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

фона возрастает приблизительно в 3-й степени от толщины стенки). При изготовлении сильфонов следует контролировать равно­ мерность толщины стенки, отсутствие в ней трещин, надрезов, раковин и других дефектов.

Герметичность сильфонов рекомендуется проверять давлением воздуха 0,5— 1 кгс/см2 под водой.

Для достижения большей компактности уплотнений с силь­ фонами фирмой Крейн Пекинг (Англия) применены сильфоны всего с тремя гофрами (рис. 105).

Третью группу сильфонов составляют металлические силь­ фоны. Они имеют значительно большую упругость, прочность и жесткость к действию давления среды. Обычно уплотнения с ме-

Рис. 106. Форма гофр штампованного (а) и сварного (б) металли­ ческих сильфонов

таллическими сильфонами используют при давлении до 15 кгс/см2, но имеются конструкции, допускающие давления до 70 кгс/см2 [29 ]. Характеристики сильфонов мало изменяются в широком диа­ пазоне температур (от —240 до +650° С) [23]. Вместе с тем из-за тонкости стенок и переменности напряжений, действующих в силь­ фонах (вследствие вибраций, изменений давления), металличе­ ские сильфоны используются в основном в средах без твердых примесей. Это химически нейтральные среды, где материалы сильфонов имеют абсолютную коррозионную стойкость: кисло­ род, азот, водород, гелий, пропан, бутан, аммиак и другие сжиженные газы, воздух, пар и прочие газообразные среды, вода, ртуть. Металлические сильфоны можно применять также в жидко­ стях с сильными окислительными свойствами (перекись водорода, концентрированная азотная кислота), в галогенах (фтор, хлор, бром, иод).

Наиболее распространены у нас и за рубежом металлические сильфоны двух видов (рис. 106): штампованные и сварные.

Штампованные сильфоны изготовляют в пресс-формах путем вытяжки и формования тонкостенных труб, сварные — элек­ тронно-лучевой сваркой из листов. Сварные в отличие от штам­ пованных более компактны и упруги. Упругость сварных силь­ фонов позволяет устанавливать их в торцовых уплотнениях без пружин (см. рис. 18). Однако сварные сильфоны значительно до-

152

роже штампованных и требуют тщательного контроля качества сварки гофр.

В отечественных торцовых уплотнениях (см. рис. 9 и 17) при­ меняют в основном штампованные однослойные сильфоны из стали Х18Н10Т. Диапазон допустимых температур для сильфонов со­ ставляет от — 194 до +400° С.

Штампованные сильфоны из-за их недостаточной упругости устанавливают в торцовых уплотнениях с пружинами. Отбор­ товки сильфонов соединяют с сопряженными деталями роликовой сваркой.

В большинстве конструкций торцовых уплотнений, особенно при больших скоростях вращения валов, металлические силь­ фоны выполняют неподвижными. При этом на них не действуют силы инерции и силы взаимодействия с жидкостью, возникающие от вращения. Сильфоны испытывают действие радиальных гидро­ статических сил вследствие угловых отклонений стыков сильфона (см. рис. 79). Наиболее опасны для них угловые и осевые вибра­ ции, вызывающие переменные напряжения в стенках. В резуль­ тате через некоторое время в сильфоне появляются сквозные уста­ лостные трещины и уплотнение выходит из строя. При этом сразу возникает большая утечка рабочей жидкости, чего не наблюдается при нарушении герметичности, например, резиновых уплотни­ тельных колец.

Важно поэтому заранее определить долговечность сильфона

азначения Е и аи в кгс/см2.

Вкачестве примера, определим долговечность штампованного

и п = 3000 об/мин, вызванных неперпендикулярностью оси вра­

(94) получаем пи = 1011 циклов или 55 000 ч непрерывной работы.

153

При ат = 0,02 см время непрерывной работы до поломки силь­ фона составит немного более 400 ч. Отсюда видно, как важно обеспечить максимальную точность установки пары трения.

Поскольку сильфоны имеют сравнительно небольшую же­ сткость и высокую упругость, в них при высоких частотах враще­ ния валов (п > 10 000 об/мин) могут возникать резонансные ко­ лебания. Они вызывают сколы и выкрашивание материала по гра­ ницам колец [23].

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОМЕНТА ОТ ПОДВИЖНОГО В ОСЕВОМ НАПРАВЛЕНИИ КОЛЬЦА

ПАРЫ ТРЕНИЯ (ПОВОДКИ, ШПОНКИ И ПР.)

Основное требование к таким устройствам следующее: при пере­ даче ими момента трения подвижность колец пары трения в осе­

струкциях уплотнений, в которых упругий элемент не может воспринимать момент трения.

Рис. 107. Поводки для передачи момента трения

Наиболее распространены поводки различной формы (рис. 107). В уплотнении необходимо иметь два поводка, расположенных под углом 180°. В некоторых уплотнениях применяют большее число поводков, однако их точная пригонка практически не осу­ ществима. При двух поводках допуски на размеры уплотнения и посадки его деталей должны обеспечивать одновременное кон­ тактирование поводков по поверхности К (см. рис. 107). Если этого не происходит, то на кольцо пары трения будет действовать ра­ диальная сила и его подвижность значительно ухудшится. Одно­ временность контактирования поводков в узле уплотнения можно определять по зажатию листа тонкой бумаги или щупа, помещае­ мых между поводками и стенками пазов.

