книги из ГПНТБ / Макаров Г.В. Уплотнительные устройства

товляется из хромоникелевой, хромомолпбдеиовой стали и дру­ гих материалов.

На рис. 111 показаны конструкции пружинистых металличе­ ских колец для высоких давлений.

Герметизация неподвижных соединений с помощью прокладок достигается за счет затекания, прокладочного материала в микро­ неровности уплотняемых поверхностей и в следы от обработки.

Прокладки бывают металлические, неметаллические и комби­ нированные.

Неметаллические прокладки из резины, асбеста, паронпта, фторопласта, кожи, пробки, картона и др. применяются для низ­

Гофрированные прокладки с толщиной ленты от 0,25 до 0,8 мм и шагом гофров от 1,5 до 6,35 мм применяются для низких давле­ ний (35—70 кгс/см2 ).

Иногда применяют гофрированные прокладки с асбестовым наполнителем гофров на клею или с покрытием уплотнительной замазкой.

Кассетные прокладки состоят из мягкого сжимаемого напол­ нителя, частично или полностью помещенного в металлическую оболочку.

Спиральные прокладки состоят из V-образных чередующихся слоев спирально свернутой ленты металла и мягкого материала, например асбестовой ленты.

Для надежного уплотнения неподвижных соединений необхо­ димо на рабочих поверхностях прокладок создать некоторое ми­ нимальное удельное давление.

Ниже приводятся опытные значения [78] минимальных удель­ ных давлений в кгс/см2 :

для гофрированных прокладок толщиной 3,2 мм из разных материалов: алюминий 105—140, медь 140—175, нержавеющая сталь 280—420;

для простых плоских прокладок толщиной 0,8 до 3,2 мм: алю­ миний 1020—1400, медь 2520—3150; мягкая сталь (железо) 3850— 4800, нержавеющая сталь 5250—6550 (меньшие значения относятся к толщине прокладок 3,2 мм, большие — к тонким прокладкам);

206

для неметаллических прокладок: асбест (толщиной 0,8— 3,2 мм) соответственно 455—112, резина до 28, фторопласт 112— 434.

Для надежной работы уплотнений под давлением необходимо, чтобы усилие предварительного поджатия прокладки превосхо­ дило суммарную нагрузку рабочей среды на дно в несколько раз, например от 1,5 до 3 раз и более [ 5 ] .

Рабочая температура является важным параметром при выборе типа и материала прокладки, например асбестовые наполнители могут применяться до температуры 450—480° С, медные про­ кладки — до 315° С, прокладки из нержавеющей стели — до 425—870° С [78].

Чистота обработки уплотняемых поверхностей фланцев должна быть не ниже V 6 — V 7 .

При выборе прокладок [78] рекомендуется следующий ориен­ тировочный подход: если pt^> 10 000, надо применять исключи­ тельно металлические прокладки, здесь р — рабочее давление за­

р< 85 кгс/см2 .

45.УПЛОТНЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ КРАСНОМЕДНЫХ И РЕЗИНОВЫХ КОЛЕЦ

где Рд — усилие от давления запираемой среды и предваритель­ ного поджатия.

Для определения усилия, необходимого для обжатия красномедного уплотнительного кольца, воспользуемся методом, разра­ ботанным д-ром техн. наук проф. Г. А. Смирновым-Аляевым [72] и канд.' техн. наук В. М. Розенберг.

207

Деформация уплотнительного кольца при изготовлении его по предельным допускам будет неупругая, пластическая.

Выражения относительной конечной деформации кольца при его обжатии:

удлинение кольца в радиальном направлении

D, d, h— размеры кольца после обжатия; DQ, d0, hQ — раз­ меры кольца до обжатия;

осевое укорочение

е2 = е2 = — In А - ;

тангенциальное удлинение или укорочение

Согласно закону соответствия видов напряженного и деформи­ рованного состояний

208

Глава V I I I

МАТЕРИАЛЫ УПЛОТНЕНИЙ

Выбор материалов уплотнений зависит от вида и состояния рабочей среды (жидкость, газ, пар, температура, давление, окис­ лительная способность и др.), особенностей использования уплот­ нений (возвратно-поступательное или вращательное движение, скорость движения), особенностей конструкции уплотнения (ра- диально-контактные или торцовые) и др.

