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

появляется вероятность раскрытия пары трения под действием

к уменьшению диаметров поверхностей трения, чтобы снизить скорость скольжения и температуру пары.

4. В парах трения твердый материал по мягкому, кольца из мягкого материала должны иметь более узкую рабочую поверх­ ность во избежание врезания по краям твердого материала в мяг­ кий и связанного с ним выкрашивания материалов и усиленного трения. Разница в ширине поверхностей колец должна составлять 1—4 мм при диаметре вала от 15 до 150 мм.

В парах трения твердый материал по твердому ширину рабочих поверхностей колец можно принимать одинаковой или различной. Из-за весьма малой интенсивности износа колец обычно не происхо­ дит врезания одного кольца в другое.

5. Как видно из выражений (57 и 58), с уменьшением радиаль­ ной ширины поверхности трения b интенсивность выделения тепла в паре трения снижается и отвод тепла улучшается. Кроме того, износ поверхности трения становится более равномерным. В то же время согласно экспериментальным данным работ [27, 60 ] и дан­ ным ВНИИГидромаша утечка через уплотнение мало зависит от радиальной ширины Ь, так как с уменьшением b снижается эффективная величина зазора h пары, вследствие уменьшения изменений формы зазора. Отсюда видна целесообразность сокра­ щения размера Ъ. Однако при этом возрастает опасность поврежде­ ния более узкой поверхности (попадание абразивной частицы, появление царапин, эрозионный износ), а также снижается местная прочность и жесткость выступающих кольцевых поясков, обра­ зующих поверхность трения.

Для радиальной ширины Ъ поверхности трения обыкновенных пар трения в зависимости от диаметра d вала (втулки) можно ре­

вых колец следует принимать меньшие из приведенных значения Ь. Для уплотнений, работающих на газах, где повреждение абразивными частицами рабочей поверхности колец значительно менее вероятно, чем на жидкостях, можно принимать также мень­

шие значения Ь.

Для гидродинамических пар трения (см. рис. 40) ширина Ь больше приведенных выше значений на радиальную ширину а канавки. Отношение alb можно принимать в соответствии с дан­ ными рис. 41.

В гидродинамических уплотнениях, испытанных во ВНИИГидромаше при давлении до 200 кгс/см2 с парами трения ПГ-50С по

ПГ-50С, снабженными канавками (см. рис. 40, в), отношение alb =

Для гидростатических торцовых уплотнений ширина поверх­ ности трения значительно больше, чем для обыкновенных и гидро­ динамических уплотнений. Она определяется балансом сил в уплот­

печивать наименьшие деформации уплотняющих поверхностей пары трения. Нужно стремиться к осесимметричной форме колец с сечениями, близкими к прямоугольнику или квадрату.

Рис. 92. Схема к расчету напряжений в кольцах пары трения:

а — к о л ь ц о п е р е м е н н о й ш и р и н ы ; б — к о л ь ц о с б а н д а ж о м

Для колец, изготовленных из хрупких материалов, места пе­ рехода кольцевого выступа, образующего поверхность трения,

косновному сечению кольца должны иметь плавное скругление радиусом 1—3 мм. Это повышает прочность колец примерно в 2 раза по сравнению с переходом в виде острого угла [60].

Для приближенной оценки величины растягивающих напряже­ ний, возникающих при переходе от одного размера сечения кольца

кдругому (рис. 92, а) вследствие изменения радиальной деформа­ ции кольца, можно использовать формулу (радиус кругления принят равным нулю)

хрупких и твердых материалов (углеграфиты, силицированные графиты, керамика, твердые сплавы) является их вклейка в метал­ лические обоймы, крышки и т. п. Во ВНИИГидромаше и на НМЗ

132

широко применяют вклейку колец на клеевом лаке Ф-10, содержа­ щем фуриловую и фенолформальдегидную смолы, а также на фенол­ формальдегидной смоле.

Кольцо устанавливают в обойму с зазором 0,1—0,2 мм на диа­ метр. Шероховатость поверхностей под вклейку должна быть не выше V5. Поверхности тщательно очищают и обезжиривают (ацетоном, спиртом). Затем их промазывают клеем и выдерживают на воздухе не менее 30 мин до его подсыхания «до отлипа». Затем снова промазывают клеем и сушат «до отлипа». Обоймы нагревают до '—80° С, и в них вставляют кольца. Кольца прижимаются тор­ цами к обоймам с помощью струбцинок. Детали помещают в термо­ шкаф, в котором полимеризуется клей. Температура в термо­

в пустоты при испытании на герметичность. Затем кольцо с обой­ мой закрывают двумя крышками (рис. 93). В образовавшемся объеме создается вакуум, а снаружи с помощью пипетки наносят клей. Клей заполняет пустоты в местах нарушения герметичности. После этого клей повторно полимеризуется в термошкафу. Доводку колец производят после их вклейки в обоймы.

