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

ш

20 10

1 "

О 0,2 0,4 0,6 0,8рд,МПа


0,1 0,2 0,5 , 1,0 2,0 р„,МПа S)

Рис. 9.50. Зависимость критической разности температур ДГ,р от перепада давлений на уплотнении pq для неразгруженных (о) и разгруженных (б) пар трения при различных диаметрах вала под уплотнением: i - 20 мм; 2-50 мм; 3-100 мм (сплошные кривые - для жидкостей первой группы; штриховые - для жидкостей второй группы)

легкие масла и тяжелые углеводороды с вязкостью (2...50) 10"* м/с, к четвертой - жидкости с вязкостью более 50-10"* м/с. Значения ДГкр, которыми фирма «Флексибокс» (Англия) рекомендует руководствоваться при выборе уплотнений, приведены на рис. 9.50. Эти данные относятся к уплотнениям, работающим при частоте вращения 3000 мин" и при использовании в парах трения материалов с относительно невысокой теплопроводностью (коррозионно-стойких сталей, керамики, углеграфитов). Для уплотнений, эксплуатируемых при частоте вращения, отличной от 3000 мин", АГкр изменяется пропорционально частоте вращения.

Если условие (9.1) не выполнено, в целях увеличения А Г охлаждают жидкость перед уплотнением или уплотнительные кольца либо применяют коль-

ца из материалов с более высокой теплопроводностью.

Для охлаждения жидкости применяют схему с автономным контуром циркуляции или внутренним теплообменнь»! устройством. В последнем случае совместно с охлаждением жидкости осуществляется охлаждение вала. Для охлаждения уплотнительных колец применяют схему с проточной циркуляцией рабочей жидкости или подачей охлаждающей жидкости. Схемы охлаждения торцовых уплотнений приведены в гл. 13.

Для пар трения с повышенной теплопроводностью и износостойкостью значения ДГкр, определенные по рис. 9.50, следует уменьшать: для твердых сплавов (например, карбида вольфрама) - в 1,3 раза, для меди и ее сплавов, имеющих наиболее высокую теплопроводность,-в 2,6 раза.

Если ни одна из перечисленных мер не обеспечивает работоспособности одинарных торцовых уплотнений вследствие недопустимо малой разности температур А Г, применяют двойные торцовые уплотнения. Для аммиака и сжиженных углеводородных газов в качестве затворных жидкостей используют масла (при температуре выше -30°С), а также одно- и многоатомные спирты - метиловый (-30...-90°С), пропиловый (- 90... - 120 °С), этиловый, этиленгликоль, глицерин и др.

Для сжиженных газов наряду с обычной схемой двойных торцовых уплотнений (см. рис. 9.3, а) применяют тандем-ную схему (см. рис. 9.3,6). Полость между уплотнениями сообщается с затворной средой.

Для легких углеводородов с температурой Tj, близкой к температуре кипения Тк, фирма «Флексибокс» кроме двойных уплотнений использует одинарные уплотнения паровой фазы (рис. 9.51). В этих уплотнениях для исключения фазового перехода в паре трения жидкость нагревают до полной газификации. В результате может быть обеспечена стабильная работа уплотнений в


Рис. 9.51. Уплотнения паровой фазы: i - вращающийся элемент уплотнения; 2 - не-вращающееся обогреваемое кольцо; А - жидкая фаза; Б - паровая фаза

однофазной газовой среде. Уплотнения паровой фазы более просты, чем двойные, и не загрязняют рабочую жидкость затворной жидкостью. Фирма «Флексибокс» применяет уплотнения паровой фазы для жидкостей с температурой кипения Гк до 55 °С (при давлении на входе в уплотнение), при температуре жидкости Tj = -75... -1-55°С с давлением 0,35-5Д5 МПа. Для обогрева уплотнений используют водяной пар с температурой -I-145... 160 °С при давлении 0,35 - 0,53 МПа. Циркуляция жидкости через уплотнительный узел недопустима.

9.9. Уплотнения для криогенных сред

Герметизация криогенных жидкостей (ниже 120 К) является одной из сложных проблем уплотнительной техники, обусловленных трудностью выбора материалов, совместимых с низкотемпературной средой; возможностью намерзания атмосферной влаги на холодных деталях уплотнения (нарушением их подвижности); кипением криогенных жидкостей в зазоре.

Выбор материалюв вторичных уплотнений наиболее сложен, так как большинство эластомеров при низких температурах затвердевают и охрупчи-ваются (подробнее см. подразд. 2.2). Единственно пригодным для вторичных уплотнений материалом в условиях криогенных те.мператур является фторопласт-4. По сравнению с резинами

фторопласты имеют значительно большую жесткость, а по сравнению с металлами - значительно больший тем-пературный-коэффициент линейного расширения, который сильно зависит от температуры.

