Промышленный лизинг Промышленный лизинг  Методички 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 [ 49 ] 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76

жидкостной смазки. В этих случаях контактирующие поверхности уплотнительных колец разделены сплошной или имеющей отдельные разрывы пленкой жидкости. Уплотнения общего назначения низкой и средней нагруженности конструируют таким образом, что пара трения работает в режиме полужидкостной смазки, высоконагруженные уплотнения гидродинамического или гидростатического типа - в режиме гидродинамической смазки.

Фирма «Ексон Компани» (США) провела исследования по отказам торцовых уплотнений общепромышленного назначения, работающих на различных производствах (среда - сжиженные газы, минеральные масла, вода) в зависимости от трех факторов: нагруженности пары трения торцового уплотнения; наличия пленки жидкости в зазоре; термических напряжений в кольцах пары трения. В качестве рабочего параметра использован ру-фактор.

Наличие пленки жидкости по всей длине зазора свидетельствует о стабильном режиме смазки. Фактор стабильности пленки Fnj, для парящих уплотнений (Fnji < 1) определяют по формуле

F =

Т2-ТГ

где Т. - температура пара; Tj и Тг -

л° о5 оо °N

-\о<Я 0

:\% 0 °

\° ° °о

\ оо

1 1 1 1 1 ии

температуры жидкости соответственно на входной и выходной кромках. Для непарящих уплотнений [Рщ, > 1)

Рпл =

где Т„ - температура парообразования; Тн - температура жидкости в насосе.

Термические напряжения в кольцах пары трения оценивают безразмерным параметром

(1-ц)а

АГа£

где ДГ - градиент температуры по кольцу пары трения.

Результаты эксперимента представлены в виде графиков (рис. 9.7). Анализ графиков показывает, что фактор F„„ обеспечения стабильной пленки жидкости в зазоре позволяет наилучшим образом прогнозировать долговечность торцового уплотнения, а ри-фактор не пригоден для прогнозирования долговечности торцового уплотнения.

Интересно, что долговечность торцовых уплотнений зависит в первую очередь от соблюдения заданных на стадии проектирования условий, обеспечивающих наличие пленки жидкости в зазоре в процессе эксплуатации (отказ торцовых уплотнений вследствие износа пары трения наблюдался лишь у 8 % уплот-


100 pv, МПа м/с


Рис. 9.7. Зависимости долговечности торцовых уплотнений от различных факторов:

< - ри-фактора; б - фактора F-, определяющего термические напряжения в кольце пары трения;

« - фактора f „д, определяющего наличие пленки жидкости в зазоре



Рис. 9.8. Конструкции вращающегося уплотнительного кольца для торцового уплотнения:

а - неразгруженного; б - разгруженного

нений при их эксплуатации в течение 10 лет).

Эксплуатация торцовых уплотнений в производственных условиях показывает, что надежность уплотнений достигается при соблюдении следующих условий:

уплотнение должно быть сконструировано так, чтобы контактное давление в паре трения было больше нуля;

должны быть созданы условия, предотвращающие кипение жидкости в стыке пары трения (наиболее простой способ для сред с высокой температурой - охлаждение жидкости в камере уплотнения);

необходимо применять материалы с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом трения.

Конструкции уплотнительных колец. Вращающиеся уплотнительные кольца / вьшолняют в двух вариантах: для разгруженных и неразгруженных уплотнений (рис. 9.8).

Конструкции неподвижных колец в торцовых уплотнениях более разнообразны и зависят от способа установки неподвижного кольца относительно корпуса (рис. 9.9).

Наиболее широко применяют свободную установку уплотнительного кольца (рис. 9.9, а, б), которая благодаря упругой деформации резиновых колец позво-

ляет эффективно отслеживать биение стыка пары трения, возникающее вследствие биения и прогибов вала, а также неточностей, изготовления и установки корпусных деталей. С той же целью на фирме «Честертон» (США) применяют установку неподвижного уплотнительного кольца с подкладной волнистой пружиной (рис. 9.9, в).

