимы также пары трения твердый сплав по твердому сплаву (например, ВК8Х0,5 по ВК8Х0,5). Такие пары трения используют в уплот­ нениях осушительных, скважинных, песково-химических насосов.

Исследования во ВНИИГидромаше показали, что, несмотря на высокую износостойкость указанных материалов, зазор пар трения, работающих на абразивных средах, следует защищать от попадания в него большого количества абразива.

При работе торцовых уплотнений на газообразных средах (го­ рячие газы в газовых турбинах, сжиженные газы в насосах ит. д.) условия трения в их парах соответствуют технически сухому трению. Для таких условий трения требуется применение спе­ циальных материалов, например, пиролитических углеродных ма­ териалов (пирографитов), получаемых пиролизом углеводородных газов при 1800—2100° С. Выделяющийся в результате пиролиза углерод осаждается на поверхности плотным слоем. Получаемые материалы имеют практически нулевую пористость и поэтому не требуют пропитки. Они не окисляются на воздухе при температуре до 400° С, а в инертной среде могут работать при значительно более высоких температурах. Характерной особенностью таких материалов является анизотропия их свойств, но могут быть по­ лучены и изотропные материалы. В табл. 3 даны свойства изо­ тропного пирографита ПГИ (ГИПХ).

Пирографиты удовлетворительно работают на трение в паре с наплавками стеллита (В-ЗК) при высоких скоростях скольжения. Для таких уплотнений рекомендуются пары трения с гидродина­ мическим расклиниванием поверхностей [76].

При невысоких температурах и скоростях скольжения до '~10 м/с в торцовых уплотнениях применимы материалы типа АМАН. Они удовлетворительно работают при сухом трении по твердым сталям, например, по 9X18 с HRC 45—50 или 22X3

с HRC 35 (см. табл. 3) [3].

Пары трения твердый сплав по углеграфиту и твердый сплав по твердому сплаву (например, ВК8Х0,5 по ВК8Х0.5) могут дли­ тельно работать при сухом трении благодаря высокой износостой­ кости, термопрочности и отсутствию схватываемости. Такие пары используют, например, при низких температурах в уплотнениях для сжиженных газов.

Кроме описанных выше материалов, в парах трения торцовых уплотнений применяют различные покрытия, повышающие изно­

121

состойкость и антифрикционные характеристики трущихся по­ верхностей. Однако из-за тонкости слоя их можно использовать лишь на чистых средах, не имеющих большой химической актив­ ности. Так, например, на нефтепродуктах фирмы Флексибокс (Англия) и Танкен Сейко (Япония) применяют металлические кольца с покрытием поверхности трения окисью алюминия, окисью хрома, карбида вольфрама, карбида хрома в парах с углеграфи­ товыми кольцами. Толщина покрытий, наносимых плазменным напылением, составляет несколько десятых долей миллиметра. Получение плотного однородного слоя покрытия (особенно из карбидов) — достаточно сложная задача. Нанесенный на поверх­ ность слой материала имеет меньшую плотность, чем тот же ма­ териал, полученный прессованием и спеканием, поэтому коэф­ фициент теплопроводности покрытия приблизительно в 10 раз ниже коэффициента теплопроводности соответствующей минералоили металлокерамики [60]. Несмотря на это термопрочность по­ крытий достаточно велика из-за их малой толщины [формула (65) ]. При этом коэффициенты температурного расширения основного материала и покрытия должны быть близкими.

Кроме напыления, для создания твердого слоя на поверх­ ности кольца уплотнения применяют оксидирование (титановых сплавов), хромирование (гальваническое и термическое) и неко­ торые другие процессы.

Достаточно высокие антизадирные свойства покрытий, их технологичность и практически полное отсутствие механического трения поверхностей в гидростатических уплотнениях (руя — 0) обусловили применение покрытий в этих уплотнениях.