Наиболее полно требованиям, предъявляемым к вторичным элементам уплотнений для криогенных жидкостей, удовлетворяют -металлические сильфоны. Применяют штампованные и сварные сильфоны, изготовляемые обычно из коррозионно-стойкой стали. В качестве конструкционных материалов при температурах до 13 К используют коррозионно-стойкие хромоникелевые стали (обычно 12Х18Н10Т).

Для низкотемпературных уплотнений применяют коррозионно-стойкие стали и бронзы с покрытием карбидом вольфрама в паре с графитом, пропитанным металлом или фторопластом. Долговечность контактных торцовых угшот-цений обычно не превышает нескольких сотен часов, однако при больших значениях разности Т-Т и тщательном подборе нагрузки и материалов пары трения долговечность уплотнения может быть значительно выше.

Одна из главных причин отказов низкотемпературных уплотнений связана с намерзанием атмосферной влаги на детали уплотнения. Слой наледи ухудшает подвижность элементов уплотнения, нарушает их «слежение» за биениями и ограничивает перемещения, компенсирующие износ уплотнительных колец. В результате этого возникают повышенные утечки. Причину указанных неисправностей установить трудно, так как при отогреве уплотнения, необходимом для определения причин отказа, дефект исчезает.

Обмерзание часто происходит во время остановки машины, когда на детали уплотнения перестает действовать теплота, выделяемая электродвигателем, подшипниковыми и другими узлами. Обмерзание уплотнения возможно также вследствие охлаждения его парами утечек повышенной интенсивности.



Сухой


1 гз А

4 5 6

ис. 9.52. Насос для перекачивания криогенных жидкостей с контактным торцовым уплотнением:

; - рабочее колесо; 2 - вращающееся уплотни-тельное кольцо; 3 - иевращающееся уплотиитель-ное кольцо; 4 - металлический сильфон

Для устранения обмерзания одинарные торцовые уплотнения со стороны атмосферы промывают или обдувают защитными средами: незамерзающими жидкостями или газами (чаще всего сухим воздухом или азотом). Подачу защитной среды в уплотнение необходимо начинать во время стоянки машины перед заполнением ее низкотемпературной жидкостью. Защитную среду подают в уплотнение во время перерывов в работе машины, при ее отогреве и в период эксплуатации.

Конструкция контактного торцового уплотнения насоса, предназначенного для перекачивания криогенных жидкостей, показана на рис. 9.52. Вращающееся кольцо этого уплотнения 2 жестко связано с валом, иевращающееся кольцо 3 установлено в корпусе. Подвижность кольца 3 обеспечивается металлическим сильфоном 4, выполняющим также функцию вторичного уплотнения. Охлаждение пары трения осуществляется утечками через заднее щелевое уплотнение рабочего колеса 1. С этой целью вращающаяся втулка щелевого уплотнения выполнена удлиненной. Защита от обледенения обеспечивается обдувом уплотнения сухим газом со стороны атмосферы.

Соединение колец пары трения с вращающимися деталями и сильфоном


Рис. 9.53. Пара трения со свободно установленными уплотнительными кольцами: 1, 6 - металлические детали уплотнения; 2, 5 -обоймы для передачи момента трения; 3, 4 - уплотнительные кольца из антифрикционных материалов

должно быть герметичным. С этой целью уплотнительные кольца запрессовывают или вклеивают в металлические обоймы (в качестве клея применяют шпатлевку ЭП-0020, ГОСТ 10277 - 76). При соединении неметаллических колец пары трения с металлическими деталями с различными температурными коэффициентами линейного расширения при охлаждении возникают температурные деформации, для компенсации которых предусматривают свободную установку колец пары трения (рис. 9.53). В таком соединении плоскостность уплотнительных поверхностей сохраняется при изменении температуры в широком диапазоне и, кроме того, возможна быстрая смена изношенных элементов уплотнения. Для исключения утечки отклонение от плоскостности опорных поверхностей сопрягаемых деталей не должно превышать 0,6 мкм. В центральной части торцов выполняют кольцевые канавки, соединенные с областью низкого давления. Этим создается гидравлическое взаимное прижатие опорных поверхностей. Для обеспечения герметичности соединения контактное давление должно превышать давление перед уплотнением.