154

Эксперименты во ВНИИГидромаше показали, что нержавею­ щие и хромистые стали (закаленные) не имеют достаточной изно­ состойкости в контактах при испытаниях в воде и других средах

гих устройств для передачи момента трения иногда используют пружину уплотнения. Сущест­ вуют дваспособа передачи момента пружиной. При первом (рис. 109) пружину выполняют с плотно уложенными по концам витками, которыми она с натягом надевается на сопряженные детали. При

газообразного гелия [43]

втором способе концы пружины изгибают и вставляют в отверстия сопряженных деталей. В обоих случаях направление момента тре­ ния должно быть таким, чтобы пружина закручивалась. Передача момента пружинами требует установки прочных пружин и не исключает контактов кольца с валом, втулки с крышкой и др.

156

Г л а в а IV

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ

В зависимости от поставленных задач экспериментальные иссле­ дования можно разделить на четыре группы:

в) исследование износостойкости, подбор материалов и отработка конструкции упругих элементов уплотнений (пружин, уплотни­ тельных колец, сильфонов и т. п.); г) исследование износостой­ кости и надежности работы уплотнения в целом.

Исследования каждой группы проводят с применением спе­ циального стендового и измерительного оборудования.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И ДРУГИХ ПРОЦЕССОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ

Наибольшие трудности встречаются в исследованиях этой группы. Такие исследования описаны в работах [6, 15, 27, 44].

При проведении экспериментов здесь обычно использовано одно уплотнение (точнее его модель), установленное консольно на валу, чтобы обеспечить наилучший доступ и обозрение пары трения. Предпочтительно при этом вертикальное расположение вала с размещением уплотнения на его верхнем конце.

Стенд должен быть приспособлен для проведения эксперимен­ тов с различными жидкостями (вода, масла и др.). В нем следует обеспечить плавное изменение в широком диапазоне: частоты вра­ щения — использованием постоянного тока, вариаторов; давле­ ния — при помощи насосов, компрессоров, снабженных регули­ рующими кранами, клапанами; температуры — электрическими нагревателями и холодильниками. В стенде необходимо преду­ смотреть фильтр, исключающий загрязнение среды продуктами

158

коррозии, износа и предохраняющий исследуемый узел от слу­ чайных загрязнений.

В экспериментах измеряют и фиксируют все или некоторые из следующих параметров: частоту вращения вала; давление и температуру среды, окружающей уплотнение; момент трения; распределение давления в зазоре уплотнения; распределение температуры на поверхностях трения; зазор в паре трения; утечку среды.

Сложной проблемой, не получившей до настоящего времени полного разрешения, является измерение параметров, относя­

итрения тонкими металлическими пластинками, расположен­ ными заподлицо с поверхностью [6].

Для измерения температуры в паре трения применяют поверх­ ностные термопары.

На рис. 111, аи б показаны две схемы такой термопары. Термо­ электродвижущая сила возникает между проводником 1 и метал­ лической стенкой 2 (см. рис. 111, б) или металлической трубкой 5 (см. рис. 111, а). Горячим спаем термопары служит тонкий слой 3 металлического покрытия (хромом, медью и др.), нанесенный непосредственно на поверхность, температуру которой измеряют.

Остальную часть поверхности проводника изолируют от стенки

искрепляют с ней механически тонким слоем изолятора 4. Тем самым достигается большая чувствительность, незначительная

измерения температуры на границах слоя в зазоре между валом и втулкой.

159

В работе [57 ] термопары, изготовленные по схеме на рис. 111, а из константанового проводника 1итрубки 5 из нержавеющей стали, применяли для измерения температуры поверхности вала под резиновой манжетой (диаметр термопар 0,6 мм).

Для измерения зазора в парах трения используют в основ­ ном два электрических метода: емкостный и индукционный. Для измерений емкостным методом служат емкостные датчики, кото­ рые обычно закрепляют в неподвижном кольце пары трения за­ подлицо с его рабочей поверхностью. Второй обкладкой конден­ сатора служит вращающееся (заземленное) кольцо пары трения 16]. Измерения емкостными датчиками возможны лишь на жидко­ стях с электроизлирующими свойствами. Ошибки при измере­ ниях этим методом возникают вследствие неопределенности вели­ чины диэлектрической постоянной слоя жидкости.

Для измерений зазоров на воде и других средах, не имеющих хороших изоляционных свойств, используют индукционный метод. Он менее чувствителен, чем емкостный. Точность измерения индукционным методом в еще большей степени зависит от посто­ ронних электрических влияний. В качестве датчиков здесь исполь­ зуют подковообразные катушки, закрепленные заподлицо с рабо­ чей поверхностью. Индукционный способ пригоден для измере­ ний сравнительно больших зазоров в гидродинамических и гидро­ статических уплотнениях.

В последние годы применяют метод просвечивания зазора иксили гамма-лучами от радиоактивного источника (изотопа), укрепленного на неподвижной или вращающейся детали. С изме­ нением величины зазора изменяется интенсивность лучей, про­ шедших через него. Эта интенсивность определяется приемни­ ками, установленными у выхода из зазора. Этот метод отличается высокой чувствительностью (сотые доли микрона), не требует токосъемников, может быть применен для большинства сред (единственное требование — достаточная для излучения проз­ рачность среды).

Следует отметить также метод интерференции света, весьма эффективный для исследования формы зазора при контактно­ гидродинамической смазке [74 ] и деформаций колец торцовых уплотнений [41]. Использование микроскопа для рассмотрения интерференционных световых колец обеспечивает высокую чув­ ствительность метода [74].

Утечки различных жидких сред через зазоры пар трения опре­ деляют главным образом объемным способом. Его применяют при утечке в виде отдельных капель, струек, когда можно собрать в некотором объеме или отсчитать число капель за определенное время (в среднем можно принять в расчете объем одной капли 0,1 см3; он зависит от поверхностного натяжения жидкости).

Во многих случаях, особенно при работе уплотнений на легко испаряющихся жидкостях (воде, углеводородах, сжиженных газах), видимой утечки через уплотнение не происходит и жидкость

160