Xi герметизация (уплотнение) соединений элементов гидросистем


Ширина уплотняющей кромки резиновой манжеты



страница6/8
Дата09.08.2019
Размер1.08 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8

Ширина уплотняющей кромки резиновой манжеты. При уста­новке манжеты на вал контактирующая ее часть деформируется под действием усилия прижима, в результате чего образуется небольшая цилиндрическая поверхность (полоска) скольжения шириной в несколько десятых долей миллиметра, которая и соз­дает уплотнительный контакт (см. рис. 386, а).

Так как сила трения и выделяющееся при этом тепло зависят в значительной степени от площади контакта манжеты с валом, ширина поверхности этого контакта в уплотнениях, изготовлен­ных из синтетической резины, должна быть минимальных размеров.

С уменьшением ширины контакта повышается также герме­тичность уплотнения, что обусловлено возрастанием при этом заостренности эпюры напряжений, действующих по ширине по­лоски контакта.

Подобные уплотнения с узкой контактной поверхностью со­храняют хорошую герметичность, а также обладают малым трением, однако не допускают перегрузки.



Окружная скорость и температура на поверхности вала. Наи­более важными факторами, влияющими на работу рассматривае­мого уплотнения и определяющими его долговечность, являются окружная скорость и связанная с ней температура, развивающаяся на поверхности трения.

Например, уплотнения из резины обеспечивают при несколько тысяч часов работы, тогда как при срок их службы ограничивается несколькими десятками часов.

Кожаные манжеты можно применять для окружных скоростей вала до 10 и температуры на поверхности трения до , причем для окружных скоростей до 4 и температур до можно применять кожу дубового дубления; при более высо­ких скоростях и температурах следует применять кожу хромового дубления, которая пригодна для работы при температурах до .

Уплотнения из синтетических резин можно применять при окружных скоростях на поверхности трения до 20 , а в от­дельных случаях и до 25 . В зависимости от сорта резины они могут быть пригодны для работы при температуре на поверхности трения выше . Так, например, манжеты из силиконовой резины применяются при скорости 25 и .

Применять высокие скорости без крайней необходимости не ре­комендуется, так как это снижает надежность уплотнения. Обычно уплотнения из пербунана при длительной эксплуатации в машин­ных маслах и окружных скоростях уплотняемого вала до 12 применяются при температурах не выше , причем такая скорость может быть допущена лишь в случае больших диаметров вала ( ). При малых диаметрах вала окружные скорости должны быть уменьшены; при диаметре вала ~10 окружные скорости не должны превышать 4 . При отсутствии избыточ­ного давления допускаются скорости до 15 .

Зависимость допустимой скорости от диаметра вала обуслов­лена в основном тем, что с уменьшением диаметра вала ухуд­шается отвод тепла от мест его образования. Кроме того, малым диаметрам соответствует более высокая, при тех же окружных скоростях, частота деформаций манжеты, обусловленная биением вала, в результате чего при высоких скоростях может быть на­рушена восстанавливаемость формы манжеты. По этой причине на многих предприятиях окружные скорости при диаметре вала до 50 и давлении 1 - 2 ограничены величиной 4 .

Ввиду того, что надежность уплотнения зависит от окружной скорости и температуры на поверхности вала, повышение одного из этих параметров против номинального значения необходимо соответственно компенсировать уменьшением величины другого параметра.

Поскольку работа трения, нагрев и износ уплотнений валов пропорциональны окружной скорости, необходимо распола­гать уплотнение на частях вала с минимальным диаметром.

Износ уплотнительного узла можно уменьшить применением манжет, уплотняющая кромка которых лежит в плоскости, распо­ложенной под углом () к плоскости, перпендикулярной к оси вала (рис. 387, б).

Качество рабочих поверхностей. Повышение чистоты обра­ботки вала уменьшает износ уплотнительной манжеты.

