Файл: Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 50
Скачиваний: 1
А. И. ГОЛУБЕВ
ТОРЦОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ
Издание второе, переработанное и дополненное
КОНТРОЛЬ::-, ЭКЗЕМШТ'
МОСКВА « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е » 1974
Г62 УДК 621.824—762.6
J 3 & 0
Голубев А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1974, 212 с.
Торцовые уплотнения вращающихся валов являются наиболее распространенными. Это объясняется их преимуществами по сравне нию с уплотнениями других видов: герметичностью, износостой костью, универсальностью. Торцовые уплотнения применяют прак тически во всех областях техники, где требуется герметизация ва лов машин и механизмов для предотвращения утечки жидкостей или газов из их рабочего объема.
В книге обобщены отечественные и зарубежные материалы по расчету, конструированию, испытанию и применению торцовых уп лотнений, предназначенных для установки на валы различных ма шин, аппаратов и механизмов (в основном насосов химической, нефтяной и других отраслей промышленности). Значительное вни мание уделено рабочему процессу торцовых уплотнений.
Книга предназначена для инженерно-технических и научных
работников, занимающихся вопросами |
уплотнительной техники |
в народном хозяйстве. |
|
Ил. 160. Табл. 6. Список лит. 76 назв. |
|
Рецензент инж. Б. В. |
Павлов |
31302—501
33—73
1 038 (01)—74
© «Машиностроение», 1974
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а— амплитуда
А— интенсивность линейного износа
|
b — ширина уплотняющей поверхности |
|
|
|||||
|
с — удельная теплоемкость |
|
|
|
|
|||
СА и £ц — коэффициенты |
гидравлического трения |
диска и |
ци- |
|||||
|
линдра |
|
|
|
|
|
|
|
|
d — диаметр вала |
или втулки |
|
|
|
|
||
dl |
и d2 — внутренний |
и наружный |
диаметры сильфона |
по- |
||||
Dt |
и D 2 — внутренний |
и |
наружный |
диаметры уплотняющей |
||||
|
верхности |
|
|
|
|
|
|
|
|
е — эксцентриситет |
|
|
|
|
|
||
|
Е — модуль упругости |
|
|
|
|
|
||
|
f — коэффициент трения |
|
|
|
|
|||
|
F — сила пружины |
|
|
|
|
|
||
|
Fs — гидростатическая сила |
|
|
|
|
|||
|
G — модуль сдвига |
|
|
|
|
|
|
|
|
h — величина зазора |
|
|
|
|
|
||
|
i — число волн |
уплотняющей |
поверхности |
|
|
|||
|
J — механический эквивалент тепла |
|
|
|||||
|
Jrc — момент инерции |
|
|
|
|
|
||
|
k —• коэффициент гидравлической разгрузки |
|
|
|||||
|
ky — коэффициент жесткости упругого элемента |
|
||||||
|
I — высота кольца |
|
|
|
|
|
||
|
L — расстояние |
между |
впадинами |
неровностей |
|
|||
|
т — масса |
|
|
|
|
|
|
|
|
М 0 — момент, раскрывающий стык |
пары трения |
|
|||||
|
Мс — распределенный линейно момент |
|
|
|||||
|
МТ — момент трения |
|
|
|
|
|
||
|
п — частота вращения |
в об/мин |
|
|
|
|||
|
nv — число циклов |
|
|
|
|
|
|
|
|
N — мощность |
|
|
|
|
|
|
|
Nu, Pr, Re, Gr — числа Нуссельта, |
Прандтля, |
Рейнольдса, |
Грасгофа |
|
||||
|
р — давление |
|
|
|
|
|
|
|
|
р0 — перепад давления |
|
|
|
|
|
||
|
Pi. Р2 — давление за |
и перед уплотнением |
|
|
||||
|
q — объемный расход утечки |
|
|
|
|
|||
1* |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
qr — весовой расход утечки Q — тепловой поток
гс — радиус центра тяжести
R — универсальная постоянная газа t — время
Т — температура
77— сила трения
,vx,... — составляющие вектора скорости
V — скорость скольжения
W — сила в контакте пары трения , р и 0 — углы
а Ь a v — коэффициенты линейного и объемного расширения
а0 — коэффициент теплоотдачи
у— удельный вес
|
6 — линейная деформация |
ег, |
А — натяг |
. . . — составляющие относительной деформации |
|
|
X — коэффициент теплопроводности |
[1 |
и v — коэффициенты динамической и кинематической ВЯЗ' |
|
кости |
|
Vn •— коэффициент Пуассона |
|
р — плотность |
аг, |
. . . — составляющие вектора напряжения |
т— напряжение силы трения
ш— угловая скорость
ВВЕДЕНИЕ
Развитие уплотнительной техники в СССР и за рубежом тесно связано с общим развитием машиностроения и в значительной сте пени зависит от прогресса в различных областях техники. При этом к уплотнениям предъявляются все более жесткие требования в отношении автоматичности их действия, герметичности, долго вечности, способности работать при более высоких параметрах по давлению, температуре, скорости вращения вала в агрессив ных, абразивных, радиоактивных и других средах.
Несмотря на то, что узел уплотнения по объему занимает сравнительно небольшую часть машины, от него зависит качество работы всей машины.
Уплотнения различных типов не в равной степени отвечают отмеченным выше требованиям, поэтому сужается область приме нения одних видов уплотнений и одновременно расширяется область применения других.
Уплотнения вращающихся валов можно разделить в основном на следующие типы: сальники, манжеты, лабиринтные уплот нения, торцовые уплотнения, динамические уплотнения.
Сальники выполняют с мягкой набивкой в виде шнура или отдельных спрессованных колец, трущихся по поверхности вала (защитной втулки). Износостойкость сальников обычно состав ляет несколько сотен часов. При износе сальников утечка рабочей жидкости увеличивается. Их обслуживание заключается в под тяжке, добивке и замене набивки с целью компенсации износа и снижения утечки до нормальной величины. Утечка жидкости через сальники сравнительно велика (от десятых долей литра до нескольких литров в час).
В последнее время разработаны новые сорта набивок (напри мер, из угольного волокна) со сравнительно высокой износостой костью и повышенной герметичностью, но стоимость таких саль ников приближается к стоимости торцовых уплотнений.
Преимущественными областями применения сальников яв
ляются уплотнения машин с возвратно-поступательным |
движе |
|
нием |
и уплотнения арматуры (вентилей, задвижек, |
кранов |
и т. |
п.). |
|
5
Манжеты изготовляют в основном из различных резин. Они, как и сальники, работают на трение по поверхности вала. Область применения манжет значительно уже, чем сальников: их, как пра вило, применяют для жидкостей с хорошей смазывающей способ ностью и при малых давлениях. В отличие от сальников манжеты не требуют обслуживания в процессе эксплуатации и имеют значительно меньшую утечку (от долей кубического сантиметра до кубических сантиметров в час).
Существуют также манжеты с практически нулевой утечкой, что достигается выполнением винтовой нарезки на их рабочих поверхностях.
Для замены манжет требуется частичная разборка машины (в центробежном насосе — съем рабочего колеса и пр.). Манжеты широко используют в механизмах и машинах для удержания сма зочного масла и предотвращения попадания наружной пыли в смазку. В более тяжелых условиях работы износостойкость манжет невысока.
Лабиринтные уплотнения являются жесткими уплотнениями, работающими при сравнительно больших зазорах. Их принцип действия основан на создании турбулентного гидравлического сопротивления течению жидкости в зазоре, поэтому работа лаби ринтных уплотнений сопровождается большими утечками. Вместе с тем они имеют высокую износостойкость, так как их детали не испытывают непосредственного контакта и механического износа.
Наибольшее распространение лабиринтные уплотнения полу чили для газообразных сред (турбокомпрессоры, паровые, газо вые турбины).
Как видно из изложенного, сальники, манжеты и лабиринтные уплотнения имеют недостатки, ограничивающие их применение и в значительной степени уменьшающие перспективы дальнейшего использования.
Внаибольшей степени требованиям развивающейся техники удовлетворяют уплотнения двух типов: торцовые и динамические. Область применения этих уплотнений непрерывно расширяется,
аобъем производства, особенно торцовых уплотнений, быстро растет.
Область применения динамических уплотнений, к которым относятся отбойники (импеллеры, винтовые, лабиринтно-винто вые) и стояночные уплотнения, уже, чем торцовых, но при работе они практически не испытывают механического трения и износа. Динамические уплотнения особенно пригодны для валов машин, вращающихся с высокими скоростями.
Внекоторых конструкциях насосов и других машин динами
ческие и торцовые уплотнения применяют совместно.
Все возрастающее значение торцовых и динамических уплот нений в технике выражается в росте объема посвященных им исследований, что нашло, например, свое отражение в материалах пяти международных конференций по уплотнениям.
6
Второе издание данной книги посвящено только торцовым уплотнениям как наиболее универсальным и распространенным.
Торцовые уплотнения получили широкое распространение благодаря следующим положительным свойствам: 1) в период нормальной работы не требуют обслуживания; 2) работают с малой утечкой; 3) правильно подобранное торцовое уплотнение при соблюдении нормальных условий эксплуатации отличается боль шой долговечностью; 4) торцовые уплотнения удовлетворительно работают в предельно тяжелых условиях по давлению (от 10~5 мм рт. ст. до 450 кгс/см2), температуре (от —200 до +450° С и выше при охлаждении), скорости скольжения в парах трения (от 0 до 100 м/с и более), по агрессивности (концентрированные кислоты, щелочи, радиоактивные среды) и по абразивности сред (грунто вые, песковые, глинистые и т. п.); их изготовляют на валы любого размера (от нескольких миллиметров до 1500 мм и более в диа метре) .
Следует также отметить, что торцовые уплотнения потребляют меньшую мощность, чем сальники (0,1—0,5 от мощности саль ников), работают удовлетворительно при сравнительно больших радиальных биениях вала (например, в мешалках) и сравнительно мало чувствительны к смещению вала относительно корпуса машины.
Распространению торцовых уплотнений препятствует слож ность и специфичность их изготовления, сравнительно высокая стоимость, трудности замены при выходе их из строя, связанные с необходимостью частичной разборки машины.
Широкое внедрение торцовых уплотнений стало возможным лишь после создания специальных материалов с высокими анти фрикционными свойствами, высокой химической стойкостью и износостойкостью (углеграфиты, фторопласты, твердые сплавы, керамика и др.), применяемых в весьма тяжелых условиях работы пар трения уплотнений.
Во втором издании книги значительную часть составляют материалы ВНИИГидромаша. В книге использованы также мате риалы ВНИИнефтемаша, НИИХИММАШа, КИГВФ, ИМАШа, и зарубежные публикации.
Г л а в а I
КОНСТРУКЦИИ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ
Среди уплотнений вращающихся валов торцовые уплотнения наиболее разнообразны по конструкциям, хотя все конструкции работают по одной схеме.
На рис. 1 показана схема торцового уплотнения. Вращаю щийся вал 1 связан упруго при помощи элемента 4 с кольцом 2.
Торцовая поверхность его прижи мается к неподвижному кольцу 3, соединенному с корпусом машины 5. Следовательно, кольца 2 и 3 обра зуют плоскую пару трения. Зазор между ними определяет величину утечки жидкости или газа, находя щихся в корпусе машины под дав лением р. Элемент 4, который в даль нейшем будем называть упругим элементом торцового уплотнения, должен обеспечивать плотное и по стоянное прилегание колец 2 и 3 одного к другому при вибрациях, смещениях вала и износе пары трения.
КЛАССИФИКАЦИЯ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ
Торцовые уплотнения можно классифицировать по конструк тивным особенностям их упругих элементов (рис. 2). Эти особен ности определяют не только внешний вид, но и динамику торцо вых уплотнений.
Упругими элементами (на рис. 2 они показаны прямоуголь никами с диагоналями) являются пружины с уплотнительными кольцами, сильфоны и мембраны с пружинами или без них.
8
В классификации основные типы конструкций уплотнений показаны схематично. Они разделены на торцовые уплотнения с неподвижными и вращающимися упругими элементами.
Рис. 2. Классификация торцовых уплотнений
Уплотнения с вращающимися и неподвижными упругими эле ментами могут быть внутренними и внешними. В первом случае большая часть поверхности уплотнения соприкасается с жид костью, во втором — упругий элемент устанавливают с наружной стороны.
9