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

Испаряется из зазора уплотнения без образования капель. Утечку в этих случаях определяют, собирая пары жидкости в герметич­ ном объеме за уплотнением и конденсируя их на охлаждаемых стенках.

Если жидкость является раствором трудноиспаряющихся со­ лей (например, морская вода), то утечку определяют, взвешивая соли, выделяющиеся на выходе из зазора пары трения. При этом следует учитывать, что соли распространя­

случаях часть жидкости при утечке испаряется, оставшаяся часть образует эмульсию и растекается по стенкам.

При определении утечек газообразных сред используют ме­ тод вытеснения ими жидкостей, не поглощающих эти среды. Во ВНИИГидромаше разработано соответствующее устройство (рис. 112). Оно состоит из двух прозрачных цилиндров (из орга­ нического стекла), вставленных один в другой. Внутреннее про­ странство устройства частично заполняется жидкостью. Во вну­ тренний цилиндр подводится утечка газа из герметичного простран­ ства за уплотнением. По скорости вытеснения жидкости из вну­ треннего цилиндра в кольцевое пространство между цилиндрами определяют утечку. Краны в приборе служат для проведения повторных измерений.

При исследовании гидростатических и крупных гидродинами­

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНИЯ И ПОДБОР МАТЕРИАЛОВ ПАР ТРЕНИЯ

Исследование трения проводят на стендах, обычно называемых машинами трения. Основными данными, которые получают на машинах трения, являются коэффициент трения, износ и состоя­ ние поверхностей пары трения.

Один из стендов для испытаний пар трения торцовых уплонений разработан Свердловским турбомоторным заводом им. Воро­ шилова и модернизирован во ВНИИГидромаше (рис. 113). Иссле­ дуемая пара трения состоит из неподвижного 1 и вращающегося 2 колец, прижатых одно к другому своими торцовыми поверхно­ стями с помощью рычага и грузов 3. Жидкость подается через корпус 5 во внутреннее пространство пары трения насосом 6.

А,

мкм/ч

1000

100

10

1,0

0,1

0,01

0,001

Момент трения пары определяют с помощью тензометриче­ ских датчиков 4, наклеенных на две упругие балочки. Для обеспечения большей угловой подвижности кольца 1 во ВНИИГидромаше использовано его карданное соединение с кор­ пусом 5 (рис. 114).

Описанный стенд позволяет в широком диапазоне изменять удельную нагрузку и скорость скольжения в парах трения. Рассмотрим методику проведения испытаний на стенде.

Как было показано ранее, коэффициент трения уплотнения непосредственно зависит от режима трения. Существует зависи­ мость и интенсивности износа пары от режима трения. Обобщая данные многих экспериментов, эти зависимости можно предста­ вить так, как показано на рис. 115 [60]. Интенсивность износа материала быстро возрастает при изменении режима трения от жидкостного к сухому.

Ранее было показано, что величина зазора в паре трения и режим ее трения зависят в первую очередь от удельной нагрузки в паре. Скорость скольжения влияет на режим трения двояко: гидродинамический эффект возрастает с ростом скорости, но па­ дает в результате снижения вязкости среды в зазоре из-за увели­ чения интенсивности выделения тепла.

Если бы зазор оставался постоянным, то с ростом скорости скольжения число соударений шероховатостей поверхностей в еди­ ницу времени возрастало бы и интенсивность износа увеличивалась.

Полученные на практике значения интенсивности износа сов­ ременных материалов имеют весьма низкие значения (см. табл. 4), поэтому их выявление в условиях работы, близких к действительным, требует длительного времени. По данным работы [60] на рис. 116 пред­ ставлена зависимость износа угле­ графитового кольца от времени ра­ боты в торцовом уплотнении. Среда— вода с температурой от 55 до 90° С, давлением 3,5—5 кгс/см2; частота

вращения вала 3000 об/мин. Начальный участок кривой износа

какой-либо пары трения характери­ зуется участком приработки, на ко­ тором коэффициент трения и интен­

сивность износа снижаются. Обычно приработка пар трения с углеграфитовыми кольцами происходит в течение нескольких часов. Пары трения, составленные из твердых материалов, при­ рабатываются в течение десятков и даже сотен часов. В дальней­ шем интенсивность износа и коэффициент трения остаются почти постоянными или медленно изменяются

Впериод приработки сглаживаются некоторые шероховатости

иповерхности приобретают характерный блеск. На рис. 117 по­ казаны поверхности пары трения углеграфит—сталь (9X18) до и после приработки на воде и их профилограммы. Следует также отметить статистически-вероятностный характер трения в торцовых уплотнениях, что требует соответствующего проведения и обра­ ботки результатов экспериментов.