При увеличении средней высоты неровностей потери на трение возрастают, причем тем интенсивнее, чем выше рабочее давление. Испытания показали, что с увеличением шероховатости (неровно­стей) поверхности вала с 0,1 до 2 коэффициент трения уплот­нительной манжеты увеличивается на 30%.

Для надежной работы манжетных уплотнений рабочая поверх­ность шейки вала, контактирующая с манжетой, должна иметь чистоту обработки не ниже для валов с окружной скоростью меньше 4 и — для валов с окружной скоростью больше 4 . В ответственных гидроагрегатах, и в особенности в агрегатах, предназначенных для работы при высоких температу­рах, участок поверхности вала, контактирующий с манжетой, должен быть обработан с чистотой .

Немаловажным фактором в обеспечении надежности и срока службы уплотнения является технология обработки поверхностей уплотняющей пары. Опыт показывает, что применение для окон­чательной доводки поверхностей абразивных веществ нежела­тельно, так как абразив внедряется в микропоры поверхностей и служит впоследствии причиной их износа.



Твердость поверхности вала и точность обработки деталей. Выход из строя уплотнений в основном (более 50% всех случаев) происходит в результате износа поверхности вала в месте контак­та его шейки с манжетой, причем, как показали опыты, при по­вышении твердости вала его износостойкость повышается незна­чительно. Более того, распространено мнение, что при средней твердости (40 HRC) интенсивность износа вала с повышением его твердости увеличивается. Так, например, износ закаленного вала при уплотнениях из неплотного материала (фетровых и войлоч­ных) выше, чем из сырого вала при этих же уплотнениях. Бесспор­ным исключением из этого является повышение поверхностной твердости путем хромового покрытия (твердость по Бринелю 1000 единиц, чистота обработки ), при котором сопротивление износу увеличивается по сравнению с нехромированными валами в 5 - 6 раз.

Несмотря на указанную противоречивость в оценке влияния твердости вала на износ, практика показывает, что чрезмерное повышение твердости вала при работе с резиновыми уплотнительными кольцами в большинстве случаев нецелесообразно. Обычно эту твердость выбирают не менее 58 - 62 HRC.

Работоспособность манжет значительно повышается при по­крытии серебром втулок в местах контакта их с резиной. Поло­жительное влияние этого покрытия в основном обусловлено высо­кой теплопроводностью этого материала, а также благодаря удер­жанию смазки.

Однако серебряное покрытие может расслаиваться, в резуль­тате чешуйки серебра вызовут разрушение эластомерного уплот­нения.

Учитывая, что уплотнительный узел выходит из строя в боль­шинстве случаев вследствие износа вала, на последний и в особен­ности, когда манжетное уплотнение работает по шейке сложной или дорогой детали, целесообразно устанавливать сменную втулку из твердого материала, которую при износе можно было бы легко заме­нить (рис. 388, а).

Рис. 388. Установка на вал втулки из твердого металла (а) и применение шайбы, поддерживающей шейку манжеты (б)


Заслуживает внимания метод окончательной обработки поверхно­сти вала под резиновое уплотнение с помощью обдува стеклянными ша­риками диаметром ~0,05 , пода­ваемыми в струе жидкости. Вал перед этим обрабатывается до максималь­ной чистоты (~ 0,002 ).

При этой обработке на уплотняе­мой поверхности образуются не соединенные между собой микроуглубления, которые удерживают рабочую жидкость и препятствуют выносу ее за уплотнение.

Испытания радиальных манжет при давлении и скорости 400 длительностью 500 показали, что утечка через уплотнения со шлифованной поверхностью вала составляла в среднем ~ 0,13 тогда как в уплотнении с обработкой стек­лянными шариками она составила 0,01 .

Необходимо выдерживать точность изготовления деталей уплотнительного узла. На основании опыта можно рекомендовать допуск на диаметр вала , хотя часто уплотнение полу­чается достаточно эффективным при допуске и выше. Диаметр манжеты должен быть выдержан в пределах 0,5 - 1,0 .

