Xi герметизация (уплотнение) соединений элементов гидросистем


Контактное давление колец



страница7/8
Дата09.08.2019
Размер1.08 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8

Контактное давление колец. С целью снижения контактного давления площадь , на которую действует дав­ление жидкости, прижимающее подвижное кольцо к неподвижному, принимается меньше площади , по которому происходит контакт пары. Правильным подбором отношения , которое называется коэффициентом уравновешивания (обратная ему величина называется степенью разгрузки) уплотнения, можно получить контактное давление колец значительно ниже удельного давления рабочей среды.

При условии контактное давление (без учета разгружаю­щего действия давления жидкости в зазоре между кольцами 2 и 4) равно давлению рабочей среды. Уплотнения этого типа, получившие название неразгруженных, применяются при отно­сительно невысоких давлениях рабочей среды, которые при мине­ральном масле обычно не превышают 15 . Если рабочая среда с низкими смазывающими качествами, то они пригодны для работы при давлениях не выше 6 - 8 .

Надежность работы этих уплотняющих устройств в первую очередь зависит от правильного соотношения величины контакт­ной поверхности колец и поверхности , на которую действует давление жидкости, нагружающее подвижный элемент (кольцо) 2 уплотнения (см. рис. 393, а), а также частично от усилия пру­жины 1, создающей первоначальное нагружение этого элемента.

Допуская, что непосредственный контакт поверхностей сколь­зящей пары отсутствует и течение жидкости в зазоре подчиняется гидродинамическому закону, условие равновесия осевых сил, приложенных к подвижному в осевом направлении элементу 2, можно выразить уравнением



, (497)

где - среднее давление жидкости в зазоре между прилегаю­щими поверхностями колец;



- перепад давления между давлением уплот­няемой среды и полостью низкого давления; при усло­вии, что полость низкого давления соединена с атмосфе­рой ;

- площадь, на которую действует давление жидкости, прижимающее подвижный в осевом напра­влении элемент (кольцо) 2 пары к неподвижному;

- площадь контакта прилегающих поверх­ностей колец 2 и 4;

- сила трения подвижного кольца 2 в корпусе;

- усилие затяжки пружины 1.

Ввиду того, что в правильно сконструированном уплотнении сумма сил () обычно не превышает 5 - 8% осевого усилия давления жидкости, действующего на подвижный элемент, в рас­чете ею пренебрегаем. При этом допущении уравнение (497) примет вид



(498)

или . (499)

Допуская далее, что распределение давления жидкости в за­зоре в радиальном направлении по ширине уплот­няющей поверхности (пояска) будет линейным, что справедливо при условии параллельности поверхностей, образующих зазор, можно написать

.

В соответствии с этим равновесие сил давления жидкости на уплотнительное кольцо с учетом указанного расклинивающего действия жидкости наступит при линейном распределении давле­ния в зазоре при условии



, (500)

где — коэффициент уравновешивания (разгрузки).

При этом значении коэффициента плотность контакта, тре­буемая для сохранения герметичности, достигается лишь дейст­вием усилия натяжения пружины 1.

Поскольку распределение давления в зазоре по радиусу может быть нелинейным, коэффициент обычно выбирают больше 0,5, так как в противном случае усилие давления жидкости в зазоре может превысить усилие сжатия колец и уплотнение «рас­кроется».

Причиной нарушения линейности распределения давления в зазоре может служить клиновидность зазора в радиальном на­правлении. В зависимости от характера нарушения плоскостности образуется конфузорная или диффузорная щель, в результате нарушается баланс действующих сил, что сопровождается либо «раскрытием» уплотнений, либо излишним трением. Клиновид­ность зазора (масляной пленки) с расширением в сторону вы­сокого давления ухудшает герметичность, в особенности при больших числах оборотов, причем при клиновидности в 3 - 5 обычно наступает отжим подвижного элемента (кольца). Коэф­фициент разгрузки в этом случае должен быть больше 0,5. Клино­видность зазора с расширением в сторону низкого давления улуч­шает герметичность уплотнения, однако сопровождается при том же коэффициенте разгрузки повышением трения и увеличением температуры и износа скользящих поверхностей, поэтому она так же недопустима, как и первая клиновидность.

На основании практических данных для уплотнений с широкой контактной поверхностью при маловязких маслах можно рекомендовать следующие значения коэффициента уравно­вешивания: для давлений рабочей среды выше 8 - 10 и более низких давлений . Однако при качественном изготовлении деталей уплотнительного узла этот коэффициент может быть принят равным , причем большее его значение соответствует уплотнениям, предназ­наченным для маловязких масел.

