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

Таблица 9.4

Параметры волнистых пружин

/"раб. Н

25 33 35

27 35 37

33 41 43

50 65

42,5

49,6

45 50

47,5 52,5 57.5

54,5 59,5 64,5

95 105 115

74,5

82,5

80 90 110

84,5 94,5 114,5

94,5 104,5 124,5

185 230 280

дены размеры волнистых пружин, используемых в торцовых уплотнениях по срандарту ИСО 3069-74.

Устройства для передачи момента трения (поводки). С помощью таких устройств момент трения, возникающий в стыке пары трения, передается на корпус (при неподвижном упругом элементе) или на вал (при вращающемся упругом элементе). Существуют два соединения сопрягаемых деталей: упругоустановленное кольцо - упругий элемент и упругий элемент - вал (корпус).

Основное требование к первому соединению - сохранение подвижности

упругоустановленного кольца в осевом и угловом направлениях при передаче момента трения.

Наиболее распространенные конструкции поводков показаны на рис. 9.22.

Наибольшую подвижность соединения обеспечивают поводки цилиндрической формы (рис. 9.22, а). Их закрепляют на цилиндрической стенке клепкой или сваркой.

Поводки, показанные на рис. 9.22, б, имеют большую площадь контакта в сопряжении. Их применяют для высоких давлений, но они не технологичны. Более технологичны поводки, выполненные штамповкой в тонкостенной обойме (рис. 9.22, в).

Поводки в виде цилиндрических штифтов (рис. 9.22, г) применяют в основном в торцовых уплотнениях с парой трения из мягких материалов, при больших осевых смещениях упругоустановленного кольца пары трения.

В уплотнении необходимо устанавливать два поводка, располагая их под углом 180°. В некоторых уплотнениях применяют большее число поводков, однако их точная пригонка практически не осуществима. При двух поводках допуски на размеры уплотнения и посадки его деталей должны обеспечивать одновременное контактирование поводков по поверхности К. Если одновременного контакта нет, на кольцо пары трения действует радиальная сила


т 60

30 - 20

-

/50 Г 100

0,5 1,0 1,5 p, МПа


p, МПа

Рис. 9.23. Зависимость пусковых моментов

от давления в торцовых неразгруженных (а) и разгруженных (б) уплотнениях (левая шкала - для водных растворов и средних углеводородов; правая шкала - для воды и легких углеводородов)

и его подвижность значительно ухудшается.

Условия работы поводков в соединении упругоустановленное кольцо - упругий элемент - это дискретный фрикционный контакт с незначительной амплитудой перемещения относительно сопрягаемой детали. Дискретность контакта обусловлена вибрацией в уплотнении, возникающей в основном вследствие неперпендикулярности стыка пары

трения и оси вращения. При длительной эксплуатации уплотнения дискретный фрикционный контакт может привести к значительному износу поводка и сопрягаемой с ним детали (в определенных условиях возникает фреттинг-коррозия), в результате чего теряется подвижность кольца пары трения и происходит разгерметизация уплотнения.

При расчете поводков на прочность следует учитывать максимальный момент, действующий в уплотнении при пуске.

На рис. 9.23 приведены данные фирмы «Крейн Пекинг» (Англия) по пусковым моментам для неразгруженных торцовых уплотнений, аналогичных уплотнениям типа 211 (см. рис. 9.27), и разгруженных уплотнений, работающих в средах различной вязкости.

На рис. 9.24 показаны конструкции поводков в соединении упругий элемент - вал.

Для фиксации упругого элемента на гладком валу применяют винты с шестигранным углублением под ключ и засверленным концом (рис. 9.24, а). Контакт винта с валом осуществляется по кольцевому пояску шириной 0,8 мм.

Винты с цилиндрическими (рис. 9.24, б) и коническими (рис. 9.24, в) хвостовиками позволяют воспринимать больший момент, чем предыдущая конструкция, однако засверловка втулки не позволяет ее использовать одновременно и для сальникового уплотнения, как этого требует стандарт ИСО 3069 - 74. Запрессовку под конический хвостовик следует выполнять с центральным углом конуса меньше 40°, при этом соединение становится самоконтрящимся.