Лак Ф-10 и фенолформальдегидная смола допускают при эксплуатации температуры до 150° С. Для более высоких темпера­ тур рекомендуется вклейка колец на клее ВС-350. Технология вклейки приблизительно та же, однако выдержка в термошкафу

дуктах.

Для работы на воде, растворах солей и в агрессивных жидко­ стях (за исключением щелочей и сильных окислителей) применяют кольца, вклеенные лаком Ф-10.

Вклейка обеспечивает простоту и компактность закрепления колец. Одновременно повышается надежность и безопасность ра-

133

боты уплотнения, так как при возникновении трещин в кольцах они удерживаются клеем в обоймах и не разрушаются.

К недостаткам вклейки следует отнести отмечавшиеся ранее деформации вклеенных колец.

Прочное соединение колец с обоймами достигается при напря­ женной или прессовой их установке в обоймы, однако такая уста­ новка часто вызывает появление трещин в кольцах из хрупких материалов (ПГ-50С, ЦМ-332 и др.).

Значительно меньше напряжения и деформации при свобод­ ной установке колец (см. рис. 5, 6, 14). Свободную установку ко­ лец (без каких-либо плотно охватывающих их деталей) в боль­ шинстве случаев нельзя рекомендовать для колец из хрупких материалов, так как в этом случае их растрескивание сопровож­ дается полным разрушением колец.

рис. 92, б). Рассчитать натяг и толщину бандажа можно, исполь­ зуя выражения для напряжений в стенках составной трубы. Величина натяга А должна быть такой, чтобы при температурном расширении бандажа и кольца во время работы уплотнения натяг не уменьшался до предела, при котором возможно проворачива­ ние кольца моментом трения. Для бандажей поэтому желательно выбирать материалы с коэффициентами температурного расшире­ ния, близкими к коэффициентам колец.

Для приближенной оценки тангенциальных напряжений растя­ жения в бандаже и сжатия в кольце, если принять, что они равно­ мерно распределены по сечениям, можно использовать формулы

Если на наружную поверхность кольца с бандажем действует давление р, то тангенциальные напряжения сжатия кольца

Бандажи не вызывают значительных дополнительных дефор­ маций колец при работе уплотнений, поскольку они сравнительно тонкие и имеют равномерную толщину.

Испытания во ВНИИГидромаше уплотнений, снабженных кольцами из ПГ-50С с бандажами, при давлении воды до 50 кгс/см2, температуре до 70° С и скорости скольжения в парах до 20 м/с

134

показали достаточную надежность и герметичность таких уплот­ нений.

Остановимся на особенностях конструкции разъемных колец торцовых уплотнений.

Кольца из материалов с невысокой хрупкостью составляются из частей с пригнанными (шлифованными и притертыми) торцами. Крейн Пекинг (Англия) использует для закрепления и стягива­ ния колец металлические хомуты (см. рис. 21) на диаметры валов до 1500 мм либо резиновые бандажи на диаметры валов до 170 мм. В последних применяют углеграфитовые разломанные на две части кольца. Эти кольца могут быть изготовлены только из

колец их стыки были достаточно плотными. После разлома произ­ водили доводку поверхности трения кольца в собранном виде.

8. Учитывая большую опасность попадания абразивных ча­ стиц в зазор пары, следует применять конструкции уплотнений, в которых утечка жидкости направлена против действия сил инер­ ции (от периферии к центру). В таких уплотнениях утечки жидко­ стей значительно меньше [60], а условия охлаждения лучше, чем в уплотнениях с обратным направлением утечки. Вероятность засорения дросселирующих отверстий и капилляров в гидроста­ тических парах трения меньше в том случае, если они располо­ жены во вращающихся кольцах. При этом возможна также уста­ новка фильтрующих элементов, которые, вращаясь в жидкости, практически не засоряются.

9. При выборе варианта, какое из колец пары трения делать вращающимся, а какое — неподвижным, следует учитывать, что вращающееся в жидкости кольцо имеет значительно более высокий коэффициент теплоотдачи, чем неподвижное. Вращающееся кольцо поэтому желательно иметь из материала с более высоким коэффи­ циентом теплопроводности. Изменяя несколько форму колец пары трения —• применяя кольцевые выточки или отдельные карманы вблизи поверхности трения, можно улучшить отдачу тепла от пары и снизить ее температуру.

135

ций и коррозии (фреттинг-коррозия). При использовании угле­ графитовых вращающихся колец (см. рис. 3 и 5) вибрационного изнашивания втулок в контакте с ними не наблюдается, однако щелевая коррозия возможна (например, на морской воде со втул­ ками из хромоникелевых сталей).