В связи с этим следует указать, что температура в зазоре тор­цового уплотнения не должна превышать температуры интенсив­ностью парообразования (кипения) рабочей жидкости, при которой нарушается (ухудшается) смазка скользящей пары и снижается подъемная сила смазочного слоя. Кроме того, следует иметь в виду, что температура в стыковом зазоре вдоль радиуса по ширине уплотняющего кольца может изменяться, повышаясь от периферии к центру; разность температур может достигать . Последнее обусловлено лучшим отводом тепла от внешних стенок кольца.

Предел уравновешивания действующих сил без нарушения герметичности зависит от многих факторов, в том числе и от ка­чества рабочей жидкости, вязкость которой оказывает некоторое влияние на распределение давления в зазоре между поверхно­стями колец (с увеличением вязкости среднее давление в зазоре несколько уменьшается), поэтому коэффициент для жидкостей большой вязкости может быть уменьшен. Так, например, по дан­ным зарубежной литературы качественно изготовленное уплот­нение надежно работает в машинных маслах при .

При оценке несущей (подъемной) способности масляного гра­ничного слоя следует также учитывать, что контактные поверх­ности представляют собой поверхности с большим или меньшим числом микровыступов, по которым происходит контакт колец и которые чередуются с выступами впадин, заполненных жидкостью. Эти впадины при относительном скольжении контактных поверх­ностей создают гидравлические микроклинья, способствующие разделению скользящих поверхностей колец жидкостным слоем.

На основании экспериментальных данных ряда исследовате­лей можно считать, что для рабочих жидкостей гидросистем минимальная толщина масляного слоя, при которой обеспечи­вается жидкостное трение в скользящей паре торцового уплотне­ния, составляет 0,75 - 1 . В общем случае эта толщина должна быть соизмеримой с максимальной высотой микронеровностей для принятого класса чистоты обработки поверхностей уплотнительных колец. По данным других исследователей толщина пленки в уплотнениях разгруженного типа (см. рис. 393, а) колеблется в зависимости от ширины контактного пояска, коэффициента разгрузки , перепада давления и числа оборотов вала в пре­делах от 0,75 до 2 , причем толщина пленки, как правило, умень­шается с увеличением , и и понижением .

Однако при малом значении коэффициента () толщина пленки с повышением давления жидкости увеличивается, что обусловлено расклини-вающим эффектом давления жидкости в сты­ковом зазоре.

С целью повышения числа оборотов применяют уплотнение со свободно плавающим кольцом, помещенным между рассмотренной парой колец, благодаря чему снижается относительная скорость скользящих поверхностей (рис. 394). Плавающее кольцо обычно изготовляется из графита или пластмассы.



Рис. 394. Торцовое уплотнение со свободно плавающим графитным кольцом


Надежность уплотнения значительно зависит от ширины кон­тактного пояска колец, причем с уменьшением ширины пояска (см. рис. 393, а) уменьшается толщина масляной пленки, момент трения и температура в месте контакта. Кроме того, с уменьше­нием ширины пояска упрощаются также вопросы обеспечения требуемой точности и чистоты обработки трущихся поверхностей, а также улучшается их смазка.

При увеличении ширины контактной поверхности ухудшаются условия отвода тепла, что приводит к повышению температуры в масляной пленке и соответствен­но к изменению свойств смазки и возможности ее испарения.

В практике ширину пояска для диаметра кольца до 60 - 80 обычно принимают равной 3 ; при диаметрах 80 - 100 эту ширину доводят до 5 - 6 . При малых диаметрах уплотнительных колец ширина пояска сос­тавляет 1,5 - 2 . Минимальная ширина пояска определяется условием преодоления сил трения кольца. Принято также ширину выбирать равной , где — диаметр кольца.

Ширина кольца из мягкого материала выбирается меньше пар­ного кольца из твердого материала с целью устранения врезания более узкого кольца в широкое, которое препятствовало бы сво­боде относительных перемещений колец в радиальном направлении.



