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

Аналогично рассчитывают руд во внешнем торцовом уплотне­ нии с сильфоном (рис. 25, б):

где F — сила упругости сильфона или сильфона с пружиной. В отличие от формул (1) и (2), в формуле (3) отсутствует сила

трения Тг и в числитель входит полусумма квадратов диаметров сильфона. Для гидравлической разгрузки пары трения изменяют соотношение диаметров dlt d2 и D lt D 2.

Для приближенной оценки величины гидравлической разгрузки того или иного уплотнения часто используют так называемый ко­ эффициент гидравлической разгрузки k, равный отношению пло­ щади действия прижимающего давления к площади контакта. Для внутренних торцовых уплотнений с вращающимся упругим элементом (см. рис. 24) и внешних с неподвижным (см. рис. 25) этот коэффициент

Для внешних торцовых уплотнений с вращающимся упругим элементом и внутренних с неподвижным

В гидравлически неразгруженном уплотнении (см. рис. 24, а) коэффициент k 5s 1, в то время как в разгруженном уплотнении (см. рис. 24, б) k <С 1. В торцовых уплотнениях различных кон­ струкций значения k изменяются от 0,5 до 1,2.

Линейный закон распределения давления в зазоре уплотнения принимали ранее независимо от характера сопротивления течению жидкости. Чтобы определить, насколько это предположение соот­ ветствует действительности, обратимся к экспериментам [15]. Было исследовано течение масла в плоской кольцевой щели с за­ зорами от 0,5 до 15 мкм при неподвижных стенках. Течение про­ исходило от центра к периферии. Установлено, что закономер­ ности течения жидкости в щели соответствуют вязкому ламинар ному течению несжимаемой жидкости. При этом, несмотря на тща­ тельную очистку масла, входной участок щели постепенно засо­ рялся твердыми частицами (облитерация щели). Это явление вы­ ражалось в изменении эпюры распределения давления в радиаль­ ном направлении. Падение давления на начальном участке по­ степенно возрастало.

На рис. 26 показано изменение эпюр распределения давления смазки при протекании масла через щель. С увеличением времени нахождения уплотнения в статическом состоянии удельные дав-

30

ления в контакте возрастают, а утечка через пару трения умень­ шается.

Результаты этих экспериментов подтверждены на практике. После остановки вала утечка через уплотнение сначала быстро,

а затем медленно уменьшается.

Сравнительно быстрое изменение утечки можно объяснить изменением величины зазора в результате перехода от динамиче­

формулой объемного расхода вязкой жидкости через щель с па­

где h — осредненный зазор щели.

Вопрос о величине зазора h, которую нужно подставлять в фор­ мулу (6), наиболее труден. Возможны два пути его исследования.

Первый, чисто экспериментальный основан на испытаниях ще­ лей с различной величиной и формой шероховатости для опреде­ ления коэффициентов сопротивления течению жидкостей. Далее, по аналогии с теорией фильтрации жидкостей и газов через по­ ристую среду, могут быть использованы уравнения этой теории.

Второй путь исследований — экспериментально-теоретический, заключается в экспериментальном исследовании шероховатости поверхностей, построении их математических моделей и, на ос­ нове статистической теории и теории контактирования поверх­ ностей, использовании этих данных для определения величины утечек жидкостей. Теория контактирования получила значитель­ ное развитие в трудах советских ученых [19]. Используя ее, можно подсчитать среднестатистический объем, площадь и зазор в кон­ такте пары трения. При 370м следует исключить площадь, заня­ тую граничными слоями жидкости, свойства которых отличаются от объемных свойств жидкости. Далее, по аналогии с

31

расчетом подшипников скольжения в работе [42], могут быть использованы уравнения движения вязкой жидкости, в ко­ торые вводятся статистические характеристики величины зазора.

Если при этом пренебречь локальными изменениями давления и считать, что в среднем по площади щели давление распределено как в щели с равномерным зазором, то формула для расчета утеч­ ки q будет аналогична формуле (6), где h — некоторый статисти­ чески осредненный зазор. Этот путь исследований представляется нам наиболее перспективным.

Взаключение коротко остановимся на некоторых особенностях течения газа в неподвижных уплотнительных щелях.

Вотличие от несжимаемой жидкости распределение давления газа даже в идеализированном случае — в щели с параллельными стенками — является нелинейным. Состояние газа в щели можно принять изотермическим, что при малых зазорах и скоростях течения, значительно меньших скорости звука, достаточно близка

кдействительности [41].