В табл. 4 приведены данные о параметрах работы и износо­ стойкости различных пар трения; указанные в таблице руа близки к их нижней границе практических значений. Особенностью табл. 4 является то, что рекомендуемые пары трения группы уплот­ нений (II, III, IV) для данной области можно использовать в лю­ бой предыдущей группе. Однако может оказаться нерациональ­ ным использование более дорогих и трудно обрабатываемых мате­ риалов там, где с успехом работают более дешевые и технологич­ ные материалы.

При выборе той или иной пары трения, стоимость которой со­ ставляет большую часть стоимости уплотнения, немаловажна роль экономического расчета. В нем следует учитывать: а) стоимость пары трения; б) работоспособность пары— ее износостойкость, надежность в эксплуатации (вероятность отказа при сухих пусках и т. д.) и соответствующая долговечность; в) потери на трение и утечку; г) затраты на обслуживание при замене пары; д) потери производства, связанные с остановкой насоса или другого агре­ гата для замены пары трения; е) условия безопасности производ­ ства при выходе из строя пары трения.

Например, в нефтехимической промышленности Японии, Ан­ глии и других стран отмечается переход от более дешевых, но

122

Т а б л и ц а 4

J23

й менее долговечных пар трения, к более дорогим и работоспособ­ ным: от пары трения углеграфит—стеллит к паре специальный углеграфит — металлокерамика на основе карбида вольфрама и т. д. Последние пары трения обеспечивают работу оборудования без остановок на их замену в течение нескольких лет (около трех лет) до полного морального и материального износа оборудования. По сравнению с этим эффектом начальные затраты на уплотнение незначительны.

Экономические соображения при выборе пары трения для уплотнений различных агрегатов в самолетах, подводных лодках уступают место требованию высокой надежности в различных условиях эксплуатации.

Вместе с тем для многих областей использования уплотнений низкая стоимость и доступность материалов пар трения имеют решающее значение (например, сельскохозяйственные машины и агрегаты).

Стоимость кольца торцового уплотнения включает стоимость материала и затраты на его обработку. Последние могут состав­ лять большую часть стоимости кольца.

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ И КОНТРОЛЯ КОЛЕЦ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Заготовки колец в зависимости от свойств материала подвергают различной механической обработке. Так, кольца из металлов с низкой твердостью, пластмасс и углеграфитов обрабатывают на токарных станках. Углеграфиты обрабатывают твердосплавными резцами с отрицательным углом заточки, с отсосом угольной пыли с помощью вентилятора.

Рабочие поверхности колец из закаленных сталей и с наплав­ ками (стеллит) шлифуют корундовыми кругами.

Кольца из силицированного графита СГ-Т, СГ-П, СГ-М, из минералокерамики ЦМ332 и металлокерамики шлифуют алмазными кругами.

Канавки, отверстия в кольцах из металлокерамики обрабаты­ вают электроэрозионным методом. При этом обработка силициро­ ванного графита значительно более трудоемка. Для силициро­ ванного графита и минералокерамики применяют также ультра­ звуковую обработку. Этим способом, например, обработаны уплот­ няющие поверхности с овальным контуром (см. рис. 14).

Сверление отверстий в твердых материалах в лабораторных условиях можно выполнять с помощью медной трубки, торец ко­ торой смазан алмазной пастой. Заключительной операций обра­ ботки колец пары трения является доводка их поверхностей тре­ ния. В лабораторных условиях доводку можно произвести вруч­ ную на чугунных и стеклянных плитах (три плиты из каждого материала периодически взаимно притираются). Размер плит не должен превышать 300—350 мм, чтобы их взаимная притирка

124

Вручную не была затруднительной. Для изготовления плит при­ меняют чугуны специального состава и стекло Пирекс [4].

В СССР и за рубежом наибольшее распространение получила механизированная притирка колец [28,4]. Нальчикский машино­ строительный завод выпускает и эксплуатирует притирочные станки различной производительности.

