книги из ГПНТБ / Макаров Г.В. Уплотнительные устройства

рис. 90, а.

Как видно из этого графика, с помощью частичного отвода жидкости можно понизить давление в полости уплотнений, на­ пример, в 5—10 и более раз по сравнению с давлением в рабочем цилиндре. Величина отводимой жидкости должна учитываться при расчете гидравлического агрегата.

J 56

Эффективность гидродинамической защиты при ламинарном истечении жидкости в зазоре

Перепад давлений в зазоре (рис. 89), вызванный потерями на жидкостное трение,

нарном истечении представлен на рис. 90, б.

Как видно из графика, и в этом случае вполне возможно на­ дежное понижение давления перед уплотнением в 5—10 и более раз.

Определение расхода жидкости при частичном отводе при турбулентном движении жидкости в зазоре

Из уравнения непрерывности потока получим S = S 2 u 2 ~ Qy

Подставляя значение и 2 в выражение р у , имеем

780 л/мин и допуская утечки Qy до 10% от Qr „ при перепаде давле­ ний Ар от 200 до 1000 кгс/см2 , получаем сравнительно малые значения допускаемых зазоров, в отдельных случаях трудно техн ическ и реал из уемые.

157

Чтобы сделать приемлемым частичный отвод жидкости из по­ лости уплотнений для различных агрегатов, необходимо иметь малые утечки, допустимые для изготовляемых машин, решить задачу уменьшения и регулирования утечек, с тем чтобы при уве­ личении давления утечки практически не увеличивались. С этой целью нами было предложено и исследовано гидродинамическое уплотнение с деформируемой втулкой и частичным отводом жидкости.

31 . ЩЕЛЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

СРЕГУЛИРУЕМОЙ УТЕЧКОЙ

Гидродинамическое уплотнение с деформируемой втулкой и с частичным отводом жидкости

Гидродинамическое уплотнение предназначено для запирания жидкости высокого давления (например, до 1000 кгс/см2 ) в подвиж­ ных соединениях при длительной непрерывной работе. Через гидродинамическое уплотнение заранее предусматривается про­ текание незначительного объема жидкости, необходимого для обеспечения жидкостного трения в подвижном соединении (для работы без~ нагрева и получения высокого к. п. д. агрегата). В уплотнении для регулирования объема утечки жидкости ис­ пользуется разность наружного и внутреннего давлений на поверх­ ностях металлической втулки.

На рис. 91 изображено гидродинамическое уплотнение штока и поршня. Рассмотрим уплотнение штока.

Для уплотнения используется металлическая (например, ла­ тунная) втулка 4, которая на неподвижной поверхности уплотнена резиновым кольцом круглого поперечного сечения 5 и таким же кольцом 2.

К наружной поверхности через отверстия 3 в кольцевой про­ точке 6 подводится рабочая жидкость с давлением pv Втулка изготовлена с минимальным зазором (по обмеру штока), через этот зазор и устремляется запираемая жидкость.

Часть проходящей между штоком и втулкой жидкости прохо­ дит через отверстия 3, заполняет пространство между втулкой и стенками цилиндра и создает давление рг. Остальная жидкость проходит в специальный сборник и по соединительной трубке отводится обратно к насосу.

Для предохранения от вытекания жидкости наружу по штоку в левой части втулки 4 в специальной канавке располагаются контактные уплотнения 1 и 7, которые работают при давлении, близком к атмосферному. При другом способе удаления проника­ ющей через зазор между втулкой 4 и штоком жидкости уплотне­ ния 1 и 7 могут не применяться, втулка 4 при этом будет меньшей длины.

158

При течении жидкости в малом зазоре •— между втулкой 4 и штоком— происходит потеря давления по длине втулки. При этом на некотором расстоянии по длине втулки создается поло­

Рис. 91 . Уплотнение с деформируемой втулкой для поршня и штока

и размеров втулки может регулироваться изменением размера 1Ъ определяющего положение проточки 6 и ртверстий 3.

Для высоких давлений, например свыше 300 кгс/см2 , избыточ­ ное давление становится большим и во избежание появления нагрева уплотнения и цилиндра необходимо увеличивать размер l v Для малых давлений (до 200 кгс/см2 ) целесообразно увеличи­ вать разность давлений за счет уменьшения размера 1Х или даже вообще не делать соединительных отверстий 3, а обеспечить доступ жидкости под давлением р в полость между втулкой 4 и стенками цилиндра путем удаления уплотнительного кольца 5 из кон­

струкции.

Примерные соотношения -j- = 0,4—=-1. Меньшие значения отношения принимают для больших размеров d

Очень важно применение предлагаемого уплотнения для соеди­ нений с вращательным движением. В этом случае втулка не должна жестко закрепляться в корпусе, так как вал имеет некоторое биение.

