книги из ГПНТБ / Вуколов В.М. Детали из пластмасс в пневмогидравлических системах

с водой, маслом AM Г-10 и другими маслами при нормальной тем­ пературе. В расчетах уплотнительных устройств для агрегатов, работающих с рабочей средой, имеющей температуру 223 К и ниже, необходимо принимать верхние значения этих коэффициен­ тов. Данное правило выбора коэффициентов не зависит от ве­ личины рабочего давления.

Рис. 33. Изменение удельного давле­ ния герметизации в зависимости от марки уплотнительного материала (а), от ширины седла уплотнительной по­ верхности (б) и времени действия на­

грузки при температуре 293К. (в)

В настоящее время все еще отсутствуют надежные рекоменда­ ции по выбору наиболее целесообразных удельных давлений на уплотнитель полимерного клапана для обеспечения герметич­ ности в течение длительного времени, например нескольких ме­ сяцев. Однако следует считать установленным тот факт, что для компенсации релаксационных Изменений в уплотнителе при дли­ тельном хранении газа в различных климатических условиях необходимо создать удельные давления на 20—30% больше при­ нятого по формуле (3), т. е. больше, чем это требуется для созда­ ния герметичности в начальный момент.

77

матуре с минимальным условным проходом рабочей среды. Еще' в более тяжелых условиях работают уплотнители дренажных вен­ тилей, в которых они подвергаются атмосферному воздействию.

Таким образом, использование данных, изложенных в настоя­ щей работе, при проектировании арматуры гарантирует от опас­ ности перегрузки уплотнителя, что является резервом их надеж­ ности и долговечности.

В настоящее время в натурных и лабораторных условиях проверена степень влияния внешних факторов не только на ве-

1

личину удельного давления герметизации, но и на работоспособ­ ность некоторых пластмассовых уплотнений в арматуре пневмо­ гидравлический системы высокого давления. Эти работы подтвер­ ждают то, что при создании уплотнительных устройств и выборе материала нужно проводить исследование влияния внешних условий на работу уплотнителей. Если проектируется конструк­ ция уплотнителя клапанного типа, то исследования нужно про­ водить на металлопластмассовых клапанах, а не на образцах, изготовленных из выбранного материала по ГОСТу.

За критерий надежности металлопластмассового клапана в про­ цессе этих испытаний следует принимать определенное коли­ чество циклов, при котором разрушение уплотняющей поверх­ ности пластмассового уплотнителя не происходит. При всех испытаниях металлопластмассовые клапаны следует устанавли­ вать в корпус той конструкции, для которой выбирается материал и тем самым исключить влияние конструктивного исполнения ар­ матуры на работоспособность уплотнений. Например, для про­ верки работоспособности уплотнителя в запорном вентиле можно рекомендовать стенд, схема которого изображена на рис. 34.

Для проверки влияния пониженных и повышенных температур на величину удельного давления герметизации отпадает необ­ ходимость в испытаниях при этих температурах всей системы

78

машины. Достаточно испытуемый узел смонтировать в закрытом теплоизолированном бачке, в который для обеспечения низких температур можно загрузить измельченный сухой лед, а для со­ здания повышенных температур подавать горячую воду. Темпера­ турный режим следует контролировать термопарой, закрепленной на корпусе агрегата, или термометром.

Для оценки работоспособности металлопластмассовых клапа­ нов в различных климатических условиях следует арматуру с опыт­ ными материалами уплотнителей монтировать в рабочую схему, имитирующую работу системы на машине. При этом уплотнители, которые проверяются при отрицательной температуре, должны предварительно в течение 2—3 суток выдерживаться в камере при относительной влажности 100%. Перед проверкой работо­ способности клапанов при повышенных температурах следует их выдержать в камере при относительной влажности 15—30%.

Результаты экспериментов показывают, что эти граничные условия наиболее полно и с достаточной степенью точности опре­ деляют работоспособность металлопластмассовых клапанов в транс­ портных агрегатах при температурах от 223—230 до 323 К.

В процессе эксплуатации пневмогидравлических систем не исключено попадание пыли и песка во внутренние полости дре­ нажной системы. Поэтому кроме определения влияния на работо­ способность клапанов температурных режимов и влажности сле­ дует определять влияние на уплотняющий материал клапана раз­ личных инородных микровключений. С этой целью необходимо провести сравнительный анализ результатов испытаний на долго­ вечность клапанов, под которые подавался чистый воздух и воз­ дух, загрязненный песком. Кроме того, из партии клапанов, пред­ назначенных для этого вида испытаний (100—200шт.), 10% должны быть подвергнуты дополнительной механической обработке, че­ рез 10—20 циклов работы для получения учитываемого количества инородных включений (для сравнительной оценки 10% клапанов не должны иметь инородных включений).