Иногда уплотнительные кольца изготовляют с двумя притертыми поверхностями (рис. 9.9, б, и) в целях снижения числа запасных частей и удешевления эксплуатации. Однако это преимущество не всегда реализуется, так как в процессе эксплуатации торцовая уплотни-тельная поверхность, не находящаяся в контакте, загрязняется отложениями и требует дополнительной доработки при вводе ее в эксплуатацию.

В конструкциях со свободной установкой неподвижных уплотнительных колец для передачи момента трения от пары на корпус используют либо штифты, либо силы трения между неподвижным кольцом, резиновым кольцом и корпусом. Кольца круглого сечения из резины, через которые передается крутящий момент, устанавливают с диаметральным сжатием не менее 10 %. Резиновое кольцо должно садиться с натягом по внутреннему диаметру во избежание проворачивания уплотнительного кольца при пуске. Кольца круглого сечения из фторопласта устанавливают с диаметральным сжатием 5%, обязательно предусматривая фиксацию неподвижного кольца от проворота.

Установку неподвижных уплотнительных колец с фиксацией по торцу и центровкой по наружному диаметру (рис. 9.9, г -з) применяют значительно реже, в основном при высоких дав-


а) 5) S) г) В) е)

Рис. 9.9. Конструкции неподвижных уплотнительных колец



лениях и температурах среды. Недостаток такой установки - необходимость обеспечения жестких допусков на изготовление корпусных деталей, преимущество - снижение механических деформаций неподвижного кольца и улучшение отвода теплоты (за исключением конструкции, показанной на рис. 9.9, г).

Конструкцию неподвижного кольца, изображенного на рис. 9.9, г, устанавливают с большим натягом по цилиндрической поверхности с помощью кольцевых кромочных выступов на торце резиновой манжеты (плоский торец манжеты обычно не обеспечивает надежного уплотнения).

Конструкцию с полым неподвижным уплотнительным кольцом (рис. 9.9, ж), позволяющую эффективно отводить теплоту из зоны трения через тонкую торцовую стенку, применяют лишь для металлических колец.

Неподвижное кольцо, запрессованное в металлическую обойму (рис. 9.9, з), чаще всего является вынужденным кон-структивньп\л решением, обусловленным требованием сохранения целостности уплотнительного кольца при его растрескивании и обеспечения таким образом надежности торцового уплотнения в экстремальных условиях. Недостаток конструкции - неизбежность силовых и температурных деформаций уплотнительного кольца и искажение плоскостности уплотнительной поверхности. Силовые деформации минимальны при применении тонкостенных обойм (толщиной около 1 мм) с длиной, равной уплотнительному кольцу. Температурные деформации, возникающие вследствие различного линейного расширения уплотнительного кольца и обоймы, снижают подбором материалов с близкими температурными коэффициентами линейного расширения. Рассчитать натяг и толщину бандажа можно, используя выражение для напряжений в стенках составной трубы. Натяг должен быть таким , чтобы при температурном расширении бандажа и кольца во время работы уплотнения он не уменьшался

до предельного значения, при котором возможно проворачивание кольца моментом трения.

Конструкция неподвижного кольца, вклеенного в обойму, имеет те же недостатки, что и конструкция с запрессованным кольцом. Кроме того, при использовании клеев необходимо оценивать их стойкость в рабочей среде.

Конструкции неподвижного кольца с фланцевым закреплением (рис. 9.9, ы) применяют в исключительных случаях, когда оправдана его конструктивная сложность и большая масса и, соответственно, стоимость кольца. Выступающую часть кольца, посредством которой фиксируется и закрепляется неподвижное кольцо, следует располагать на некотором расстоянии от поверхностей трения, чтобы силовые деформации от крепления замыкались на этом выступе и не передавались на поверхность трения.

Форму и размеры сечения колец определяют на стадии проектирования, исходя из условий эксплуатации (прежде всего давления и температуры среды), а также теплофизических и механических свойств материала, возможностей его обработки и стоимости. Наиболее важно на стадии проектирования учесть силовые и температурные деформации поверхностей трения (см. гл. 8).

Силовые деформации уплотнительных колец начинают сказываться на работе уплотнения при давлении среды более 1,0 МПа, особенно для материалов с низким модулем упругости, например для углеграфитов {Е х 10 ГПа) и пластмасс (Е 1 ГПа).