Проблема парообразования в уплотнениях для криогенных жидкостей наиболее серьезна, так как в большинстве практических случаев температура этих жидкостей близка к температуре кипения и, кроме того, существует постоянный приток теплоты к уплотни-тельному узлу из окружающей среды. Повышенное испарение в уплотнитель-

ной паре неблагоприятно сказывается на работе уплотнения не только по причине возникновения трения без смазочного материала, но и вследствие охлаждения и обмерзания уплотнительного узла, вала и шарикоподшипников. Для уменьшения парообразования в низкотемпературных уплотнениях используют те же принципы, что в уплотнениях для кипящих жидкостей. Однако двойные уплотнения, как правило, не используют, поскольку нет затворных жидкостей, не замерзающих при криогенных температурах. Применение уплотнений паровой фазы, выполненных на базе контактных торцовых уплотнений, ограничено вследствие отсутствия у криогенных сред смазочных свойств.


Рис. 9.54. Термогазодинамическое торцовое уплотнение для криогенных сред (а) и вид уплотнительных поверхностей вращающегося (б) и невращающегося (в) колец пары трения:

/ - вал; 2 - металлический сильфон; 3 - корпус; 4 - иевращающееся углеграфитовое кольцо; 5 -вращающееся стальное кольцо

В ряде насосов для криогенных жидкостей с вертикальным валом использованы уплотнения паровой фазы с газовой смазкой [6]. Для газификации жидкости в насосах предусмотрена длинная обогреваемая камера, уплотнение устанавливают в верхней, наиболее теплой части насосов. В насосах зарубежных фирм применяют уплотнения термогазодинамического типа (рис. 9.54). Особенность конструкции уплотнения - большое число радиально-осевых отверстий на вращающемся металлическом кольце. На невращающемся кольце, изготовленном из графита, выполнены кольцевая канавка и радиальные пазы. При вращении холодный газ циркулирует по пазам и отверстиям (направление циркуляции показано стрелками). В результате металл вращающегося кольца охлаждается вблизи отверстий, а в промежутках между отверстиями нагревается за счет теплоты, выделяемой при трении. Участки кольца между отверстиями расширяются, и его поверхность в результате температурной деформации принимает волнистую форму. На сходящихся участках уплотнительного зазора создаются газодинамические


Рис. 9.55. Газостатическое торцовое уплотнение:

i - вал; 2 - вращающееся уплотиительиое кольцо; 3 - иевращающееся кольцо с пористым дросселем; 4 - металлический сильфон; 5 - корпус уплотнения



клинья, обеспечивающие смазывание пары трения. Долговечность такого уплотнения сравнительно велика, а некоторые утечки газа вполне допустимы.

Уплотнение газостатического типа (рис. 9.55), применяемое в насосах для криогенных жидкостей отечественного производства, работает в режиме газовой (газостатической) смазки. Для создания газовой смазки используют газостатические силы, возникающие при подводе к паре трения паров перекачиваемой насосом жидкости под давлением. Роль дросселя выполняет кольцо из пористого графита 2П-1000. Во втором кольце уплотнительной пары применен силицированный графит СГ-Т. Такая пара трения имеет хорошие антифрикционные характеристики, что исключает задиры уплотнительных поверхностей при запусках уплотнения «всухую» без давления. В конструкции, показанной на рис. 9.55, давление подводится к паре трения со стороны внутреннего диаметра. Этим достигается большая газостатическая жесткость, чем в схеме с подводом давления со стороны наружного диаметра уплотнительной пары. В конструкции уплотнения имеется встроенный теплообменник, предназначенный для испарения жидкости и подогрева паров. В теплообменник подается сухой теплый газ, который далее может использоваться для обдува уплотнительных колец. Уплотнение применяют для кислорода, азота и аргона при давлении 0,05...0,6 МПа. Его долговечность определяется главным образом долговечностью сильфона и составляет тысячи часов.

9.10. Технология изготовления, требования к монтажу

Обработка колец пар трения. Кольца пар трения из углеродных материалов (за исключением СГ-П и СГ-Т) изготовляют обработкой лезвийным инструментом на токарно-винторезных станках (обязателен отсос пыли из зоны резания). Обработку выполняют резцами с пластинами из твердого сплава ВК8

(ГОСТ 3882 - 74) со следующей геометрией режущей части: передний угол 7=10°; задний угол а = 8...10°; главный угол в плане ф = 45...60°; радиус при вершине г = 1,0...1,5 мм [28]. Режим резания: скорость у = 1,5... 1,83 м/с; подача на оборот So = 0,1...0,15 мм; глубина резания f = 2...5 мм.