Шпоночные соединения (рис. 9.24, г)



Рис. 9.22. Поводки для передачи момента трения в соединении упругоустановленное кольцо упругий элемент

а) 6) в) г) а)

Рис. 9.24. Поводки для передачи момента трения в соединении упругий элемент - вал



применяют при больших пусковых моментах.

Передача момента трения посредством конической пружины (рис. 9.24, д) использована фирмой «Бургманн» (ФРГ) в конструкциях, работающих при давлении среды до 7,5 МПа. Один конец пружины надевают с большим натягом на вал, другой изгибают и вставляют в отверстие сопряженной детали. Направление момента трения должно быть таким, чтобы пружина закручивалась.

Небольшие моменты трения можно передавать через обычную винтовую пружину без специальной конструкции и подготовки торцов.

Агрегатирование. Вопросы агрегатирования, т. е. объединения отдельных конструктивных элементов в единую сборочную единицу, прорабатывают на стадии проектирования. В зависимости от назначения торцового уплотнения применяют различные степени агрегатирования.

Агрегатирование почти не применяют в торцовых уплотнениях общепромышленного назначения для консольных насосов химических производств, насосов, перекачивающих сточные и промышленные воды и др. Все металлические детали этих уплотнений изготовляют из коррозионно-стойкой стали. Применение дополнительных фиксирующих элементов усложняет и удорожает торцовое уплотнение. Торцовые уплотнения без применения агрегатирования (см. рис. 9.27) завод-изготовитель поставляет в виде набора отдельных деталей. Поэлементную сборку этих уплотнений на насосах осуществляют высококвалифицированные специалисты (при этом не исключена возможность повреждения вторичных уплотнений). Поставка вторичных уплотнений в комплект запасных частей обязательна.

Частичное агрегатирование широко применяют для торцовых уплотнений, металлические детали которых изготовлены из дешевых материалов (например, латуни), легко поддающихся штамповке. Все детали упругого элемента объеди-

няют в единую сборочную единицу, сборку и испытание которой проводят в составе уплотнения на заводе-изготовителе. Установка такой единицы в насос значительно упрощается и проводится без повреждения деталей, входящих в нее. По этому принципу конструируют торцовые уплотнения для водяных насосов двигателей автомобилей.

С увеличением степени ответственности уплотнения и усложнением условий работы возникает необходимость разработки специальных конструкций торцовых уплотнений с частичным агрегатированием, например, для высоких давлений среды (см. рис. 9.28) и высокоабразивных сред (см. рис. 9.36). Объединение деталей упругого элемента в единую сборочную единицу значительно усложняет уплотнение и приводит к увеличению его стоимости, но позволяет упростить его монтаж в сложных эксплуатационных условиях.

Для аппаратов с перемешивающими устройствами, насосов, эксплуатируемых при высокой температуре среды, и насосов высокой степени надежности разрабатывают сборочные единицы в виде уплотнительного модуля. В такой модуль входит (см. рис. 9.45) торцовое уплотнение, устанавливаемое на втулке, и корпус уплотнения с фланцем для фиксации относительно корпуса машины. В состоянии поставки вращающиеся детали уплотнения зафиксированы относительно неподвижных деталей монтажной скобой, которая снимается после установки уплотнительного модуля на машине. Монтаж уплотнительного модуля сводится к установке его на валу машины и фиксации корпуса уплотнения относительно корпуса машины.

Применение модульной схемы в разработке торцовых уплотнений имеет следующие преимущества: сборка на заводе-изготовителе силами высококвалифицированных специалистов, испытание на заводе без последующей разборки и полное сохранение гарантий поставки, облегчение монтажа на машине и сокращение времени замены уплотнения.

9.3. Материалы

Материалы пар трения. Материалы для уплотнительных колец следует подбирать с учетом условий эксплуатации торцового уплотнения, а также технологичности и экономичности изготовления уплотнительных колец. Условия эксплуатации уплотнений разного назначения существенно различны, поэтому для каждой группы уплотнений необходимо рассматривать определенный комплекс параметров, характеризующих степень напряженности работы пары трения.

При этом важное значение имеет выбор не самих материалов пар трения, а их сочетаний. При выборе оптимальных пар скольжения необходимо учитывать коррозионную стойкость и износостойкость материалов, возможность теплоотвода из зоны трения, а также совместимость материалов, т. е. возможность работы без схватывания и заедания. Рассмотрим отдельные группы материалов и их сочетания.