Значительный вибрационный износ наблюдался в контакте обоймы вращающегося кольца со втулкой (см. рис. 42), выпол­ ненных из стали Х18Н9Т. Изношенная поверхность втулки за 700 ч работы при 3000 об/мин вала и давлении воды 160 кгс/см2 показана на рис. 95.

Чтобы защитить контактные поверхности от вибрационного износа, помимо использования материалов мягкий по твердому (пластмасса по металлу, углеграфит по металлу и т. п.), можно рекомендовать различные покрытия. Хромированные поверх­ ности в контакте с хромированными (твердое хромирование, тер­ мохромирование) имеют достаточную износостойкость при вибра­ ционном трении. Это относится и к оксидированным поверхностям титановых сплавов (ВТ-1, ВТ-3). По-видимому, для этих целей можно использовать плазменное напыление твердых материалов, азотирование, цианирование и другие процессы.

КОНСТРУКЦИЯ, МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ УПЛОТНЕНИЙ

ПРУЖИНЫ

Большинство конструкций упругих элементов торцовых уплот­ нений включает пружины, обеспечивающие герметичность кон­ такта и компенсацию износа пары трения. Вместо пружин иногда используют также магнитное притяжение колец пары, но это усложняет и удорожает конструкцию уплотнения и не всегда возможно по условиям коррозионной стойкости соответствующих материалов.

При износе пары трения натяжение пружин уменьшается. Конструкция пружин должна обеспечивать снижение удельного давления с учетом полного износа пары трения не более 10—20%.

Усилие пружины должно быть значительно больше силы тре­ ния уплотнительных колец, манжет, сил жесткости сильфонов, мембран и других уплотнительных элементов. При сборке уплот­ нения всегда следует проверять свободу движения кольца пары трения под действием пружины и его подвижность в отношении перекоса.

Можно рекомендовать снимать полную характеристику упру­ гого элемента в сборе при его нагружении и разгрузке. При этом образуется петля гистерезиса нагрузки, величина которой опре­ деляется трением и свойствами уплотнительных элементов. Чем меньше ширина петли, тем меньше влияние дополнительных сил на работу пары трения.

137

Для определения характеристик нагрузка — перемещение упругих элементов удобно использовать машину МИП-100-2 для испытания пружин.

Приблизительно оценку необходимой силы пружины следует производить, исходя из рекомендуемых удельных давлений в паре трения. По данным ВНИИГидромаша можно рекомендовать сле­ дующие удельные нагрузки в парах трения от действия только пружин, разделенные в зависимости от группы уплотнений (см.

Увеличение удельной нагрузки от группы I к группе IV уплот­ нений объясняется ростом давления среды и возрастающими тре­ бованиями к надежности уплотнений. С увеличением диаметра вала и скорости скольжения в паре трения удельное давление должно снижаться. Для гидравлически разгруженных уплотнений удель­ ные нагрузки принимают большими, чем для неразгруженных, так как с увеличением гидравлической разгрузки опасность рас­ крытия стыка уплотнения увеличивается.

с малым числом рабочих витков (1—3), чтобы по возможности сократить осевой габаритный размер уплотнения. Особое внимание следует уделять перпендикулярности торцов пружины ее оси и точности выполнения витков. Значительная неперпендикулярность торцов оси вызывает односторонний ускоренный износ пары трения.

При выполнении вращающихся пружин необходимо обеспе­ чить тщательную их центровку относительно вала (втулки), в противном случае на пружину могут действовать значительные силы инерции, вызывая трение и износ пружины и вала. Для ва­ лов, вращающихся с высокими скоростями, как правило, приме­ няют уплотнения с неподвижными пружинами.

С увеличением диаметра вала более 100 мм, а также в тех слу­ чаях, когда желательно сократить осевой размер уплотнения, применяют уплотнения с несколькими пружинами малого размера. Число рабочих витков таких пружин обычно составляет 4—8. Число пружин зависит от диаметра вала (например, при диаметрах валов 80— 150 мм число пружин составляет 6—8).

При больших диаметрах валов (500 мм и более), когда необхо­ димое число пружин становится большим, вместо пружин приме­ няют металлический сильфон (см. рис. 21).

Уплотнения с отдельными вращающимися пружинами можно применять на значительно большие окружные скорости вращения, чем с центральной пружиной, поскольку отдельные пружины по­ лучаются легкими и соответственно на них действуют меньшие силы инерции. Однако и эти уплотнения выполняют с неподвиж­

138

избежать явлений резонанса, иногда применяют конструкции с пластинчатыми пружинами из листовых материалов. Такие пружины имеют малый вес и жесткую характеристику, т. е. их собственная частота колебаний является высокой. Сложность заключается в подборе такой пружины, поскольку ее характери­ стика не поддается достаточно точному расчету.