На рис. 86 показан один из притирочных станков небольшой производительности фирмы Флексибокс (Англия). При доводке установленные в держатели кольца прижимаются своим весом или при помощи дополнительных грузов к плоской поверхности

Кольца из термореактивных пластмасс и углеграфитов доводят на чугунных плитах со смазкой керосином и на стеклянных плитах (со смазкой водой до влажного состояния) без применения абра­ зива. Для ускорения доводки пластмассовых колец уплотнений крупносерийного производства (насосы охлаждения двигателей внутреннего сгорания) применяют очень мелкий абразивный по­ рошок (фирма Морганайт, Англия).

Доводку колец из материалов на основе фторопласта-4 произ­ водят на стеклянных плитах со смазкой мыльной водой без приме­ нения абразива.

Контроль качества материала и обработки колец должен на­ чинаться с контроля их заготовок. Применяют известные методы определения физико-механических свойств и структуры материала. Просвечивание рентгеновскими лучами таких материалов, как углеграфит 2П-1000, силицированный графит УМС и других, позволяет определять макрооднородность их структуры (равно­ мерность распределения пор, равномерность силицирования, от­ сутствие внутренних раковин и т. д.) Степень пропитки углегра-

125

фенолформальдегидной смолой (рис. 88, а). Непропитанный углеграфит оказывает значительно большее сопротивление движению иглы (из-за более глубокого ее внедрения) при больших колеба­ ниях нагрузки (влияние пористости материала), чем пропитанный.

Переходя теперь к контролю обработки колец торцовых уплот­ нений, остановимся на контроле плоскостности доводки и чистоты

При контроле плоскостности можно использовать как дневной, так и искусственный монохроматический свет. В первом случае

ветствует отклонению от плоскостности около 0,3 мкм.

Число полос, пересеченное прямой линией, помноженное на 0,3 мкм, дает неплоскостность образца в направлении данной прямой. Так, отклонение от плоскостности кольца с наложенной на него стеклянной пластиной в направлении прямой а—а состав­ ляет —0,6 мкм (рис. 89).

При повороте стеклянной пластины относительно образца на небольшой угол возможны два случая расположения полос относительно точки поворота. На рис. 89 буквами б и в обозна­ чены точки поворота, а штриховыми линиями — интерференцион­ ные полосы. Расположение полос около точки б соответствует

127

выпуклой форме контролируемой поверхности в данном месте,

аоколо в — вогнутой.

Если же при повороте стеклянной пластины возникают прямо­

линейные параллельные полосы, то контролируемая поверхность имеет отклонения от плоскостности менее 0,3 мкм.

С уменьшением отклонений от плоскостности менее 0,3 мкм световые полосы исчезают и при освещении дневным светом по­ верхность окрашивается сначала

взеленый, розовый, затем в синий

инаконец в светло-желтый («соло­ менный») цвет. В последнем слу­

троле плоскостности используют монохроматическое освещение. Для этих целей используют гелиевые или натриевые источники света, помещенные в специальный осветительный шкаф. Схемы расположения интерференционных полос показаны на рис. 90, а—г. Прямолинейные параллельные полосы на рис. 90, б означают,

Рис. 90. Расположение интерференционных полос при монохроматическом осве­ щении [60] (/ — точка контакта пластины с кольцом)

что отклонения от плоскостности кольца находятся в пределах отклонений от плоскостности стеклянной пластины. Расположе­ ние полос на рис. 90, в показывает, что поверхность имеет вогну­ тую форму с отклонением от плоскостности в пределах одной по­ лосы (—0,3 мкм) на длине ML.

На рис. 90, г поверхность выпуклая и отклонение от плоско­ стности равняется двум полосам (—0,6 мкм) на длине ML. При определении отклонений учитывается число полос, пересеченных отрезком прямой линии (ML).

При контроле плоскостности интерференционным методом ше­ роховатость контролируемой поверхности должна быть не ниже

128

V 10, в противном случае интерференционные полосы просматри­ ваются с большим трудом или вообще не просматриваются. Чтобы улучшить их видимость, после доводки рабочие поверхности ко­ лец подвергают небольшой полировке вручную на жесткой бумаге. Шероховатость поверхности при этом изменяется мало, но поверх­ ность приобретает некоторый блеск.