Пластмассы. Для уплотнений, работающих при очень низкой степени напряженности (например, в насосах системы охлаждения автомобиля при давлении жидкости 0,15 МПа и скорости скольжения не более 3,5 м/с), используют пластмассы. Для них характерны высокая износостойкость в этих условиях, а также высокая технологичность (изделия из пластмасс получают горячим прессованием).

Как правило, применяют твердые пластмассы на основе фенольной смолы, наполненные коксовой или асбестовой крошкой либо асбестом слоистой структуры, а также графитом или баббитом в порошкообразном виде. Эти материалы имеют высокую износостойкость в воде при работе в паре с хромистым чугуном, бронзой и керамикой. Износостойкость в значительной степени зависит от технологических параметров, например давления и температуры при прессовании и продолжительности охлаждения.

В автомобилестроении СССР широко применяют материал на основе фенольной смолы с добавкой графита и свинца - НАМИ-ГС-ТАФ-40, работающий в паре со сталями 30X13 или 40X13, термообработанных до HRC 42 - 47.

Отрицательными свойствами материалов на базе синтетических смол является их низкая термостойкость, что ограничивает их использование при температурах выше 80 °С. Местный перегрев поверхности и испарение пленки жидкости приводит к повышению коэффициента трения и деструкции материала.

В торцовых уплотнениях общепромышленного назначения кольца из пластмасс используют сравнительно редко.

Антифрикционные углеродные материалы. При более высоком рабочем давлении обычно применяют кольца из углеродных материалов. Антифрикционные материалы на основе углерода подразделяют на следующие основные типы: углеродные обожженные с пропиткой, графитированные с пропиткой, графитофторопластовые и силицирован-ные графиты. Широкий диапазон физико-механических свойств углеродных материалов обусловлен многообразием композиций компонентов и способов производства.

В качестве исходных материалов при производстве углеграфитов используют кокс, сажу, графит и пек. После прессования заготовки обжигают - получают обожженный (аморфный) углеродный материал.

Графитированный углеродный материал (электрографит) получают из обожженного после дополнительной выдержки в печи при температуре 2400...2600 °С, при которой часть аморфного угля переходит в графит.

Углеродные обожженные материалы имеют высокую прочность и пониженную по сравнению с графитированными теплопроводность (табл. 9.5).

В отечественной практике обожженные и графитированные углеродные материалы применяют исключительно с пропиткой.



Таблица 9.5

Физико-мехаиические характеристики материалов пар треиия торцовых уплотнений

Материал

Плотность, г/смЗ

Предел

прочности при сжатии.

Модуль упругости,

Твердость

Теплопроводность при 20°С,

Температурный коэффициент линейного расши-

Вт/(м-°С)

рения при 20-100°С а. 106 "С"

Фенольная смола:

с коксом (ФРГ)

1,25-1,75

100-175

21-35

0,36-0,51

19-26

с графитом и свинцом

100- 120

НАМИ-ГС-ТАФ-40

Углеграфит обожженный

с пропиткой:

свинцом АО-1500-СО5

2,7-3,0

260-280

70-75*

6,5-8,5

свинцом и медью (ФРГ)

металлом (Англия)

14,9

Углеграфит графитиро-

ванный с пропиткой:

баббитом АГ-1500-Б83

2,4-2,8

140-150

13,5-

70-72*

80-90

фенолформальдегид-

1,6-1,7

160-170

70-75*

ной смолой 2П-1000Ф

синтетической смолой

1,85

11,5

(ФРГ)

медью (Англия)

70"

Графитофторопласт

Ф4К20

Силицированный

графит:

СГ-Т

2,5-2,8

300-320

HRC 65-78

СГ-П

2,4-2,6

430-450

HRC 65-80

Алюмокарбидокремние-

2,2-2,4

120-180

HRC 50

вый графит ГАКК 55/40

Карбид кремния (Англия)

2500-3500**

83,6

Сталь 95X18

HRC 55

Хромистый чугун (ФРГ)

1000

НВ 300

10,6

(30 % Сг, 1 % Мп)

Сплав Нирезист (ФРГ)

700-840

НВ 170

(20% Ni, 2% Сг, 2% Si,

1% Мп, 0,5% Си)

Твердый сплав (ФРГ) (9J% WC, 7% Со)

14,8

5000

HRA 91,5

Твердый сплав ВК8

14,6

5000

HRA 87

60

Керамика (ФРГ)

2100

9 ***

(99% AbOj)

Керамика ЦМ-332

(99% АЬО.,)

4500

HRA 90

* Твердость по Шору А. ** Микротвердость. *** Твердость по Моссу.