Известно также, что коэффициент динамической вязкости га­ зов сравнительно мало зависит от давления. Тогда для распреде­ ления давления вязкого газа при плоском изотермическом течении в щели с параллельными стенками получим

(л

где г — текущая радиальная координата; р 2, р х и р — абсолютные давления газа соответственно на входе в щель, выходе и в произ­ вольном ее сечении.

Эпюра распределения давления имеет параболическую выпук­ лую форму и не зависит от величины зазора в пределах справед­ ливости принятых допущений.

Если воспользоваться этой формулой, то отношение разности гидростатической силы, действующей в зазоре пары трения при течении газа, и гидростатической силы при течении жидкости

дростатической силы давления газа над силой давления жидкости составляет около 33%. Выражение (8) получено для уплотнений, в которых давление падает от D 2 и Dj. Значения £ для случая падения давления от D x к D 2 мало отличаются от рассчитанных по формуле (8).

Весовой расход газа через щель с параллельными стенками при изотермическом течении выразится зависимостью

32

наиболее простые по конструкции пары трения обыкновенных тор­ цовых уплотнений представляют наибольшие трудности как для теоретического, так и экспериментального исследований.

Немного менее трудными объектами исследования являются пары трения гидродинамических уплотнений.

Более простую задачу для теории и эксперимента представляет исследование жидкостного трения гидростатических уплотнений, в зазоры которых через специальные отверстия и каналы подается рабочая или другая жидкость.

Причина описанного парадокса заключается, как отмечалось ранее, в различной величине зазоров обыкновенных, гидродинами­ ческих и гидростатических пар трения.

Аналогичное явление наблюдается у подшипников скольжения: практически нет теории подшипников, работающих в режиме полужидкостного трения; достаточно хорошо развита теория подшип­ ников на гидродинамической смазке; теория подшипников на гидро­ статической смазке отличается наибольшей простотой и соответ­ ствием эксперименту.

ОБЫКНОВЕННЫЕ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Единой точки зрения относительно закономерностей трения в за­ зорах обыкновенных торцовых уплотнений нет, а эксперименталь­ ные данные по этому вопросу немногочисленный противоречивы.

Основным в исследовании рабочего процесса торцовых уплот­ нений (аналогично подшипникам скольжения) является определе­ ние зависимости толщины слоя жидкости (или зазора) в паре тре­ ния от действующих на нее сил. Остановимся кратко на эксперимен­ тальных и теоретических исследованиях в этой области. Доста­ точно полный обзор зарубежных работ по данному вопросу содер­ жится в работе [65].

Обобщая результаты отечественных и зарубежных исследова­ ний, можно прийти к следующему выводу: в зазоре пары трения торцового уплотнения имеется слой жидкости, почти полностью разделяющий трущиеся поверхности и способный выдерживать сжимающие нагрузки. Одновременно с этим всегда имеет место износ трущихся поверхностей; как правило, он происходит с не­ большой интенсивностью и определяется контактами шерохова­ тостей поверхностей и попаданием твердых частиц в зазор пары. Отсюда следует, что трение в большинстве торцовых уплотнений, работающих на жидкостях, является полужидкостным. Поэтому в рабочем процессе пар трения играют существенную роль следую­ щие факторы:

а) гидродинамические и связанные с ними (давление, скорость скольжения, вязкость и другие свойства жидкости, форма и обра­ ботка рабочих поверхностей);

б) материалы пары трения (твердость, антизадирные свойства, прирабатываемость, коррозионная стойкость и др.);

34

в) тепловые явления, связанные с трением пары (температура жидкости, критическая температура, теплопроводность материалов пары, условия отвода тепла, температурные деформации поверх­ ностей и др.).

Остановимся на результатах некоторых экспериментальных исследований трения в зазорах обыкновенных уплотнений.

При испытаниях уплотнений в зазорах пар трения обнаружен слой жидкости (масло, керосин), причем воспринимаемая им на­ грузка обратно пропорциональна 3—6-й степени толщины слоя [44]. Приданной толщине слоя нагрузка возрастала с увеличением

циента трения в торцовых уплотнениях от приложенной к их парам трения нагрузки приведено в работе [60]. Эти кривые имеют падающую форму, что свидетельствует о полужидкостном харак­ тере трения (рис. 27).

Аналогичные зависимости для коэффициента трения получены в работах [19, 27] и др.

Более общие данные, полученные в результате варьирования материалов, сред, скоростей скольжения и давлений торцовых уплотнений приведены в работах [54 и 72]. Оба автора предста­ вили зависимости коэффициентов трения от рабочего параметра уплотнений G = fiVblW, сходного с числом Зоммерфельда для подшипников. Это позволило определить области различных ре­ жимов работы пар трения уплотнений. Так, график на рис. 28 показывает, что при малых нагрузках, больших скоростях и вяз­ костях жидкостей торцовые уплотнения работают в режиме жид­ костного трения [54].

Следует отметить наблюдающуюся в экспериментах с узлами уплотнений закономерность: коэффициент трения резко падает при пусках в работу уплотнений (приблизительно в 2 раза) и, наоборот, повышается при остановке вала.

Это явление можно объяснить возникновением и исчезновением (выдавливанием) слоя жидкости в паре трения.

Форма трущихся поверхностей влияет весьма существенно на характер трения и величину утечки через уплотнение. Обычно норма отклонений от плоскостности составляет от 0,3 до 0,9 мкм. Однако в процессе работы или в результате плохой доводки могут возникать большие значения отклонений. Если отклонения имеют

f

0,2

0,1

0,05

0,03

характер волнистости, то утечка через зазор уплотнений возра-

в зазоре уплотнения влияют их микронеровности (шероховатости).

отмечали начало перегрева и задира поверхностей. Установлено, что существует оптимальная шероховатость поверхностей, при которой слой жидкости в паре трения выдерживает максимальную сжимающую нагрузку (рис. 29).

На рис. 30 показаны участки рабочей поверхности колец вблизи границы, разделяющей поверхности, подвергавшиеся и не под­ вергавшиеся трению после приработки в уплотнении. Из рисунка

36

видно, что при малой начальной шероховатости поверхность сгла­ живается в результате трения, зазор в паре уменьшается и ухуд­ шаются условия смазки поверхностей жидкостью. Наоборот, при грубой обработке поверхностей наблюдается микрорезание и пере­ нос более мягкого углеграфита на металлическую поверхность; приработки поверхностей не происходит.

трения.

Влиянием изменений микрорельефа трущихся поверхностей можно объяснить наблюдаемые нередко при длительных испыта­ ниях уплотнений нарушения их работы. В результате износа пары трения с течением времени шероховатости сглаживаются, зазор

впаре трения уменьшается, происходит перегрев и образуются задиры и термотрещины на трущихся поверхностях.

Рассмотрим некоторые экспериментальные данные о влиянии материалов трущихся поверхностей на работу пары трения.

Выбор материалов (подробнее об этом см. стр. 111) имеет решаю­ щее значение.

Например, пара трения бронза—сталь, удовлетворительно ра­ ботающая на маслах, малопригодна для работы на воде. При этом происходит перенос бронзы на сталь, наблюдается большой износ

итепловыделение, что в конечном счете приводит к чрезмерной утечке и выходу из строя уплотнения.

Создание различных синтетических материалов на основе угля

играфита способствовало широкому внедрению торцовых уплот­ нений. Дальнейшее повышение требований и усложнение услов-ий работы уплотнений привело к разработке специальных металло­ керамических и керамических материалов, пластмасс и углеграфитов. Так, например, использование материала на основе кар­ бида вольфрама позволило по сравнению с наплавкой стеллитом

ваналогичных условиях значительно повысить рабочие пара­ метры уплотнений. Это подтверждено опытом, проведенным во ВНИИИГидромаше.

Два уплотнения с коэффициентом разгрузки k = 1 испыты­ вали одновременно при п = 3000 об/мин на воде. В одном из них

было установлено вращающееся кольцо с наплавкой стеллита, в другом — из карбида вольфрама. Неподвижные кольца были изготовлены из углеграфита 2П-1000, пропитанного фенолформаль­ дегидной смолой. Давление при испытании постепенно повышали. При давлении около 20 кгс/см2 из уплотнения с вращающимся кольцом, выполненным с наплавкой стеллита, начал выделяться пар. Уплотнение с кольцом из карбида вольфрама продолжало нормально работать и при более высоком давлении.

При разборке на рабочей поверхности кольца с наплавкой стел­ литом были обнаружены следы перегрева и трещины, а на поверх­ ности кольца из карбида вольфрама никаких следов трения обна­ ружено не было.

38