Внутренняя поверхность манжеты должна быть концентрична наружной (посадочной) ее поверхности. Биение наружной поверх­ности, посаженной на оправку, должно быть не более 0,5 . Ман­жета должна быть плотно зажата между корпусом и зажимным (распорным) кольцом уплотнительного элемента. Поворачивание или осевое перемещение ее не допускается.

Герметичность зависит также от деформаций и вибраций по­верхностей сопряжения, наблюдаемых при работе машины. При радиальном биении уплотняемого вала герметичность уплотнения неизбежно нарушается. Это обусловлено тем, что для сохранения плотности контакта манжеты с валом необходимо обеспечить не­прерывное сопряжение кромки манжеты с поверхностью вала при его вращении. Из схемы, показанной на рис. 389, видно, что при эксцентричном расположении оси вращения вала относительно геометрической его оси вал совершает круговращательное движе­ние с амплитудой, равной эксцентрицитету . При этом точки со­прикосновения кромки манжеты с поверхностью вала совершают в результате эксцентричности его оси вращения по овальной тра­ектории. Если кромка манжеты не успевает в результате действия сил инерции и трения, а также недостаточной упругости уплотнительного элемента следовать за поверхностью вала, то между нею и валом образуется зазор , положение которого будет меняться за каждый оборот вала на . Возможность образования такого зазора и его величина определяются эксцентрицитетом и угловой скоростью вала .



Рис. 389. Эксцентричное расположение Рис. 390. График, характеризующий

оси вращения вала относительно геомет- допустимые величины эксцентричности

рической оси его сечения оси вращения и геометрической оси

шейки вала под манжету
Радиальное биение вала может быть также обусловлено его прогибом при вращении и прочими причинами.

Допустимое биение (эксцентрицитет) вала зависит от числа оборотов. На рис. 390 показан график, характеризующий допусти­мые величины эксцентричности, обусловленной смещением оси вращения вала и геометрической оси его шейки под манжету.

Очевидно, при оценке рассматриваемого параметра должны быть учтены также биения вала, обусловленные его прогибом в результате динамического дисбаланса и прочими причинами.

Для обеспечения герметичности действие вибрации (биения) вала должно компенсироваться дополнительным прижимным усилием, развиваемым пружиной. Однако опыт показывает, что при больших значениях и пружина не может обеснечять «слежение» за непрерывным сопряжением манжеты с валом. Так, например, при эксцентрицитете, равном , и числе оборотов вала выше 2500 в минуту применение браслетных пружин обычно не дает положительного эффекта и герметичность уплотнения нару­шается.

В том случае, когда избежать биения вала невозможно, следует компенсировать отрицательное его влияние на герметичность соответствующим уменьшением окружной скорости, а также повы­шением чистоты поверхности. Практически допускаемое радиальное биение шейки вала (диаметр 10 - 20 ) под уплотнительным коль­цом должно быть при окружной скорости до 2 не более 0,2 мм, при окружной скорости 2 - 4 — не более 0,1 и свыше 4 — не более 0,06 .

При выборе допустимого биения следует также учитывать число оборотов вала; как правило, для высоких чисел оборотов, порядка 2000 и выше, биение должно быть не более 0,08 - 0,1 ; при меньших числах оборотов допускается биение до 0,1 - 0,15 . Предельным эксцентрицитетом для 2500 - 4000 можно считать .

Частота колебаний (биений) вала может совпадать при опреде­ленных скоростях его вращения с собственной частотой коле­бания кромки манжеты, что сопровождается возникновением ре­зонансных ее колебаний, приводящих к быстрому износу уплот­нения. Эти колебания кромки могут быть вызваны также трением (прилипанием) кромки по валу. При работе манжеты по шейке вала с более грубой обработкой (шероховатость 0,25 ) кромки ман­жеты обычно не вибрируют.