Углеродные материалы имеют по- цательным фактором, поскольку из-за

ристость 12-20%, средний размер нее возникают утечки жидкости через

пор 1 -5 мкм. Для торцовых уплотнений кольцо, поэтому углеродные материалы

остаточная пористость является отри- пропитывают синтетическими смолами.

металлами, фторопластом и растворами солей. В общем случае пропитка снижает пористость, увеличивает модуль упругости, твердость (незначительно), температурный коэффициент линейного расширения и теплопроводность материала (особенно обожженного).

Обычно пропиточный материал ограничивает область применения углеродного материала. Практика показывает, что при повышенных давлении и температуре углеродные материалы, пропитанные синтетической смолой, работают лучше, чем материалы, пропитанные металлами. Так, они имеют меньшую склонность к задирам при резком повышении температуры, при котором металл может выплавиться из кольца. Кроме того, углеродные материалы, пропитанные смолами, более стойки в агрессивных средах, так как химическая стойкость смолы больше, чем у металлов. В отечественных конструкциях торцовых уплотнений широко применяют графит 2П-1000с пропиткой фенолформаль-дегидной смолой и графиты АО-1500 и АГ-1500 с пропиткой свинцом или баббитом, работающие в паре с силици-рованным графитом СГ-П или со сталью 95X18 (HRC 55). Необходимо отметить, что обожженные и графитированные углеродные материалы производства зарубежных фирм имеют теплопроводность и коэффициент линейного расширения, практически аналогичные показателям отечественных материалов (см. табл. 9,5).

При температурах ниже нуля углеродные материалы имеют такие же характеристики, как и при высоких температурах. Коэффициент трения и износ в общем случае имеют тенденцию к увеличению с повышением температуры. Как и при высокой температуре, углеродные материалы, пропитанные пленкообразующими материалами, имеют лучшие характеристики при криогенных температурах. Фенольная смола, фторопласт и нейлон, используемые как пропиточные материалы для углеродных материалов, имеют удовлетворитель-

ные характеристики трения и изнашивания в жидком азоте.

Графитофторопластовые антифрикционные материалы применяют в основном в средах с сильными окислительными свойствами. Для углеродных материалов не характерна такая стойкость, поэтому в сильных окислителях и многих других агрессивных средах рекомендуется применять материал Ф4К20 на основе фторопласта-4 с 20% кокса, работающий в паре с керамикой ЦМ-332.

Графитофторопластовые материалы менее прочны по сравнению с углеродными, но имеют большую плотность и практически непроницаемы для жидкости.

Высокая износостойкость и долговечность нового материала на базе углерода - силицированного графита - обусловлена особой структурой материала: жесткий каркас из карбида кремния исключительно высокой твердости и свободный графит, который обеспечивает высокие антифрикционные свойства и теплопроводность (см. табл. 9.4).

В промышленности используют силицированный графит трех марок: СГ-Т, СГ-П (различающиеся соотношением компонентов и имеющие различную технологию производства) и ГАКК 55/40 (графит алюмокарбидкремниевый, разработанный специально для пар трения торцовых уплотнений). Эти материалы работают в парах трения отдельно или в комбинациях.

Силицированные графиты получают пропиткой исходного графита по всему объему жидким кремнием при температуре выше 2000 °С. При этом происходит реакция с образованием карбида кремния. Однако по условиям химической реакции не весь кремний входит в соединение с углеродом - свободный кремний в силицированном графите ограничивает химическую/стойкость этих материалов. В частности, силицированные графиты СГ-Т и СГ-П не стойки в щелочах, Силицированный графит ГАКК 55/40 свободен от этих недостатков и является



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