Точность изготовления и чистота обработки деталей. Надежность и герметичность торцовых уплотнений, зависит от точности изго­товления и качества обработки скользящих поверхностей. Наиболее важное значение, и в особенности при высоких скоростях сколь­жения, имеет соблюдение перпендикулярности этих поверхно­стей к оси вращения вала. Величина допустимого торцового биения зависит от скорости, что обусловлено, тем, что если при малых оборотах подвижное в осевом направлении кольцо может полностью или частично компенсировать некоторые, нарушения перпендикулярности поверхностей контакта к оси вращения, то при больших числах оборотов эта компенсация станет невозмож­ной в силу действия сил инерции, в результате кольца потеряют вследствие образовавшегося клиновидного зазора плотность кон­такта, т. е. при некотором значении торцового биения ориенти­рующееся кольцо будет как бы «подпрыгивать», сохраняя контакт с опорным кольцом не по всей поверхности, а лишь в одной точке. При некоторых же условиях это кольцо может вступить в резуль­тате колебательных движений, обусловленных торцовым биением, в резонансные колебания с амплитудой, превышающей величину торцового биения, вследствие чего герметичность будет по­теряна.

Кроме того, в колеблющийся торцовый зазор между коль­цами смогут попадать частицы твердого загрязнителя, что вызовет износ рабочих поверхностей колец.

Следует также отметить, что при искажении плоскостности и при перекосах поверхностей колец распределение давления в зазоре будет вследствие гидродинамического эффекта асимметрич­ным, причем в одних местах оно может быть ниже, а в других выше давления уплотняемой среды. В первом случае жидкость затекает в зазор и во втором вытекает из него, причем, если эти расходы не соответствуют друг другу, возможен разрыв пленки, сопрово­ждающийся эффектом кавитации и осевыми вибрациями подвиж­ного кольца.

Допустимые торцовые биения для колец диаметром 50 при­ведены ниже:

Число оборотов в минуту До 6000 6000—10 000 10000—20 000

Максимальное торцовое биение в 0,0180—0,0125 0,0125—0,0100 0,0100-0,0075

В ряде руководств приняты менее жесткие требования по тор­цовому биению, выполнение которых обеспечивает, при всех прочих благоприятных условиях, удовлетворительную работу уплотнения. Так, например, перпендикулярность герметизирую­щей плоскости к оси вала при окружных скоростях ~40 рекомендуется выдерживать в пределах 0,01 на радиусе 25 . Максимальное торцовое биение, по зарубежным данным, для уплотнительных колец диаметром 50 при числе оборотов до 6000 в ми­нуту не должно превышать 0,018 .

Большое влияние на герметичность уплотнения оказывает плоскостность контактирующих (рабочих) поверхностей колец, нарушение которой не должно превышать 1 .

Ухудшение герметичности наблюдается также при волнистости рабочих поверхностей колец, что обусловлено утолщением мас­ляной пленки, происходящим с возрастанием скорости относи­тельного скольжения (вращения кольца); при известном значении волнистости грузоподъемность масляного слоя с повышением скорости так сильно возрастает, что может привести вследствие утолщения масляной пленки к потере герметичности.

Допуски на торцовое биение и параллельность рабочих по­верхностей частично могут быть снижены при применении уплотнительных колец со сферическими (см, рис, 393, е) контактными поверхностями.



Рис. 395. Схема торцового уплотнения для высоких давлений


Нарушение плоскостности рабочих поверхностей колец может произойти также в эксплуатации и в особенности при работе в условиях высоких давлений (200 и выше). Искажения плоскостности и формы кольца при этих давлениях уплотняемой среды происходят в результате упругих его деформаций, при которых возникают конусность, волнистость и прочие дефекты рабочей поверхности, что неизбежно сопровождается наруше­нием плотности контакта. Эти искажения усугубляются тепловыми деформациями, вызываемыми неравномерным нагревом колец.

Поэтому кольца, применяющиеся в условиях низких давлений (см. рис. 393, а), оказались не пригодными для работы при высоких давлениях.

Опыт показывает, что наиболее полно удовлетворяет условиям работы при высо­ких давлениях (100 и выше) кольцо с симметричным относительно оси сечения стенки профилем (рис. 395), при котором возможность искажения плоскостности рабочей поверхности под действием сил давления жидкости и температуры сведе­на к минимуму.

Чистота обработки рабочих поверхно­стей и применяемые материалы. Опыты показывают, что наиболее рациональной является чистота обработки рабочих по­верхностей уплотнительных колец, кото­рая соответствует . Уместно отметить, что этим требованиям удовлетворяет чи­стота, приобретаемая рабочими поверхно­стями при износе в практических условиях. Повышение чистоты обработки поверхностей выше при­водит к повышению трения и температуры поверхностей скольже­ния. Герметичность при подобном повышении чистоты обработки практически не улучшается.

