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

Т а б л и ц а 2

Мощность в Вт

Как было установлено в работе [14] по исследованию трения жидкости в зазоре между двумя вращающимися цилиндрами, характер движения жидкости и величина момента трения сильно зависят от того, вращается ли внутренний цилиндр, а наружный неподвижен, или наоборот. В первом случае (условие работы большинства торцовых уплотнений), для которого справедлива

формула (50), силы инерции вращения жидкости вызывают не­ устойчивость и вихреобразование еще до наступления турбулент­ ного режима течения.

При вращении наружного цилиндра силы инерции оказывают стабилизирующее действие на течение жидкости и ламинарный режим течения может сохраняться при весьма больших числах Re. Отсюда в конструкциях таких уплотнений (например, уплотнения некоторых центрифуг или полых валов), когда камера уплотне­ ния вращается, моменты трения следует определять по формулам ламинарного течения жидкости.

Условия отвода тепла в жидкость от уплотнения неразрывно связаны с динамикой течения жидкости в камере уплотнения, от которой зависят коэффициенты теплоотдачи пары трения. Зави­ симости этих коэффициентов от чисел Рейнольдса Re, Прандтля Рг, Грасгофа Gr и т. д. могут быть взяты из теории теплопередачи

70

[14], как это было сделано, например, в работах [20, 21, 58]. Аналогично используют зависимости теплопередачи и при расче­ тах подшипников скольжения.

Если воспользоваться данными работы [58], то для коэффи­ циента теплоотдачи а 0 неподвижного кольца пары трения в жид­ кость имеем

вкамере уплотнения; Рг —- у -----число Прандтля.

Для вращающегося кольца пары трения [58]

пература стенки кольца, температура и коэффициент объемного расширения жидкости соответственно.

Для газа вместо (Тс — Тж) а,, следует подставить (Гс ■— Тг)/Тг. Выражения (51) и (52) справедливы для турбулентного движе­ ния среды, окружающей уплотнение, которое наблюдается в боль­ шинстве случаев работы торцовых уплотнений. Если же движение ламинарное, то теплоотдача от колец пары трения в среду менее интенсивна. Однако и трение вращающихся деталей уплотнения в жидкости становится меньше, чем при турбулентном режиме. Соответствующие выражения для коэффициентов теплоотдачи и трения вращающихся плоских и цилиндрических поверхностей

можно найти в работе [14].

Для большинства торцовых уплотнений отвод тепла в окру­ жающий воздух (Q2 на рис. 55) незначительно влияет на общий баланс тепла и им можно пренебречь. В уплотнениях, работающих при высокой температуре на газовых средах, его следует рассчи­ тывать по соответствующим выражении теплопередачи в газовую среду с учетом отвода тепла излучением. Для таких уплотнений значительная часть тепла может передаваться через сопряженные с парой трения детали (вал, корпус, крышка, вспомогательные уплотнения и др.) благодаря теплопроводности колец пары и этих деталей (Q3 на рис. 55).

71

72

наружную цилиндрическую поверхность вращающегося кольца в рабочую среду, в работе [58] предложена полуэмпирическая зависимость

если считать, что оно имеет форму полого цилиндра высотой 1)\ А,в — коэффициент теплопроводности кольца; Т —■температура в зазоре уплотнения.

Формула (54) не учитывает тепловой ноток через неподвижное кольцо пары трения, который примерно в 10 раз меньше потока тепла от вращающегося кольца [58]. Для его оценки можно ис­ пользовать также формулу (54).

Для гидродинамических и гидростатических пар трения, рас­ ходы утечек жидкостей через которые могут составлять значитель­ ную величину (от литров до сотен литров в час), следует учесть

где с — коэффициент теплоемкости жидкости.

Теперь уравнение баланса тепла, из которого определяют температуру жидкости в зазоре уплотнения, можно записать сле­ дующим образом:

В торцовых уплотнениях применяют кольца пар, изготовлен­ ные из материалов с весьма высокими коэффициентами теплопро­

случаев, когда А. —>оо и А, —>0.

В первом случае для обыкновенных пар трения разность между температурой в зазоре и температурой окружающей среды про­

Приведем экспериментальные данные о зависимости темпера­ туры вблизи зазора торцового уплотнения от материалов пары трения и параметров работы уплотнения.

На рис. 59 представлены результаты измерения термопарами температуры на среднем радиусе по глубине г неподвижного

73

кольца из композиционного материала АМИП-ЗОМ (на основе фторопласта-4) при его трении в уплотнении по кольцу с наплав­ кой стеллита В-ЗК [20]. Теплопроводность АМИП-ЗОМ весьма низкая, приблизительно соответствует теплопроводности фто­ ропласта-4, поэтому при высоких скоростях скольжения в кольце наблюдаются большие градиенты температуры. Сами температуры вблизи поверхности трения достигают сотен градусов. Естественно, что при этом в зазоре пары трения режим трения близок к сухому.