Для определения влияния качественного состояния седла

вает влажность материала уплотнителя. Чем более сухим является клапан, тем меньше продолжительность его работы. Влажные кла­ паны, т. е. клапаны, находящиеся в камере для просушивания

втечение нескольких часов, выдержали в 2,5—3 раза большее число циклов, чем клапаны, находящиеся в камере просушивания

втечение 2 сут. Клапаны, находившиеся в камере при относи­ тельной влажности 100%, надежно работают значительно боль­

79

шее количество циклов, чем клапаны, хранившиеся при относи­ тельной влажности 15—30%, так как после высушивания поли­ меры становятся более жесткими и теряют частично свои уплот­ няющие качества. Последнее обстоятельство создает условие для просачивания воздуха через образующиеся микронеровности между седлом и клапаном при тех удельных давлениях, которые обеспечивали герметичность на влажных уплотнителях. Это ве­ дет к необходимости создания дополнительных нагрузок на кла­

пан, а при постоянных усилиях к созданию очагов вымывания материала уплотнителя.

2. Температурные условия окружающей среды (как понижен­ ные, так и повышенные) на стойкость клапанов практически влияния не оказывают. Клапаны, испытывавшиеся в условиях низких температур (230—200 К) выдерживали по 5—7 тыс. циклов без нарушений состояния подушки, так же как и клапаны, испытанные в условиях высоких температур (320—330 К). Объяс­ нить это следует тем, что при дренаже в условиях большого пере­ пада давления наблюдается сильное охлаждение клапана и вен­ тиля. Вследствие этого дренаж происходит практически в оди­ наковых условиях, определяемых не температурным режимом окружающей среды, а температурой, создаваемой в процессе дренажа в результате перепада давления.

3. Дополнительная обработка торцевой рабочей поверхности клапана сколько-нибудь существенного влияния на его работо­ способность не оказывает. Клапаны с удалением всех инородных включений с рабочей поверхности и с двадцатью инородными включениями на поверхности при испытании в сопоставимых ус­ ловиях показали одинаковые результаты.

4. Применение загрязненного воздуха существенного влияния на стойкость клапанов не оказывает. При испытаниях под одни клапаны подавался чистый воздух, под другие воздух, загрязнен-

НЫДѵ_п^СІ^ом (мелкий сухой песок в количестве примерно 0,25 X X 10 м3 засыпался в трубопровод перед испытаниями клапанов).

В остальном условия были одинаковыми. В результате испытаний клапаны показали их одинаковую эксплуатационную стойкость. Осмотрев клапаны после испытаний загрязненным воздухом, установили, что песчинки проникают в материал уплотнения и прочно в^нем удерживаются. Есть основание предположить, что в дальнейшем при эксплуатации такого клапана происходит по­ степенный отрыв отдельных песчинок, в местах отрыва образуются очаги вымывания материала уплотнителя, а в дальнейшем это ведет к выходу клапана из строя. Но процесс этот длительный, и клапаны, несмотря на большое количество песка, выходили из строя примерно через такое же количество циклов, что и клапан, под который подавался чистый воздух. С другой стороны, проник­ новение в вентиль песка и пыли будет отрицательно сказываться на состоянии седла вентиля, что, как показали исследования, не­ сколько снижает продолжительность работы клапана.

80

5. Исследование влияния состояния седла вентиля на работо­ способность клапана показало, что дефекты седла отрицательно влияют на стойкость клапанов. Клапаны, испытанные в вентиле с дефектным седлом, выдержали в четыре раза меньше циклов, чем клапаны, испытываемые в вентилях с нормальным седлом. Происходит это потому, что в местах рисок, а также таких дефектов, как сколы и вмятины на седле, ухудшаются условия уплотне­ ния, начинается неравномерная деформация уплотнителя и на­ правленное просачивание воз­ духа, особенно при высоких давлениях порядка (300-ь350) х

X ІО5 Н/м3, что приводит к вы­ мыванию канавки в уплотнении

ивыходу клапана из строя.

6.Большое влияние на ра­ ботоспособность уплотнений оказывает место расположения их в схеме. Длительная прак­ тика работы с компрессором СМ-14К показала, что наиболее слабым звеном в пневмосистеме

компрессора является дренаж­ ный вентиль, предназначенный для дренажа воздуха из замк­ нутой магистрали (Рраб = 350 х X Ю8 Н/м2). Несмотря на то что седло и клапан изготовлены

из специальной нержавеющей стали, вентиль не выдерживает

происходит значительное увеличение скорости истечения рабочей среды. Для пояснения этого обратимся к схеме, приведенной на рис. 35. Предположим, происходит наполнение объема рабо­ чей магистрали L2. Вентиль 2 открыт, металлопластмассовый клапан установлен в вентиле 3, вентиль 4 закрыт. Уравнение Бер­

£с — суммарный коэффициент всех потерь в воздухопроводе.