На основании экспериментальных исследований, опыта произ­ водства и эксплуатации торцовых уплотнений максимальные откло­ нения от плоскостности их пар трения не должны превосходить 0,9 мкм (три интерференционные полосы). При этом интерферен­ ционные полосы должны быть замкнутыми (при освещении днев­ ным светом) и по форме близкими к окружностям, т. е. волни­ стость поверхностей должна быть минимальной. В противном случае утечка через пару трения резко увеличивается (см. «Ги­

мые максимальные отклонения от плоскостности могут быть регла­

по ПГ-50С) допускаются меньшие отклонения от плоскостности, чем для пар трения из более мягких материалов (например, 2П-1000-Ф по 9Х18), так как твердые материалы значительно труд­ нее прирабатываются и обеспечивают меньшую герметичность уплотнений.

В случаях установки колец на доведенные опорные поверхности (см., например, рис. 14) их неплоскостность и неплоскостность тыльных поверхностей колец приблизительно одинакова.

Нормы на чистоту обработки уплотнительных поверхностей пар трения определяются как требованиями по их плоскостности, так и стремлением получить пару трения с максимальной рабо­ тоспособностью.

Ранее отмечено (см. «Обыкновенные пары трения»), что опти­ мальной шероховатостью поверхности металлических колец сле­ дует считать V10— И- Обработка металлических колец до шеро­ ховатости поверхности более V 11 не только увеличивает затраты производства, но и резко ухудшает их работоспособность в паре с углеграфитовыми кольцами.

Кольца из сравнительно мягких материалов — пластмасс, углеграфитов — следует обрабатывать с такой чистотой, чтобы был возможен контроль их плоскостности. В дальнейшем шерохо­ ватость уплотнительных поверхностей этих колец в направлении скольжения обычно уменьшается в результате приработки.

Поверхности колец из твердых износостойких материалов (силицированный графит, минералокерамика, твердые металло­ керамические сплавы) следует обрабатывать с максимально воз­ можной чистотой, так как их работоспособность определяется структурой самого материала, а приработка в паре трения тре­

бует длительного времени. Описанная выше технология доводки таких колец обеспечивает необходимую чистоту их уплотни­ тельных поверхностей.

Контроль чистоты обработки поверхности производят обыч­ ными методами, например, с помощью профилографа-профило- метра завода «Калибр». При этом в соответствии с рекоменда­ циями работы [4] не следует учитывать отдельные глубокие поры,

Рис. 91. Профилограммы шлифованных (а, в) и доведенных (б, г) поверх­ ностей стального (а, б) и керамического (я, г) колец (вертикальное уве­

личение 4000х , горизонтальное — 116х ) [4]

свойственные самой структуре исследуемого материала. На рис. 91 даны профилограммы поверхностей стального и керамического колец после их шлифования и доводки [4]. В случае керамики видны глубокие поры; основная высота шероховатостей поверх­ ности керамического и стального колец одинакова.

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПАР ТРЕНИЯ

В соответствии с особенностями работы и требованиями, предъяв­ ляемыми к парам трения уплотнений, сформулируем некоторые общие положения, которые необходимо учитывать при их конструи­ ровании.

1.Для колец пары трения выбирают коррозионностойкие материалы, способные работать с наименьшим износом и трением

взаданных условиях. Для работы на жидкостях желательно вы­ бирать пары трения, допускающие сухое трение (по крайней мере

втечение коротких промежутков времени).

2.При выборе материалов и удельных давлений следует ру­ ководствоваться данными табл. 4 и технико-экономическим рас­ четом. Если удельное давление рул в паре трения при заданном давлении рабочей среды больше допустимого, то следует прибе­ гать к гидравлической разгрузке уплотнения. При этом нужно иметь в виду, что с увеличением гидравлической разгрузки (уменьшением k) надежность уплотнения снижается, так как

130