Материал должен обеспечивать необходимую герметичность соединения и заданную долговечность уплотнения.

Потери энергии при работе на преодоление сил трения в уплот­ нениях должны быть по возможности малыми.

Для понижения местной температуры нагрева на рабочих поверхностях уплотнения желательно иметь более высокий коэф­ фициент теплопередачи А. материала уплотнений, особенно для соединений с вращательным движением.

Для уменьшения чувствительности уплотнения к колебаниям температуры нужно стремиться, чтобы коэффициенты линейного расширения а материала уплотнений незначительно отличались от коэффициентов для материала сопряженных металлических деталей (например, стали).

46. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материалы для радиальных контактных уплотнений

Для запирания различных масел на основе нефти применяются резиновые и пластмассовые манжеты и кольца, пеньковые, асбесто­ вые, полуметаллические и металлические сальники, металличе­ ские и графитовые разрезные кольца.

Для запирания сжатого газа, пара, кислот и щелочей приме­ няются асбестовые, полуметаллические, металлические и графи­

ткани до 100° С, для фторопласта-4 от —120 до -4-260° С, для угле-

210

графита до 500° С, для металлических уплотнений до 300—600° С в- зависимости от материала.

Металлические и графитовые уплотнения применяются для наиболее тяжелых режимов работы (при повышенных температу­ рах, давлении, скорости).

Материалы для торцовых уплотнений валов

Для торцовых уплотнений выбирают материал для пары тре­ ния в зависимости от химической активности и смазывающих свойств среды [16, 78, 84] . Наиболее легкой средой для работы пары трения являются смазочные и синтетические масла, нефти. Для их уплотнения применяют следующие пары: бронза—сталь, чугун, углеграфит—сталь, чугун, бронза, нержавеющая сталь, фторопласт, керамика.

Для маловязких жидкостей (керосин, бензин, вода и др.) при­ меняют пару: углеграфит—.сталь (сплав).

Для воды применяют: графит — бронза, никелевый чугун, стеллит, нержавеющая сталь, фторопласт, керамика; сталь — текстолит.

Для химически активных жидкостей (кислоты, щелочи, мор­ ская вода) применяют пары: углеграфит — сталь, углеграфит — керамика, цементованная нержавеющая сталь, стеллит, фторо­ пласт; керамика — фторопласт, стеллит.

Некоторые замечания по выбору мягких материалов

На основании экспериментальных данных можно сделать сле­ дующие замечания по материалам уплотнений.

Резиновые уплотнения имеют низкую морозостойкость. Они

от —20 до —50° С работают недостаточно надежно. Надежность герметизации также понижается и при значительном нагреве жидкости, например свыше 80—120° С.

Уплотнения из резины при повышенных давлениях обладают сравнительно малой долговечностью.

Резина должна быть маслостойкой и морозостойкой, хорошо сопротивляться действию знакопеременных напряжений и износу. Она должна быть достаточно жесткой, не должна сильно прили­ пать к стальным деталям. Резина не должна значительно изменять свои механические свойства при хранении запасных деталей.

Необходимо освоение новых материалов, например фторо­ пласта, капрона и др., обеспечивающих повышенную долговеч­ ность уплотнений и меньшую чувствительность к колебаниям тем­ пературы.

211

Известные успехи в применении для уплотнений капрона, нейлона и фторопласта для шевронных манжет отмечаются V ' p a - ботах [25, 50, 77, 78].

Применение текстолитовых деталей в уплотнениях при давле­ нии свыше 200 кгс/см2 в масле не рекомендуется, вследствие имев­ шего место при испытании обугливания рабочих поверхностей и повреждения при этом поверхности хромированных стальных деталей.

Условия применения уплотнительных колец из фторопласта при высоких давлениях и длительной работе также должны быть изучены ввиду наблюдающегося непостоянства герметиза­ ции, получаемого при экспериментах из-за высокого местного нагрева.