Регулируя объем утечки жидкости, следует добиваться того, чтобы отводилось через уплотнение столько жидкости, сколько нужно для обеспечения жидкостного трения, т. е. чтобы не было нагрева гидравлического агрегата.

159

Согласно экспериментам для штока диаметром 70 мм утечка жидкости через соединение втулки со штоком для давлений в ин­ тервале от 0 до 600 кгс/см2 не превышала 45 см3 /мпн, что является пренебрежимо малой величиной по сравнению с производитель­ ностью гидронасоса.

Применение упругой деформируемой втулки весьма значи­ тельно уменьшает утечку жидкости через зазоры, особенно при больших давлениях (например, до 500—1500 раз в зависимости от величины зазора). Утечка уменьшалась с увеличением давле­ ния, что является весьма ценным свойством этого

уплотнения.

Характер изменения утеч­ ки в зависимости от давле­ ния согласно опытным дан- • ным представлен ниже.

При испытании предла­ гаемого уплотнения потери на трение штока о втулку были очень малы.

Нагрева гидравлического агрегата при отрегулированном по­ ложении соединительных каналов не наблюдалось. Живучесть наружного уплотнения (резиновое кольцо 7), работающего при давлении, близком к Нулю, является практически неограниченной.

Гидравлический агрегат с таким уплотнением может работать при любом давлении любое время без непредусмотренной наружной утечки.

Кроме описанного выше, возможны и другие пути выполнения гидродинамического уплотнения, в котором площадь поперечного сечения зазора, регулирующего истечение жидкости, уменьшается с увеличением давления, например с помощью создания местной деформации за счет применения дифференциального уплотнения (рис. 92), с помощью расклинивающей втулки и др.

Использование указанного уплотнения открывает возможности для дальнейшего усовершенствования гидравлических устройств, кроме того, оно может найти применение во всех отраслях техники, где требуется напряженная длительная работа уплотнения, на­ пример в гидроцилиндрах тяжелых продольно-строгальных и протяжных станков, гидрооборудовании металлургических про­ катных станов; гидравлических тормозах и во многих других случаях.

Утечка жидкости в зазоры гидродинамического уплотнения с деформируемой втулкой

Заданы размеры втулки гв, /-„, L , 1г и исходный радиальный зазор so (рис. 93).

Требуется определить величину утечки жидкости Qy через зазор в зависимости от давления жидкости в'гидроцилиндре р.

160

Учитывая устанавливающиеся под давлением жидкости малые зазоры, считаем, что истечение будет ламинарным.

В этом случае утечка жидкости будет равна

фициент вязкости при давлении р; и 0 — динамический коэффи-

Рис. 93. Схема к расчету уплотнения с деформируемой втулкой

зора, соответствующее сечению.на выходе жидкости из втулки, учитывающее потери по длине зазора между втулкой и штоком;

где Др„— потери давления на изменение скоростного напора; Apf— потери давления на трение жидкости в зазоре.

Как показывают эксперименты, потеря давления на изменение скоростного напора (вследствие малого значения Qy) является очень малой и для дальнейших расчетов принимаем

Ар ^ Ар/ р.

В этом случае уравнение утечки жидкости напишем в сле­ дующем виде:

с изменением давления. Для установления зависимости между величиной зазора и давлением воспользуемся уравнениями Ляме

I 2 n ' i Q y

Knds\np

162

Для среза втулки в конце истечения жидкости при х = L относительная тангенциальная деформация

Значение зазора в конце втулки при х = L (считая, что давле­ ние р действует по всей наружной поверхности втулки на длине L)

S2 = So - f е / / в ,

v где s'Q — первоначальный зазор при сборке между втулкой и штоком.

Учитывая значения е/ а , получим

_ s2 = s'0 + C5rBp + C e r B Q y ( - ^ - ^ -

S 2 = S T + 8 ^''и>

163

где

2sT = 2s'Q + (ссп — а ц ) d At;

здесь а п , ац —коэффициенты линейного расширения материала

в коническом зазоре и приведенном цилиндрическом зазоре при сохранении одинаковых значений расхода жидкости Qy и потерь давления в зазоре Ар ранее было получено выражение приве­ денного зазора

164

Значение общего приведенного цилиндрического зазора для всей втулки s2 n p , вызывающего эквивалентные потери давления,

S)

3,4,5, В

Рис. 94. Изменение зазора по длине втулки: а — по принятой схеме; б — по

определим, учитывая, что под действием соответствующих давле­ ний реальный зазор принимает по длине втулки форму, которая приближенно может быть заменена двумя конусами длиной 1г и 12.

Потери давления на длине втулки определяются уравнением

зазор, учитывающий потери давления во втором коническом зазоре длиной / 2 .