На работу уплотнительного узла также влияет, но в меньшей степени, чем радиальное биение вала, несоосность прочих сопря­женных деталей. В частности для обеспечения равномерного при­легания манжеты к валу посадочный диаметр колодца под уплот­нение должен быть концентричным оси вращения вала или в слу­чае вращения самого уплотнения его ось вращения должна быть концентрична оси шейки, по которой работает уплотнение. Допу­стимые отклонения не должны превышать 0,2 при числе оборо­тов ниже 2000 в минуту и 0,1 при 2000 в минуту и выше.



Давление жидкости. Ввиду того, что давление жидкости допол­нительно нагружает кромку манжеты, рассматриваемые уплотне­ния обычно применяются при давлениях до 2 и лишь в от­дельных случаях при более высоких давлениях. Если давление выше 1 - 1,5 , окружная скорость вала должна быть меньше 6 - 5 , а температура на поверхности контакта не выше ; при этом радиальное биение вала не должно превышать 0,05 , чистота обработки его рабочей поверхности должна быть не ниже (соответствует 0,5 - 0,6 средней высоты неровностей). При давлениях выше 5 - 7 скорости вращения должны быть понижены, а чистота поверхности соответствовать .

При выборе скорости вала и давления жидкости можно исхо­дить из установленной практической зависимости, согласно которой допускаемая для манжетных уплотнений величина произ­ведения скорости вращения на давление уплотняемой среды яв­ляется постоянным параметром для вала данного диаметра.

Допустимое давление жидкости лимитируется также жест­костью шейки манжеты (см. рис. 386, а), которая под действием давления прогибается и в результате поверхность контакта манжеты с валом увеличивается вплоть до ка­сания его прогнутой ее наружной частью.

Для уменьшения нагрузки на кромку манжеты, обусловленной давлением жидко­сти, при давлениях выше 2 под шейку манжеты устанавливают опорную конусную шайбу (см. рис. 388, б), с помощью кото­рой уплотнительная кромка манжеты раз­гружается от сил давления жидкости. Рабо­чее давление жидкости в этом случае может быть повышено до 10 , а в отдельных случаях до 40 - 50 .



Срок службы. Манжетные уплотнения ва­ликов насосов, в особенности насосов, рабо­тающих в пыльных условиях, приходится заменять практически через каждые 800 работы.

Однако срок службу уплотнений из резины при условии ра­боты вне пыльных условий и если температура в месте контакта манжеты с валом не превышает над температурой окружаю­щей среды, может составлять 1500 и выше. Стендовые испытания рассматриваемых уплотнений из кожи и резины длительностью ~300 ч, проведенные при окружной скорости рабочей части вала ~6,5 , перепаде Давления 100 и температуре ее , показали, что утачка масла не превышала 0,05 .



Герметизация с помощью колец круглого сечения. Для уплотнения вращательных соединений применяются также резиновые кольца круглого сечения. Однако опыт показывает, что при уста­новке этих колец по обычной схеме (под прямым углом к оси вра­щения вала) они могут применяться лишь при небольших окруж­ных скоростях (до 0,5 ) и небольшом радиальном сжатии кольца [см. выражение (493)], которое в этом случае не долито быть более 5—6% от поперечного его сечения.

При более высоких значениях этих параметров на контактной поверхности развиваются высокие температуры, вызывающие старение резины и быстрый выход уплотнения из строя.

Снизить трение и облегчить условия работы можно установ­кой колец под некоторым углом (рис. 391) к плоскости, перпен­дикулярной к оси вала, в результате чего значительно улучшаются смазка скользящих поверхностей и условия отвода от них тепла. Смазка в этом случае поступает в зону контакта принудительно и при каждом обороте вала обновляется, вследствие чего снижа­ются при всех прочих равных условиях трение и температура в зоне контакта. Испытания показали, что при установке кольца ( ) под углом коэффициент трения снижается при­мерно в 2 раза по сравнению с обычной установкой кольца в плоскости, перпендикулярной к оси вала. Кроме того, при наклонном расположении кольца зона трения не ограничена узкой полоской контакта, как при , в ре­зультате кольцо охватывает более широкий участок поверхности вра­щающегося вала, благодаря чему значительно улучшается отвод тепла от поверхности трения.