Пусть баллон 1 настолько больших размеров, что можно пре­ небречь изменением давления и скоростью в нем за цикл дренажа. Коэффициентом, учитывающим потери от неравномерности рас­ пределения скоростей по сечению потока, также без особой по­ грешности можно пренебречь. Тогда, принимая на основании сказанного выше Сб = 0, после преобразования получим

Предположим, что дренаж воздуха производится из баллона 1

ватмосферу с помощью вентиля 4 при полностью открытых вен­ тилях 2 и 3. Испытываемый клапан установлен в вентиле 4. В этом случае дренаж воздуха из баллона можно рассматривать как сово­ купность процессов истечения воздуха в пространство (например,

ватмосферу) с постоянным давлением и одновременно его расши­ рение. Тогда, принимая процесс расширения воздуха в баллоне

изотермическим, что может быть допущено ввиду малой продол­ жительности цикла, скорость истечения воздуха на входе в вен­ тиль 4 можно выразить уравнением, аналогичным (4),

Обратимся снова к схеме, приведенной на рис. 35. Пусть про­ исходит дренаж воздуха высокого давления из магистрали L 2 с помощью вентиля 4. Вентиль 3 закрыт, испытуемый клапан уста­ новлен в вентиле 4.

Проведенные экспериментальные' исследования процессов

Р2— давление у зазора между клапаном и седлом в вентиле 4\

Рз — давление в магистрали Ь г;

—коэффициент потерь в магистрали.

Сам факт резкого уменьшения долговечности клапанов в этом режиме свидетельствует о значительной величине скорости С3 в уравнении (5) и позволяет оценить правильность ранее принятых допущений.

В результате тщательного анализа причин разрушения поли­ мерного уплотнителя при Рряб = 300-ІО5 Н/м2 установлено, что для обеспечения надежной работы клапанов геометрические раз*

82

меры магистралей, а также соотношения давлений в них должны быть такими, чтобы за время цикла выполнялось следующее ус­ ловие:

Таким образом, скорость истечениярабочей среды в зазоре между клапаном и седлом оказывает большое влияние на уплот-

1

Рис. 36. Схема для испытаний эффективности дроссельных шайб

някяций элемент клапана. Следовательно, изменение скорости

эффективности действия дроссельных шайб производилось сле­ дующим образом.

1. При закрытом дренажном вентиле 5 подали под его клапан воздух из баллонов 1 открыванием вентиля 3, зафиксировали дав­ ление по манометру 4 и закрыли вентиль 3. Открыванием дренаж­ ного вентиля 5 с различной скоростью произвели стравливание воздуха, одновременно визуально определяя максимальное дав­ ление по манометру 6. Давление в баллонах перед началом испыта­ ний контролировали по манометру 2.

В результате испытаний было установлено, что дросселиро­ вание воздуха при дренаже положительно сказывается на долго­ вечности клапанов. Это обстоятельство можно объяснить тем, что создаваемое дросселем противодавление (в магистрали за клапа­

ном) уменьшает скорость истечения воздуха при дренаже через кольцевой зазор между торцевой поверхностью клапана и седла и этим снижает размывающее действие струи воздуха на подушку уплотнения. Исследования показали, что для магистрали с ус­ ловным проходным диаметром Dy = 8 - ІО“ 3 м лучшие резуль­ таты получаются при постановке дроссельной шайбы с диаметром

менее эффективны.

Наконец, при проектировании уплотнительных элементов в ар­ матуре пневмогидравлических систем высокого давления необ­ ходимо правильно выбрать материал уплотнителя с точки зрения эрозионной стойкости. Для этого были проведены работы по исследованию стойкости к эрозионному разрушению двух раз­ личных материалов. Испытания проводили на клапанах, изготов­ ленных с уплотнителем из полиформальдегида и поликапролактама. Условия эрозионного разрушения создавались путем непрерыв­ ного травления сжатого воздуха при минимальном зазоре между клапаном и седлом. На специальном приспособлении (рис. 37) по шкале, разбитой на 360°, определяли величину минимального

84

зазора, при котором происходило травление рабочей среды, для чего перед началом испытаний фиксировался угол, при котором клапан плотно садился на седло вентиля. Затем поворотом махо­ вичка вентиль открывали до появления сплошного травления воздуха, и также фиксировали угол. Зная углы и конструкцию резьбы штока вентиля, определяли зазор. Травление воздуха производилось из четырех баллонов емкостью 50 л каждый. На­ чальное давление в баллонах равнялось 350-ІО5 Н/м2, конечное давление — 5 -ІО5 Н/м2, время истечения — 4 ч 49 мин.