Качество уплотнений зависит в значительной мере от правиль­ного выбора материала контактирующих колец. В общем случае для деталей торцового уплотнения можно использовать материалы, применяемые в подшипниках скольжения. Широко применяется пара из бронзового или чугунного уплотнительного кольца со стальным цементованным опорным кольцом (буксой). Чугун более пригоден для работы с маловязкими маслами, керосином и бензи­ном; при вязких маслах лучше использовать бронзовые кольца. Для масляной рабочей среды наилучшей парой являются кольца из графита и высококачественного чугуна.

Применяют кольца с покрытиями герметизирующих поверх­ностей угольно-графитовыми, графито-металлическими и керами­ческими материалами, а также кольца из политетрафторэтиленовых пластмасс с наполнителем (уголь или стекловолокно). Угольно-графитовый материал стоек при температурах до . Уплот­нения из этого материала пригодны для работы при окруж­ных скоростях до 60 и контактных давлениях до 30 . Для увеличения теплопроводности, прочности и износостойкости графитовый материал пропитывают баббитом, кадмием, медью, медными сплавами, бронзой, свинцом и серебром.

Хорошие результаты получены при работе уплотнений из гра­фитовых материалов типа АГ-583-600, АО-СО, 45-1500. Для изго­товления из этого материала колец могут быть использованы ма­териалы угольных щеток электромашин в паре с инструменталь­ными, нержавеющими и легированными сталями, а также стелли­том и карбидом вольфрама.

В качестве материала для изготовления деталей скользящей пары применяется также графит марки СО-5 в паре со сталью 25ХМЮА, закаленной до 40 - 45 HRC.

В масляной среде в паре с деталями из антифрикционного чугуна часто применяют также кольца из твердого синтетиче­ского каучука, пластмассы и прессованной древесины, тканей, пропитанных резиной и графитом керамических сплавов. Так, например, хорошие результаты показали уплотнительные кольца из текстолита марки ПТК в сочетании со стальной закаленной буксой, а также кольца из металла и пластмассы, напыленной на одну из рабочих поверхностей пары. Для напыления применяют в основном порошки полиамидов или фторопласта-4. Для обеспече­ния отвода тепла толщина напыленного слоя не должна превышать 0,8 - 1 .

Применяют также уплотнительные кольца из фторопласта и текстолитовых материалов, трение которых ниже на 25% по срав­нению с трением металлических материалов (бронзы и др.). Уплот­нение вращающегося действия из текстолита можно использовать при скорости до 30 и удельном давлении 100 . Опыт показывает, что допустимое контактное давление для фто­ропластовых уплотнений, работающих в минеральном масле, не должно превышать 15 ; для жидкостей с низкими смазывающими свойствами (керосин, бензин и др.) контактное давление выбирают равным 6—8 . Для давлений до 15 – 20 и скоростей скольжения до 10 - 12 при достаточной смазке применяют пары чугун — бронза и закаленная сталь — чугун.

Для работы при высоких температурах и давлениях применяют твердые сплавы типа стеллита или карбида вольфрама в виде по­крытия в паре с металлами, защищенными различными неметалли­ческими покрытиями из керамики, фторопласта, полиамидных смол, углерода и др.

В торцовых уплотнениях применяют также детали с керами­ческими покрытиями (окись алюминия или окись циркония), обладающие высокой стойкостью при высоких температурах. Из керамических материалов этого типа распространен материал на основе окиси алюминия. Керамические кольца обладают хоро­шими показателями по износостойкости и сопротивлению корро­зии.

Высокой износостойкостью в сочетании с другими конструк­ционными материалами обладает карбид вольфрама. Однако при­менение его в условиях широкого температурного диапазона за­труднено значительной разницей в тепловом объемном расширении в сравнении со сталями, поэтому он в основном применяется в виде тонкого покрытия одной из контактных поверхностей уплотнительного узла. В частности торцовое уплотнение кольцами из никелевого сплава и опорной стальной детали, покрытой карбидом вольфрама, применяется для герметизации насосов, предназначен­ных для работы на жидких металлах (эвтектическом сплаве калия и натрия) при и давлении 140 .

При высоких давлениях рабочей среды (400 и больше), а также высоких окружных скоростях (до 46 ) наилучшие показатели имеет пара, состоящая из стали 45 (для изготовления кольца 2) (см. рис. 395) и сплава АВМ-30 на основе вольфрама и меди (кольцо 1).

Химический состав сплава АВМ-30 следующий: 23 - 33% Cu; 1,5% Ni; 0,15% C; N - основа, 60 - 100 HRC.





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