На деформацию поверхностей трения влияют место расположения резинового уплотнительного кольца и способ установки неподвижного кольца в корпусе [13]. Испытания двух неподвижных колец одинаковой формы при разных способах установки их в корпус (рис. 9.10, а, б) показали, что в результате неравномерного изнашивания зазор пары трения приобретает конфузорную форму. При этом увеличивается гидростатическая

сила в зазоре и утечки. В результате расчета деформации тех же колец установлено, что угол поворота сечения во втором варианте в 4,5 раза меньше, чем в первом. Уменьшение длины хвостовика на 3 мм для второго варианта позволило еще в 3 раза уменьшить угол поворота сечения (рис. 9.10, в).

Таким образом, для обеспечения наименьшей деформации уплотнительных поверхностей пары трения при высоких давлениях среды необходимо стремиться к такому расположению


Рис. 9.10. Схемы установки неподвижною

опорной поверхности и вторичного уплотнения, при котором момент, скручивающий сечение кольца, минимален (рис. 9.9, е и 9.10, г).

Выполнение требований по конструированию пояска трения приводит к тому, что кольца пары трения имеют, как правило, переменное поперечное сечение (рис. 9.11). При этом обычно необходимо накладывать ограничение на длину изнашиваемой части кольца пары трения: h/b < 1.

У колец из хрупких материалов место перехода кольцевого выступа, образующего поверхность трения, к основному сечению кольца должно иметь плавное скругление радиусом 1 - 3 мм. Это повышает прочность колец приблизительно в 2 раза по сравнению с прочностью колец с переходом без скругления [18].

Сколы кромок пояска трения, наиболее часто возникающие у колец из хрупких материалов, приводят к перераспределению гидравлической нагрузки, в результате чего разгруженные торцовые уплотнения могут выйти из строя. Во избежание скола по внутреннему диаметру, возникающего при перекосе кольца в процессе монтажа, рекомендуется выдерживать соотношение линейных размеров /г > (1,5...2,2)/i для зазоров 8 = = 0,5... 1,0 мм.

Для уменьшения скорости скольжения поясок трения следует располагать на возможно меньшем диаметре. Как показано в гл. 8, с уменьшением радиальной ширины поверхности трения интенсивность выделения теплоты в паре трения снижается, и отвод теплоты улучшается. Согласно экспериментальным данным [13] утечка через уплотнение мало зависит от радиальной ширины Ь, так как с уменьшением b уменьшается эффективный зазор h в паре вследствие уменьшения изменения формы зазора. Целесообразно сокращать размер Ь, но при этом возрастает опасность повреждения узкого пояска трения и выхода уплотнения из строя при случайном воздействии абразивной



/IL.3



Рис. 9.11. Конфигурация уплотнительного кольца с выступающим пояском трения

Рис. 9.12. Уплотнение газовой турбины:

/ - поршневое кольцо (вторичное уплотнение); 2 - корпус; 3 - ступенчатый подшипник; I и II ~ эпюры гидростатического давления соответственно закрывающего и открывающего стык пары трения

частицы, а также снижаются местная прочность и жесткость выступающих кольцевых поясков, образующих поверхность трения.

Радиальную ширину b поверхности трения обыкновенных пар трения рекомендуется принимать в следующих пределах в зависимости от диаметра d вала:

d, мм . . .10-20 20-40 40-80 80-150 Ь, мм . . . 2-3 3-4 3-5 4-7

Учитывая низкую теплопроводность пластмасс и более сильное влияние ширины пояска трения на их температуру, для пластмассовых колец следует принимать меньшие из приведенных значений Ь.

В парах трения твердый материал по мягкому кольца из мягкого материала должны иметь более узкую рабочую поверхность во избежание врезания края кольца из твердого материала в кольцо из мягкого материала и связанного с этим выкрашивания материалов и усиленного трения. Разница в ширине поверхностей колец должна составлять 1 - 4 мм при диаметре вала 15-200 мм.