При испытании клапана с уплотнителем из поликапролактама наблюдалось явление самоуплотнения зазора. Для возобновле­ ния травления необходимо было периодически увеличить зазор по сравнению с первоначальным. За время травления зазор при­ шлось увеличить с 11-ІО"6 до 106-ІО“6 м, Объяснить это можно тем, что при высоких давлениях и температурных режимах в зоне истечения поликапролактам сохраняет свои упругие свойства и после снятия нагрузки с уплотнителя стремится вернуть уплот­ няющую поверхность в исходное положение (в сторону умень­ шения зазора). Полиформальдегид сохранял зазор в процессе всего опыта. По окончании эксперимента обнаружено, что подушка клапана с уплотнителем из поликапролактама никаких дефектов не имела. На уплотнительной подушке из полиформальдегида образовалась дугообразная промоина: на дуге примерно 15° произошло эрозионное разрушение глубиной до 0,3-10“ 3 м. В результате Клапан был выведен из строя. При затяжке макси­ мальным усилием маховичка вентиля герметичности получить не удалось, так как имело место сплошное травление из-под клапана.

Анализируя приведенные данные, можно констатировать, что металлопластмассовые клапаны с уплотнителем из поликапро­ лактама более стойки к эрозионному разрушению воздухом, чем клапаны с уплотнителем из полиформальдегида.

Таким образом, из всего сказанного следует, что при проекти­ ровании арматуры в пневмогидравлических системах высокого давления с уплотнительными элементами необходимо учитывать ряд условий работы последних: температуру окружающей среды, место расположения и конструктивное исполнение арма­ туры и т. д. В зависимости от условий работы уплотнителей сле­ дует выбирать для них тот или иной материал.

§ 12. Пластмассы для герметизации соединений трубопроводов

Выбор материала уплотнителя

К соединениям трубопроводов гидравлических систем подъемно­ транспортных машин предъявляют весьма жесткие и специфиче­ ские требования. Эти требования включают в себя обеспечение полной герметичности при всех условиях эксплуатации системы, высокую вибропрочность, минимальный вес, способность выдер­

85

жать заданное число переборок при высокой герметичности, тех­ нологичность изготовления и обеспечение взаимозаменяемости.

Опыт использования пластмасс в качестве уплотняющих ма­ териалов показал, что полимеры могут быть с успехом применены не только в клапанных устройствах, но и для уплотнений соеди­ нения трубопроводов. Причем исследования, проведенные и опи­ санные ниже, показали, что полимерные прокладки определенной формы, конструкция которых отличается от обычных металличе­ ских и резиновых прокладок, обладают рядом преимуществ перед ними в условиях эксплуатации транспортных машин.

В этом плане ниппельное соединение трубопроводов с пласт­ массовой линзой, конструкция которых описана выше, представляет определенный интерес. Применение этих линз позволило значи­ тельно снизить усилия, которые требуются при затягивании нип­ пельного соединения. Максимальное усилие, требующееся для создания герметичности при давлении 500-ІО5 Н/м2 в ниппельном соединении с условным проходным диаметром Dy = 15-10' 3 м, не превышало 160 Н на плече обычного гаечного ключа. Для создания герметичности при этом же давлении с линзами Dy = = 10-10' 3 м достаточно еще меньшего усилия (затягивание можно производить рукой без ключа).

Однако современные литературные источники не дают ника­ ких данных о применении полимерных линз в качестве уплот­ няющих элементов в пневматических и гидравлических системах. Установлено, что принципиальное заключение о возможности использования новых пластмасс в качестве уплотняющего эле­ мента в системах высокого давления можно сделать только после тщательного анализа работоспособности выбранного материала в конкретных условиях.

Для предварительной оценки работоспособности выбранного материала можно испытать прокладку в приспособлении, пред­ ставляющем собой элемент открытого фланцевого соединения с линзовым уплотнителем (рис. ,38). Через вентиль 2 подается рабочая среда (вода, масло АМГ-10 и др.), давление контроли­ руется по образцовому манометру 3. Приспособление автономно, дает возможность легко заменять элементы фланцевого соедине­ ния 1 и испытывать линзы с различной величиной условного про­ хода. Для предварительной оценки выбранного материала линзы должны быть изготовлены в соответствии с требованиями ГОСТ 10493—63 для стальных линз. Эти линзы необходимо подвергнуть следующим видам испытаний: 1) статическим испытаниям — путем выдержки под непрерывным давлением в течение времени, равного времени цикла работы машины; 2) динамическим испыта­ ниям — путем производства циклов (цикл должен состоять из подачи рабочей среды noj], определенным давлением и сброса дав­ ления до 0); 3) испытаниям на вибрационную стойкость с пара­ метрами вибрации по ТУ на данную машину. Испытания по перо­ вым двум пунктам нужно производить при нормальной, повышенной

86