Рис. 391. Схема установки уплотнительного кольца под углом к плоскости, перпендикулярной к оси вала


Кольца круглого сечения допус­кают более высокие, чем манжетные уплотнения, давления жидкости, а также допускают применение од­ного кольца при изменении направ­ления действия жидкости. Эти кольца пригодны для работы (при окружной скорости 0,1 - 0,15 ) при давлении до 100 .

Потери на трение и соответст­венно температура рабочей кромки кольца уменьшаются с увеличением угла его наклона, снижение при увеличении угла тре­ния и механических потерь анергии обусловлено улучшением условий смазки. На рис. 392 представлены кривые перепада тем­пературы в зоне контакта кольца с валом и масла в корпусе в за­висимости от окружной скорости вала и угла наклона кольца.



Рис. 392. Зависимость перепада температуры в уплотнительном узле от окружной скорости вала


Повышение угла кольца ограничено тем, что при достижении определенной величины наклона ухудшается герметичность уп­лотнения, а также усложняется изготовление уплотнительного узла. Утечка в этом случае появляется, когда линейная величина наклона становится больше ширины полоски контакта кольца с валом:

,

где — диаметр вала.

Эта утечка обусловлена переносом уплотняемой поверхности вала жидкости в виде тонкой пленки, которая, снимаясь (сгребаясь) уплотнительным кольцом на стороне низкого давления, образует с течением времени «утечку».

Ввиду этого значение угла а для валов ( ) насосов рекомендуется выбирать равным . Перепад температур на кромке уплотнительного кольца и жидкости можно принимать при расчетах колец (установленных под этим углом) равным (см. рис. 392).

Рассматриваемые кольца рекомендуется применять при окруж­ных скоростях вала до 2,5 и давлениях жидкости до 5 . При этом радиальное сжатие колец должно составлять 9 - 11%. При окружной скорости 0,5 давление может быть повышено до 50 .

Согласно иностранным данным эти кольца применяются в на­сосах при числах оборотов уплотняемого вала до 9000 в минуту.

Размеры уплотнительного кольца и канавки для размещения последнего должны быть подобраны такими, чтобы была устра­нена возможность проворачивания кольца в канавке относительно оси вала, для чего момент силы трения кольца в канавке должен превышать момент силы трения его по вращающемуся валу. Размеры кольца и вала обычно подбираются так, чтобы кольцо надевалось на вал без растяжения, т. е. внутренний диаметр коль­ца должен быть равен или несколько больше диаметра вала. Наружный же диаметр кольца в свободном состоянии должен быть на 5 - 8% больше диаметра донышка канавки. При таких со­отношениях размеров, обусловливающих деформацию кольца без растяжения, контакт его с валом определится только окружным и поперечным сжатием кольца.

При окружном сжатии кольца улучшается также его контакт с валом и изменяется форма поперечного сечения, которая при­ближается к овальной, благодаря чему увеличивается ширина полоски, по которой кольцо контактирует с валом.

Чистота обработки поверхности вала должна быть не ниже ; овальность вала не более 0,01 ; радиальное биение вала не более 0,05 и осевое биение не более 0,3 - 0,5 .

Рассматриваемые кольца обеспечивают высокую (практически полную) герметичность уплотнения и длительный срок службы. Герметичность уплотнения за время испытаний колец [размер ко­лец ; угол наклона ; радиальное сжатие ; окружная скорость вала 2 ; жидкость АМГ-10; давление 5 ; температура жидкости ] длитель­ностью 600 почти не нарушилась (утечка жидкости не превышала 0,2 ).