Всвязи с изложенным задачами испытаний на стенде пар трения являются: предварительный отбор наиболее работоспособ­ ных пар трения путем сравнения показателей их трения и износа, определение границ работоспособности пар трения в зависимости от режима трения, обусловленного в первую очередь удельной на­ грузкой в парах.

Время проведения таких экспериментов должно быть порядка нескольких часов для одной пары трения.

Описанный выше стенд пригоден для исследований трения ц износа на чистых средах,

164

Давление в камере (до 5 кгс/см^) создается компрессором, под­ ключенным через емкость 6.

Проведенные во ВНИИГидромаше и СКТБ электробурения [13 ] эксперименты показали, что характер износа пар трения на гидро­ абразивных смесях резко отличается от характера износа на чи­ стых средах. Если на чистых средах интенсивность износа мала и

Рис. 118. Схема стенда для испытаний пар трения на жидкостях с большим содержанием абразивных примесей

в значительной степени зависит от коэффициента трения, то на гидроабразивных средах интенсивность износа на несколько по­ рядков выше и зависит от твердости, размеров и концентрации абразивного вещества.

Особенности гидроабразивного износа можно проследить по результатам испытаний во ВНИИГидромаше на воде, содержа­ щей 4% карбида кремния с размерами зерен основной фракции 0,063 мм, пар трения силицированный графит по силицированному графиту, твердый сплав (на основе карбида вольфрама) по твер­ дому сплаву и др.

Испытания каждой’пары трения проводили в течение 13 ч.

На рис. 119, а и б показаны типичные профили поверхности трения, снятые в радиальном направлении в трех различных се-

166

пениях: верхняя поверхность относится к вращающемуся кольцу, нижняя — к неподвижному.

По характеру износа поверхность трения можно разделить на три участка (/, II, III). Участок I имеет наибольший износ. По­ верхность силицированного графита на этом участке шероховатая с многочисленными выемками. При размере абразивных частиц 63 мкм износ составляет до 270 мкм, причем износ неподвижного

кольца в 3 раза больше, чем вращающегося. Изношенная поверх­ ность начинается за пределами поверхности трения. Все это ука­

зывает на то, что на участке I имеет место гидроабразивный износ материала.

Участок II имеет характерную клиновидную форму; поверх­ ности трения — шероховатые из-за скольжения по ним абразивных частиц. Имеются кольцевые риски, ширина которых уменьшается по мере удаления от входной кромки. Клиновидная форма зазора объясняется дроблением абразива, попадающего между трущимися поверхностями.

Поверхность участка III практически ничем не отличается от поверхностей трения аналогичных материалов при работе на чи­ стых жидкостях.

При дальнейших испытаниях увеличивается радиальная ши­ рина участка II до тех пор, пока участок III не исчезнет совсем.

167

При этом торцовое уплотнение теряет герметичность: происходит выплеск среды, сопровождающийся быстрым износом поверхно­ стей пары (-—-0,1 км за 1 мин работы), и все описанные очертания поверхностей трения теряются.

Аналогичный характер износа наблюдали и при использовании в качестве абразива кварцевого песка, но интенсивность износа была значительно ниже.

Испытания на гидроабразивных средах показали, что даже при­ менением очень твердых и износостойких материалов в парах тре-

Рис, 120. Схема стенда для испытаний пар трения на агрессивных средах

ния не удается обеспечить длительную их работоспособность, если абразив в большом количестве попадает в зазор. Следовательно, необходима защита уплотнения от абразива.

Для исследований работы пар трения и отработки конструкции уплотнений для агрессивных сред во ВНИИГидромаше исполь­ зовали стенд, показанный на рис. 120.

Испытания проводили на кислотах (фосфорной, серной) и ще­ лочах NaOH различной концентрации с температурой до 100° С и давлением до 4 кгс/см2. Торцовое уплотнение 1 с исследуемой парой трения помещали в корпус 2 стенда, частично заполненный средой (около 10 л). Давление среды создавалось сжатым воз­ духом.

В случае выхода из строя пары трения и прорыва среды наружу поворотом на 180° сектора 3 при помощи рукоятки уровень среды в корпусе 2 понижался настолько, что она уже не могла протекать через уплотнение. Это позволяло также производить осмотр и разборку уплотнения без слива среды из корпуса.

168