Пластинчатые пружины более надежны, чем цилиндрические, поскольку при появлении сквозной трещины они продолжают работать, а цилиндрические — нет.

Пружины торцовых уплотнений работают в весьма тяжелых условиях: при переменной нагрузке, в окружении жидкой среды (часто химически агрессивной), которая не только снижает уста­ лостную прочность пружины вследствие физических процессов взаимодействия с ее поверхностью (эффект Ребиндера), но и часто вызывает коррозию, концентрацию напряжений и резкое сниже­ ние прочности. Частые поломки пружин усталостного характера наблюдали в уплотнениях нефтяных насосов из-за содержания агрессивных примесей в нефти (сероводород и др.).

Поскольку с уменьшением диаметра проволоки пружины опасность коррозии возрастает (отношение площади поверхности к объему материала увеличивается), то для агрессивных сред предпочтительны уплотнения с центральной пружиной. Однако во всех случаях нужно стремиться изолировать пружину от агрес­ сивной среды и применять для пружин материалы с высокой кор­ розионной стойкостью.

трубки из полипропилена, поливинилхлорида, фторопласта-4. Эффективным способом защиты пружин, особенно при работе на средах, содержащих твердые примеси, растворенные соли, яв­ ляется размещение их снаружи с защитой резиновыми чехлами (см. рис. 12). При этом внутреннее пространство, где располо­ жены пружины и другие детали уплотнений, смазывают конси­ стентной смазкой. Смазка защищает детали уплотнения от кор­ розии и уменьшает их трение и вибрационный износ.

Описанные способы применяют лишь в отдельных конструк­ циях торцовых уплотнений, в большинстве же случаев пру­ жины подвержены непосредственному воздействию рабочей среды или воздействию ее утечки. Для пружин поэтому выбирают материалы с наибольшей коррозионной стойкостью в данной среде.

В химически нейтральных жидкостях (бензин, керосин, сма­ зочные масла и т. п.) используют пружины из обычных углероди­ стых пружинных сталей и хромистых сталей типа 4X13, подвер­ гающихся закалке.

Для нефтей и нефтепродуктов с некоторой химической агрес­ сивностью, для пресной воды и щелочных растворов можно реко­ мендовать пружины из хромоникелевых сталей типа Х18Н9Т, Х17Н13М2Т и др.

139

Для придания упругих свойств пружинам из этих сталей при­ меняют многократную нагартовку проволоки. Для некоторых агрессивных жидкостей можно использовать стали с большим содержанием хрома и никеля типа 0Х23Н28МЗДЗТ (азотная, фосфорная, серная кислоты, растворы солей), 36НХТЮ (морская вода, растворы солей).

Для морской воды применяют также пружины из бронзы. Следует учитывать, что даже небольшие примеси веществ в средах могут резко изменять их химическую агрессивность.

Например, хромоникелевые стали, достаточно стойкие в серно­ кислотных средах, теряют в значительной степени стойкость, если эти среды содержат даже небольшое количество соляной кислоты.

В уплотнениях, работающих на средах с большим содержанием твердых примесей (кристаллы солей, окалина, песок, грунт, фе­ кальная, бумажная масса и т. п.), защита пружин от воздействия среды необходима также, чтобы исключить их абразивный износ и потерю подвижности в результате отложений твердого вещества.

Шероховатость поверхности рабочих витков пружин должна быть не ниже S/8 при точности изготовления, соответствующей классам I—II

Испытания во ВНИИГидромаше различных пружин из нагартованной проволоки показали, что значения модуля сдвига имеют значительный разброс и зависят от степени нагартовки, диаметра проволоки и других факторов. В среднем при расчете усилий пружин из высоколегированных материалов можно рекомендовать принимать модуль сдвига равным G = 4Х 105 кгс/см2, а допускае­ мое напряжение кручения не более 3000 кгс/см2.

УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ КОЛЬЦА, МАНЖЕТЫ, МЕМБРАНЫ, СИЛЬФОНЫ

Эти элементы, иногда называемые вторичными уплотнениями, служат для герметизации одного из колец пары трения относи­ тельно вала (втулки) или крышки (корпуса) машины. Иногда сильфоны и мембраны выполняют и функции пружин, обеспечивая прижатие колец пары трения.

В торцовых уплотнениях наибольшее распространение полу­ чили уплотнительные резиновые кольца круглого сечения. Это объясняется простотой формы, высокой герметичностью, устой­ чивостью к действию больших перепадов давления, сравнительно малым трением (сила трения Тг на рис. 24) относительно сопря­ женных деталей таких колец. Кроме них, применяют кольца пря­ моугольного сечения и манжеты.

Резиновые кольца изготовляют формованием в металли­ ческих (хромированных) тщательно обработанных пресс-формах с последующей вулканизацией. Поверхность резинового кольца должна быть гладкой без повреждений, так как это значительно

140