На рис. 60 приведены экспериментальные данные, получен­ ные во ВНИИГидромаше для полужидкостного режима трения

в зазоре уплотнения. Уплотнение испытывали на воде с парой тре­ ния сталь 9X18 (HRC 51) — углеграфит 2П-1000, пропитанный фенолформальдегидной смолой. Температуру измеряли термо­ парами в неподвижном кольце из углеграфита на среднем диа­ метре 118 мм и глубине 1 мм от поверхности трения. Из графика видно, что разница между температурой воды, окружающей уплот­ нение, и температурой в кольце увеличивается с повышением тем­ пературы воды, так как при этом ее вязкость уменьшается и режим трения приближается к сухому.

Температуру кольца пары трения (рис. 61) измеряли на глу­ бине 1 мм от поверхности трения при различных скоростях сколь­ жения, давлении масла и двух значениях коэффициента гидрав­ лической разгрузки уплотнений (k = 0,75, k = 1).

В отличие от обыкновенных пар трения, в парах трения гидро­ динамических и термогидродинамических уплотнений часть тру­ щейся поверхности непосредственно омывается окружающей сре­ дой и охлаждается более интенсивно. Это следует учитывать при расчете их температуры.

74

Приведенные выше данные позволяют с достаточной точностью оценить температуру в зазоре торцового уплотнения, если известны силы трения в зазоре. Последние определяют при силовом рас­ чете пары трения, когда задаются температурой (вязкостью) жид­ кости и принимают некоторую величину зазора. Затем при тепло­ вом расчете найденная температура жидкости в зазоре уплотне­ ния, как правило, будет отличаться от первоначально принятой. Тогда требуется повторный пере­ счет характеристик уплотнения.

Тепловой расчет может пока­ зать, что температура жидкости в зазоре уплотнения чрезмерно высока и жидкость будет вски-

пать, не обеспечивая достаточную смазку пары трения. Чтобы установить это, необходимо знать зависимость температуры кипе­ ния жидкости от ее давления. Критические условия особенно легко возникают при работе уплотнений на жидкостях с низкой температурой кипения (сжиженные газы, легкие нефтепродукты). В этом случае фирма Флексибокс (Англия), выпускающая уплотне­ ния для оборудования нефтяной и нефтехимической промышлен­ ности, в качестве основных параметров при выборе уплотнения на те или иные условия работы принимает:

а) количество тепла, выделяющегося при трении в уплот­ нении;

б) разность между температурой кипения жидкости и ее тем­ пературой в камере уплотнения при заданном давлении.

На рис. 62 приведены зависимости температуры кипения от давления для легкокипящих нефтепродуктов [58].

75

Если расчет показывает, что трение в зазоре уплотнения близко к сухому трению, необходимо либо снизить интенсивность выделе­ ния тепла в паре (увеличить гидравлическую разгрузку пары, применить для пары материалы с лучшими антифрикционными свойствами), либо повысить интенсивность отвода тепла от уплот­ нения (увеличить расход жидкости через камеру уплотнения, ввести дополнительное охлаждение, применить пару трения с более высокой теплопроводностью колец и т. д.).

РЕЖИМЫ ТРЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ

КОЛЕЦ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Большинство пар трения работает в наиболее благоприятных ре­ жимах трения от полужидкостного до жидкостного, но достаточно много пар работают в режимах от граничного до сухого трения.

Для характеристики режима трения в уплотнении, наряду с температурой в зазоре его пары, можно использовать более удоб­ ный параметр — коэффициент трения.

При этом, как видно из рис. 28 и данных работ [54, 72], в об­ ласти полужидкостного трения разброс экспериментальных точек

циент трения. Это объясняется особенностями рабочего процесса уплотнения в режиме полужидкостного трения.

Если воспользоваться выражениями (18)—(22), полученными в теории термогидродинамического расклинивания трущихся поверхностей, то можно выразить коэффициент трения следующим образом:

форму поверхности (D, b, L), динамику трения (К, W). Коэффи­ циент трения убывает с увеличением нагрузки на пару трения и возрастает с увеличением скорости скольжения и вязкости. Это качественно согласуется с данными работ [54, 72 ] для полужид­

костного трения.

С уменьшением нагрузки, увеличением скорости скольжения и вязкости жидкости полужидкостный режим трения переходит в жидкостный. При этом зазор в уплотнении увеличивается и ко­ эффициент трения возрастает. Используя выражения (29)—(32),

76

Как и следовало ожидать, для жидкостного трения имеем однозначную зависимость коэффициента трения от параметра ра­ боты, аналогичную зависимости для подшипников скольжения. При этом ср является лишь функцией формы трущихся поверх­ ностей. Отсюда становится понятно, почему разброс эксперимен­ тальных значений коэффициента жидкостного трения значительно меньше, чем коэффициента полужидкостного трения (см. рис. 28).

С увеличением нагрузки на пару трения, уменьшением ско­ рости скольжения и вязкости жидкости зазор в паре трения умень­ шается и режим трения уплотнения переходит от полужидкост­ ного к граничному. Последний характеризуется практически пол­ ным отсутствием избыточного гидростатического и гидродинами­ ческого давления жидкости в зазоре пары и слабой зависимостью коэффициента трения от скорости и нагрузки [60].

На рис. 41 этому режиму соответствует горизонтальный уча­ сток кривой коэффициента трения. Такие закономерности изме­ нения коэффициента трения объясняются особыми свойствами слоев жидкостей при малых зазорах в парах трения (—0,1 мкм).

Режимы граничного трения могут быть устойчивыми лишь при работе на жидкостях со смазывающими свойствами (различ­ ные масла ит. п.). Таких свойств нет у газообразных сред. С пере­ ходом от граничного трения к полусухому и затем к сухому коэф­ фициент трения резко возрастает. При сухом трении наблю­ даются колебания коэффициента трения (см. рис. 41), что можно объяснить падающей формой зависимости коэффициента трения от скорости скольжения [19].

Если рассматривать поле режимов работы какого-либо торцо­ вого уплотнения на определенной жидкости при постоянной ско­ рости скольжения и в качестве рабочего параметра принять обрат­ ную величину удельной нагрузки в паре трения, то зависимость коэффициента трения от нагрузки можно представить рис. 63.

Граничные значения коэффициента трения на рис. 63 прибли­ зительно соответствуют парам трения углеграфит—металл.

Кривая на рис. 63 состоит из двух ветвей: левой — от сухого до граничного трения и правой — от граничного до жидкостного трения.

При режиме работы пары трения, соответствующем какому-либо из участков правой ветви кривой, случайное (или закономерное) увеличение нагрузки приводит к снижению коэффициента трения в паре. Если же режим работы соответствует участку левой ветви кривой, то с увеличением нагрузки коэффициент трения резко возрастает. Отсюда и более резкий рост температуры в зазоре пары, чем в первом случае. Устойчивость режима работы пары тре­ ния на левой ветви поэтому значительно меньше, чем на правой. Наблюдения показывают, что при переходе от граничного к полу­ сухому трению происходит дальнейший весьма быстрый (скач­ кообразный) переход к технически сухому трению, часто сопрс• вождающийся перегревом и выходом из строя уплотнения,

77

В то же время некоторые торцовые уплотнения нормально ра­ ботают в режиме сухого трения. К ним относятся уплотнения, работающие на газах, уплотнения с весьма высокими скоростями скольжения в парах трения, уплотнения для сжиженных газов (кислород, азот, гелий и т. д.) и др. Но и в уплотнениях для жид­ костей при эксплуатации возможны режимы полусухого и сухого трения, хотя такие режимы не допускаются или допускаются лишь кратковременно.

Режимы сухого трения в уплотнениях валов насосов наблю­ даются, например, при работе насосов, не залитых жидкостями, при срывах подачи насосов и т. д.

При исследовании этого во­ проса нас пока не будет интересо­ вать износ пары трения (если сухое трение не является нормальным

в результате повышенного трения и выделения тепла, с возможным последующим быстрым охлаждением жидкостью, растрескивание и разрушение колец пары трения?

Испытания и эксплуатация торцовых уплотнений показали, что терморастрескивание колец пары трения наблюдается часто. В некоторых случаях после появления трещин уплотнение про­ должает работать с повышенной утечкой жидкости и повышенным износом до последующей приработки его пары трения, что проис­ ходит из-за увеличения неплоскостности и снижения чистоты по­ верхности трения (рис. 64). В других случаях уплотнение после терморастрескивания выходит из строя из-за недопустимо боль­ шой утечки жидкости вследствие частичного или полного разруше­ ния колец пары трения. Как правило, терморастрескивание колец пары трения не сопровождающееся их разрушением, наблюдается у колец из упруго-пластических материалов, например, из различ­ ных металлов и сплавов (углеродистые, хромистые стали, стел­ литы и т. п.) с твердостью HRC 40—60. При тёрморастрескивании температура на их поверхностях достигает ~400°С, о чем сви­ детельствуют цвета побежалости (рис. 65). Трещины направлены ра­ диально и не настолько глубоки, чтобы вызвать разрушение кольца.

' В кольцах из более пластичных металлических материалов, например из аустенитных нержавеющих сталей, термические тре­ щины возникают редко,

78