УПЛОТНЕНИЯ ТОРЦОВОГО ТИПА

При повышенных требованиях к уплотнениям вращательных соединений в части пригодности их для работы при высоких давлениях и оборотах вала в сочетании с высокими температурами применяют уплотнения торцового типа (рис. 393, а), в которых движущаяся уплотняющая поверхность контактирует с внешней поверхностью вала в плоскости, перпендикулярной к оси вала. Эти уплотнения отличаются простотой — уплотняющие поверх­ности торцового уплотнения имеют самую простую геометриче­скую форму — плоскость. Уплотнения торцового типа обеспечи­вают высокую, практически полную герметичность и долговечны, а также обладают относительно малыми потерями мощности на трение, которые составляют 0,2—0,5 потерь мощности в манжетных уплотнениях; при соответствующем подборе материалов скользящей пары подобные уплотнения длительное время могут работать без смазки, а также в любых рабочих средах. Уплотнения можно приме­нять при окружных скоростях уплотняемого узла до 60 (соот­ветствует 15 000 ) и давлениях среды до 400 . Предель­ные скорости скольжения в основном ограничены воздействием развивающихся при этом температур на неметаллические уплотнительные элементы не вращающегося кольца. При применении в качестве уплотнительного соединения металлических сильфонов скорости скольжения могут быть повышены, согласно зарубежным литературным данным, до 100 . Температурный диапазон для этого уплотнения составляет в зависимости от применяемых мате­риалов и жидкостей от до и выше. По данным за­рубежной печати эти уплотнения работают в гидросистемах управляемых снарядов при .



Рис. 393. Схемы элементов торцового уплотнения


На рис. 393, а показана схема типового торцового уплотнения, которое состоит из нагруженного пружиной 1 уплотнительного кольца 2, изготовленного из мягкого антифрикционного материала, и контактирующего с ним по торцу металлического опорного кольца (буксы) 4 с высокой твердостью. Уплотнительное кольцо крепится либо к вращающемуся валу, либо соединяется с непод­вижным корпусом, а опорное в первом случае крепится в корпусе и во втором — на вращающемся валу. При этом одно из колец должно иметь свободу перемещения вдоль оси, благодаря которой оно с помощью пружины 1 может быть прижато ко второму кольцу. Пружина создает предварительное контактное давление на поверх­ностях колец, достаточное для предотвращения утечек жидкости при нулевом или близких к нему давлениях рабочей среды. По мере увеличения давления к усилию пружины 1 добавляется уси­лие неуравновешенного давления жидкости в камере со стороны пружины, вследствие чего контактное давление (удельная нагруз­ка) скользящей пары будет повышаться пропорционально увели­чению этого давления.

Уплотнение подвижного элемента (кольца) по поверхности осевого скольжения осуществляется с помощью круглого ре­зинового кольца 3 (см. рис. 393, а) или иных уплотнительных колец и манжет, а также сильфонов (мембран) (рис. 393, б и в).

Хорошие свойства имеют уплотнения с клиновидным уплотняю­щим элементом 8 из фторопласта (рис. 393„г), нагруженным пружи­нами 9, усилием которых обеспечивается требуемая плотность контакта между конусной втулкой и валом, а также конусной по­верхностью этой втулки и уплотнительным кольцом 7.

Для герметизации крышки этого уплотнения применяют коль­ца (сальники) 5. В промежуточную камеру 6 подводится жидкость, которая служит разобщающим затвором, а также охлаждает тру­щийся узел. При работе со средой с плохими смазывающими спо­собностями в камеру 6 подводится смазка.

При высоких температурах и давлениях рабочей среды до 7 - 10 применяют уплотнения с металлическими сильфонами (рис. 393, б и в) и при давлениях до 1 — уплотнения с фторопластовыми и резиновыми сильфонами.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница