Файл: Макаров Г.В. Уплотнительные устройства.pdf

При постоянном коэффициенте трения f

\k\z

D—d

Pz = РзОе

'При z = I и pri '= ар получим

4kfl up n—d

Необходимое усилие поджатия сальника зависит от давления запираемой среды р, отношения , коэффициента радиаль­

ного давления k и коэффициента трения /. По мере обжатия саль­

ника значение k изменяется от 0 до 0,67—1.

Если вполне пластичная набивка плотно уложена в кольцевое пространство, то k ^ 1.

Длину сальниковой набивки принимают в зависимости от запи­ раемого давления и диаметра уплотняемой поверхности. Согласно работам [5, 30], принимают

А = £ = £ = ( 1 , 4 - * - 2 , 5 ) / 3 .

Длина набивки I до (6 -=-10) h. Большие значения h и / принимают для более высокого давления.

Для запирания газа и пара принимают h и / больше, чем для запирания жидкости.

10. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ УПЛОТНЕНИЯ Металлические манжеты

Металлические манжетные уплотнения являются наиболее эффективными для запирания рабочей среды при весьма высоких температурах, например до 1200—1400° С, а также в случаях, связанных с опасностью радиоактивного излучения [93].

Материал манжет должен быть менее твердым, чем материал цилиндра; если, например, манжета выполнена из ковкого чугуна, то цилиндр выполнен из азотированной стали.

31

Необходимая герметичность уплотнения достигается за счет предварительного натяга между манжетой и стенкой цилиндра. Уплотнение выходит из строя при исчезновении натяга вслед­ ствие износа.

Согласно работе [93], металлические манжеты способны вы­ держивать свыше 10 ООО циклов в масле при температуре 260° С,

В)

пропуская при этом утечки масла не более 0,001 дм3 на каждые 1000 циклов.

Разновидности металлических манжет приведены на рис. 15, а. Поджатие манжеты обеспечивается с помощью распорного кольца и давления запираемой жидкости. На рис. 15, б показаны метал­ лические манжеты, выполненные в виде конусов. Конструкции уплотнений, аналогичные манжетам, могут выполняться непосред­ ственно на поршнях, образуя коническую наружную запираемую лопасть (рис. 15, в) [ 6 ] . Надежность герметизации в этом случае ниже, чем в предыдущих.

Сальники с металлическими кольцами

Сальники с металлическими и полуметаллическими набивками применяются для запирания рабочей среды при наличии повышен­ ных давлений и скоростей движения. При этом температура запи­ раемой среды может быть высокой. Такие сальники имеют повы­ шенную долговечность. Они применяются в компрессорах, насо­ сах и т. п. для уплотнения, штоков и плунжеров высокого давле­ ния. Такое уплотнение не обеспечивает полной герметичности.

Согласно исследованиям О. Н. Секуновой [58], сальник с ме­ таллической набивкой (например, с чугунными или бронзовыми кольцами) можно рассматривать как многокамерное щелевое уплотнение, к которому могут быть применены законы течения газа в узких щелях. Величина утечки жидкости зависит от вели­ чины радиального зазора в соединении колец со штоком, давления среды и длины уплотнения. При этом в компрессорах иногда величина утечки" достигает до 6% производительности компрес­ сора [68].

32

Металлические кольца выполняются разрезными или нераз­ резными, плоскими или коническими. Разрезные кольца могут следовать за радиальным смещением оси штока и уплотнять шток при прогибах и износе. Этой же цели служат и применяемые в саль­ никах пружины.

На рис. 16 представлена конструкция сальника с коническими разрезными металлическими кольцами [26]. Такой сальник при­ меняется в компрессорах для давлений до 300 кгс/см2 . Уплотне-

I

ние создают кольца 2 и 3, имеющие по одному радиальному раз­ резу. Эти кольца поджимаются к штоку под воздействием осевого давления рабочей среды через стальные кольца на конические поверхности.

Для самоустановки набивки при перекосах штоков преду­ смотрены упорные шайбы 1.

Пружины создают предварительное поджатие при пуске ма­ шины. Смазка к сальнику подводится через канал.

. Для давлений до 300 кгс/см2 уплотнительные кольца изготав­ ливают из специальных баббитов (#520—25), а для давлений свыше 300 кгс/см2 применяют бронзу Бр.ОС 8-12. Чугунные кольца применяют для давлений до 30—60 кгс/см2 [68]. Рабочие поверхности уплотнительных колец и поверхности других дета­ лей, через соединения которых друг с другом может произойти утечка газа, должны быть пришабрены или притерты.

Число камер увеличивается с ростом давления газа и приме­ няется от 3 до 6.

Ориентировочная долговечность сальников при металлической набивке из баббита составляет 300—400 ч при давлении 500 кгс/см2 для керосиновых триплекс-насосов [77].

11. ГЕРМЕТИЧНОСТЬ КОНТАКТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ПРИ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОМ ДВИЖЕНИИ

Факторы, влияющие на величину утечки жидкости при движении штоков

Величина утечки жидкости через уплотняемое соединение при работе механизма является одной из важнейших характеристик уплотнения.

Для правильного проектирования уплотнительных устройств важно знать влияние отдельных факторов на герметичность соединения. Однако явления, связанные с утечкой жидкости через контактные, уплотнения, очень сложны и теоретически мало изучены.

При отсутствии движения, в состоянии покоя штоков, при положительных и отрицательных температурах все мягкие кон­ тактные уплотнения, как правило, обеспечивают надежное запи­ рание жидкости.

Во время движения все уплотнительные устройства допускают ту или другую утечку. В случае применения резиновых уплотне­ ний при отрицательных температурах (ниже минус 20° С) утечка резко увеличивается, что происходит вследствие затвердевания материала уплотняющих деталей и некоторого уменьшения их раз­ меров.

Для контактных уплотнений, работающих при наличии гра­ ничного трения, утечка при движении штоков происходит за счет заполнения жидкостью мнкронеровностей, получающихся при механической обработке. При недостаточности предварительного поджатая уплотнительного элемента к уплотняемой поверхности возможно также влияние и других отклонений, получающихся при механической обработке: овальности и конусности цилиндров, штоков и поршней.

При полужидкостном трении наряду с касанием отдельных микронеровностей возможно образование элементарных масляных клиньев, способствующих разделению контактирующих рабочихповерхностей.

Как показывают экспериментальные исследования, величина утечки жидкости при работе агрегатов с возвратно-поступатель­ ным движением штоков в основном зависит от величины предвари­ тельного поджатия уплотнительного элемента р 0 при сборке,

отношения давлений — в процессе работы, рабочего давления

Р

жидкости р, вязкости жидкости г], диаметра уплотняемой поверх-

34

ности D, длины уплотнения /, скорости перемещения штоков v, состояния поверхностей и температуры масла в агрегате, т. е.

<2у = - р ( р о . у . Р, D, v, 11, /, t y

Влияние отдельных факторов на величину утечки наиболее четко проявляется при наличии в соединении жидкостного тре­

Первые работы А. И. Петрусевича, А. Н. Грубина, Д . С. Коднира [57, 19, 31 ] и др., положившие начало этой теории, развива­ лись применительно к тяжелонагруженным соединениям: зубча­ тым передачам, подшипникам качения и скольжения. В настоящее время она начинает находить применение и в теории уплотнений, в частности в работах Мюллера [49], Хука [107, 108] и др.

Одним из недостатков современной контактно-гидродинамиче­ ской теории смазки является сложность получаемых- решений, при которых обычно аналитические решения в квадратурах возможны только для изотермических процессов течения жидко­ сти. Однако применительно к уплотнительньш устройствам этот недостаток имеет меньшее значение вследствие сравнительно малого давления запираемой среды.

Определение утечек жидкости в соединениях, герметизуемых с помощью радиально-контактных уплотнений, на основании контактно-гидродинамической теории смазки

Рассмотрим определение расхода (утечки) жидкости при жид­ костном трении применительно к О-образным уплотнительньш кольцам, а затем сделаем выводы в отношении расхода жидкости при применении других уплотнений.

Принимаем следующие допущения:

1.Удельные давления в зоне контакта известны. Благодаря эластичности уплотнений эти давления в каждой точке уравнове­ шиваются гидродинамическим давлением.

2.Величина зазора h при течении жидкости мала по сравне­ нию с предварительнойдеформацией уплотнения при сборке и, следовательно, можно пренебречь изменением предварительного поджатия на запирающих поверхностях уплотнений при течении жидкости в зазоре.

Считаем значения удельных давлений на запирающих поверх­ ностях р'г и градиент известными, а искомой величиной яв­ ляется высота зазора h. Примерная эпюра распределения удель­ ных давлений на запирающих поверхностях и схема изменения зазоров приведены на рис. 17.

где т —• сопротивление сдвигу смазки. При постоянной вязкости жидкости в процессе течения ее в зазоре получим:

Рис. 17. Схема изменения на запирающих поверхностях удельных давле­ ний (а) и зазоров (б)

Ввиду малости размера h по сравнению с I и D принимаем

36