Борьба с прилипанием резиновых деталей уплотнений к сталь­ ным. Прилипание резиновых деталей уплотнений к стальным (адгезия) является весьма нежелательной и вредной особенностью способствующей более быстрому выходу из строя резиновых де­ талей уплотнений и требующей больших усилий для страгивания с места подвижных частей, что в некоторых случаях требует зна­ чительного завышения мощности приводов.

За счет прилипания резиновых манжет возможно повреждение их острой запирающей кромки при страгивании с места.

По данным Денни [20], коэффициент статического трения до­ стигает значения / с т = 0,8н-1 примерно через один день и / с т =

=1,2 — через месяц.

Для уменьшения прилипания иногда в масло добавляют гра­ фит, однако, как показывают те же исследования, добавление гра­ фита в масло снижает силу трения, не уменьшая при этом эффекта прилипания.'

Наиболее эффективным оказалось применение грубошероховатой поверхности уплотнения, получаемой путем шлифования, так как это привело к захватыванию некоторого количества масла углублениями поверхности и к образованию частичной граничной смазки.

Заслуживает внимания создание на резиновых деталях за­ щитных оболочек (покрытий) из материала, не склонного к при­ липанию, например покрытия из фторопласта, а также применение комбинированных кольцевых уплотнений.

Вопрос о борьбе с прилипанием резиновых деталей к стальным заслуживает дальнейшего исследования. Однако для неподвиж­ ных соединений адгезия является полезной.

Другие требования к материалам уплотнений были изложены выше при рассмотрении соответствующих разновидностей уплот­ нений.

212

47. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ УПЛОТНЕНИЙ

Ниже приводятся таблицы некоторых физико-механических свойств материалов уплотнений (табл. 1, 2, 3, 4), составленные на основании различных литературных источников.

Широкое применение графита в уплотнениях объясняется тем, что он является наиболее инертным материалом и обладает само-, смазывающими свойствами. • Графит обеспечивает хорошее рас­ сеивание тепла, прекрасно выдерживает термические напря­ жения.

Графит может применяться либо в чистом виде, либо после пропитки маслами, синтетическими смолами, медью,. свинцом, баббитом, сурьмой и др. (углеграфиты марок АО-С05, АГ-С05, АО-Б83, АГ-Б83 и др.)

Модуль упругости металлов с повышением температуры умень­ шается, а графита—увеличивается.

Применение графита в сочетании с хромом не рекомендуется вследствие увеличения коррозии хрома.

Фторопласт-4 успешно применяется там, где требуется от ма­ териала сочетание теплостойкости и химической стойкости. При применении фторопласта необходимо учитывать его относительную мягкость, увеличение мягкости с повышением температуры и те­ кучесть на холоде. Недостаток эластичности может быть компен­ сирован комбинацией его с резиной или поджатием пружиной. При сборке детали из фторопласта рекомендуется смазывать, при этом коэффициент трения о металл резко снижается.

При отсутствии хорошего отвода тепла от фторопласта может

Из-за недостаточной эластичности фторопласта-4 не рекомен­ дуется изготовлять из него самоуплотняющие уплотнения при невысоких давлениях.

Керамические материалы обладают исключительно высокой химической стойкостью в большинстве сред (за исключением кон­ центрированных щелочей, плавиковой и кремнефтористоводородной кислот), высокой твердостью и износостойкостью. Недостатки их: низкий коэффициент теплопроводности, пористость, склон­ ность к терморастрескиванию, малая ударная вязкость и плохие антифрикционные свойства.

Пары трения с керамикой устанавливаются на небольшие дав­ ления сред. Керамику нельзя применять при резких колебаниях температуры. В некоторых случаях керамику наносят на основной металл, тогда она лучше выдерживает термические напряжения. Поликапролактам (капрон) и полиамид 68 неустойчивы к действию концентрированных кислот и щелочей.

Полиэтилен в минеральном масле и серной кислоте условно стоек.

213

Обозначения: у — удовлетворительная, и — неплохая, п — плохая.