Кольца пар трения из силицированных графитов СГ-П и СГ-Т обрабатывают шлифованием на универсально-шлифовальных станках. Шлифование производят алмазными кругами марки АСР зернистостью 100/63 в следующих режимах: f = 30 м/с; So = 0,05... ...0,1 мм; t = 0,15...0,3 мм [28]. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости применяют эмульсию с содержанием соды 2-3% [28].

Кольца пар трения из алюмокарби-докремниевого (силицированного) графита ГАКК 55/40 обрабатывают алмазными резцами (ГОСТ 13288-76 и ГОСТ 13297 - 76) на токарно-винторезных станках. Режим резания: скорость V = 1 м/с; подача So == 0,5 мм; глубина резания t = 1,5 мм.

На кольцах из графита ГАКК 55/40 можно нарезать резьбу. Например, для нарезания резьбы М60 х 1,5 используют пластины из твердого сплава при следующих режимах: частота вращения шпинделя 50-60мин", глубина резания t = 0,25 мм.

Доводка рабо<их поверхностей пар трения. Неплоскостность уплотняющих поверхностей колец не должна превышать 0,6-0,9 мкм при Яа = 0,1 мкм. Для окончательной чистовой обработки рабочих поверхностей применяют доводку. Технологический процесс доводки сводится к сглаживанию неровностей поверхностей с помощью абразивных порошков в присутствии смазочных средств. Смазочная жидкость образует между поверхностями притирочной плиты и кольца слой, насыщаемый абразивным материалом. Толщина слоя не должна превышать размера абразива (иначе производительность доводки низкая), поэтому для доводки приме-

няют невязкие и доступные жидкости, такие, как вода и керосин.

В условиях серийного производства применяют машинную доводку на притирочных станках, при единичном производстве и ремонтных работах применяют рабочую доводку на притирочных плитах.

Для доводки уплотняющих поверхностей колец пар трения могут быть использованы различные абразивные порошки: электрокорунд белый, карборунд (карбид кремния черный), карбид бора, алмаз синтетический.

Наименьшую микротвердость имеют зерна электрокорунда (2-10° Па). Лучшая режущая способность у белого электрокорунда. Доводка с помощью этого материала отличается высокой производительностью и обеспечивает хорошее качество поверхности.

Карборунд имеет высокую твердость, однако его зерна хрупки и непрочны, вследствие чего добиться высокой производительности при работе с этим материалом трудно.

Карбид бора - прочный и твердый (4-10° Па) материал. При доводке с помощью порошков карбида бора достигается высокая производительность, но качество поверхности ниже, чем при доводке электрокорундом, в связи с чем порошки карбида бора рекомендуются в основном для предварительной доводки.

Выбор алмазных порошков с определенным сочетанием твердости и крупности зерен обеспечивает малую шероховатость поверхности и значительно сокращает время доводки. На базе порошков из синтетических алмазов выпускают алмазные пасты (табл. 9.17), применяемые при доводке колец пар трения из твердых материалов.

При выборе материала абразива необходимо, чтобы твердость абразива была выше твердости поверхности притираемого элемента пары трения (Я,/Я,= 1,3... 1,7).

Основная цель предварительной доводки - ликвидировать волнистость об-

Таблица 9.17 Марки алмазных паст по СТ СЭВ 206 - 75

Паста

Размер зерен основной фракции, мкм

Условное название группы

Условная окраска упаковки

АП28 АП20

28-20 20-14

Средняя

Зеленая с полосами:

серой

белой

АП14 АП10 АП7

14-10 10-7 7-5

Мелкая

Голубая с полосами:

черной

серой

белой

АП5 АПЗ АШ

5-3 3-1 1 и менее

Тонкая

Желтая с полосами :

черной

серой

белой

рабатываемой поверхности и довести ее до требуемой плоскостности. Поскольку при этом приходится снимать тонкий слой материала на большей части поверхности обрабатываемого кольца, используют крупнозернистые абразивы, что повышает производительность доводки, однако поверхность, образующаяся в результате этой доводки, более грубая, чем требуется.

Окончательную доводку, направленную на получение необходимой шероховатости поверхности, выполняют мелкозернистым порошком при постепенном уменьшении крупности зерен абразива по мере улучшения качества поверхности притираемой детали.

Контактное давление на притираемую поверхность должно быть 0,03 - 0,06 МПа для предварительной притирки и 0,01 - 0,03 МПа для окончательной доводки. Скорость перемещения детали 0,1-0,5 м/с; повышение скорости и контактного давления нежелательно из-за нагрева детали и ее деформаций.

В качестве основного инструмента при ручной доводке используют чугунные и стеклянные притиры.

Твердость притиров из серого чугуна



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