У вращающегося в жидкости кольца теплоотдача значительно больше, чем у неподвижного, поэтому вращающееся кольцо должно быть изготовлено из материала с более высокой теплопровод-

ностью. Изменяя форму колец пары трения (кольцевые выточки, карманы вблизи поверхности трения), можно улучшить теплоотдачу от пары и снизить ее температуру.

Пары трения гидродинамических и гидростатических торцовых уплотнений конструируют так, чтобы обеспечить стабильный жидкостный слой в зазоре пары. Уплотнения этих типов применяют при высоких давлениях среды и скоростях скольжения, когда снижением коэффициента нагрузки в паре трения до предельно допустимого значения (при дальнейшем снижении коэффициента нагрузки происходит раскрытие стыка пары трения) невозможно уменьшить контактное давление до необходимого значения.

Высокие удельные нагрузки превышают предельно допускаемые нагрузки для материалов пар трения, что вызывает интенсивное изнашивание уплотнительных колец. Одновременно выделение большого количества теплоты в стыке приводит к разрушению жидкостной пленки в зазоре, при этом малоэффективным оказывается и интенсивное охлаждение трущихся поверхностей. Контактные торцовые уплотнения становятся неприемлемыми.

Стабильный слой жидкости в зазоре пары трения создают двумя способами - гидродинамическим и гидростатическим. Это находит соответствующее

0,06 0,04 0,02 О

V>5--)

tt/iO :-i-!

a/i =

*--т

1,75 3,5 р, МПа

Рис. 9.13. Зависимость коэффициента трения в паре трения от отношения ajh (масло SAE40; пара греиия электрографит - закаленная сталь; d = 50 мм, к = 1,2; число канавок 4, скорость 4,2 м/с) [18]

отражение в конструкциях уплотнений и прежде всего пары трения.

Эффективным средством создания жидкостного слоя является использование в парах трения поверхностей, сходных по формам с несущими поверхностями гидродинамических упорных подшипников. Такие пары трения применяют в торцовых уплотнениях валов крупных турбогенераторов с водородным охлаждением, в роторах газовых турбин, в циркуляционных насосах атомных электростанций.

На рис. 9.12 показано уплотнение газовой турбины. Рабочая поверхность пары трения состоит из уплотняющей А и опорной. Последняя выполнена в виде cjyneH4aToro подпятника Рэлея.

Широкое распространение в практике получили пары трения, в которых использован принцип термогидродинамического расклинивания поверхностей трения. В гл. 8 приведен метод расчета таких пар трения и конструкции колец с канавками различной формы (см. рис. 8.32). Анализ зависимостей коэффициента трения уплотнения от контактного давления при различных отношениях ajb (рис. 9.13) показывает, что наличие канавок приводит к резкому снижению коэффициента трения, т. е.


Рис. 9.14. Конструкции колец пар трения гидродинамических торцовых уплотнений с эллиптическим (а) и эксцентричным (б) поясками трения

созданию режима смазки, близкому к гидродинамическому во всем диапазоне изменения давления.

Термогидродинамический эффект в парах трения такой конструкции подтверждается резким увеличением утечек жидкости после пуска в работу по сравнению со статическим состоянием.

Гидродинамический эффект возникает и при использовании конструкций с эллиптическим или эксцентричным поясками трения (рис. 9.14).

Область применения гидростатических уплотнений приблизительно совпадает с областью применения гидродинамических торцовых уплотнений, однако является более узкой. Это в основном уплотнения циркуляционных и питательных насосов атомных и тепловых электростанций, а также уплотнения валов крупных турбокомпрессоров.

Конструкции пар трения гидростатических торцовых уплотнений приведены в гл. 8.

Вторичные уплотнения работают в сложных условиях - они обеспечивают герметичность упругоустановленного кольца пары трения при его угловых и осевых колебаниях. Конструкции вторичных уплотнений подразделяют на два типа: контактные (рис. 9.15, а, б) и сильфонные (рис. 9.15,в,г,д,е).

Во вторичных уплотнениях сильфонного типа все соединения сопрягаемых деталей неразрывные. Во вторичных уплотнениях контактного типа такого



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 [ 49 ] 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76