Файл: Голубев, А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов.pdf

Указанные деформации были снижены в результате увеличения размеров поперечного сечения кольца, т. е. повышения его жест­ кости, и переноса паза на буртик по внешнему диаметру кольца

(см. рис. 6).

*В качестве примера силовых деформаций скручивания при­ ведем результаты проведенных во ВНИИГидромаше испытаний на воде с давлением 60 и 100 кгс/см2 и 3000 об/мин вала торцовых уплотнений (рис. 69).

В этих уплотнениях использовали пару трения сталь 9X18 (HRC 50—60) — углеграфит марки ПК-0, пропитанный фенол­ формальдегидной смолой. При испытаниях изменяли форму и за­ крепление неподвижных углеграфитовых колец (рис. 70, а—г).

зок к 0,03. Испытывали несколько уплотнений. Большинство из них выходило из строя через несколько десятков часов работы вследствие больших утечек через пару трения, возникавших уже при давлении воды 25—30 кгс/см2.

Наибольшая длительность испытания 403 ч. На рис. 71 при­ ведена зависимость расхода утечки воды через уплотнение от вре­ мени. Видны резкие колебания утечки, соответствующие сниже­ нию и последующему повышению давления воды во время оста­ новок — пусков стенда.

Разборка уплотнения после 403 ч испытаний показала, что поверхности пары трения имеют приработанный блестящий вид, однако их износ неравномерен (рис. 72). Максимальный линейный износ углеграфитового и металлического колец произошел вблизи наружного диаметра поверхности трения. Он составил 0,35 мм для углеграфитового кольца и 0,02 мм для металлического. Износ уменьшался от наружного диаметра к внутреннему, что видно

86

В результате неравномерного износа зазор пары трения при­ обрел конфузорную форму и в соответствии с формулой (68) гидро­ статическая сила в зазоре возросла.

Это явление можно объяснить силовыми деформациями угле­ графитового кольца.

Деформации, вызывающие волнистость рабочей поверхности кольца вследствие его опирания на резиновое кольцо, трудно оце-

д.л/ч

нить теоретически, и они в данном случае не имели решающего значения. Основными были деформации скручивания (поворота сечений) кольца.

Существуют различные методы оценки величины деформаций [41, 60, 66]. Некоторые из них основаны на моделировании дефор­

87

ленного момента Л4С вычисляют по формуле

( 69)

где Jr — момент инерции сечения кольца относительно оси, про­

ходящей через центр тяжести сечения и параллельной радиусу центра тяжести гс.

Для колец прямоугольного сечения, у которых отношение на­ ружного радиуса г2 к внутреннему г1 значительно отличается от

Произведем расчет 0 для нашего случая (см. рис. 70, а). Определяем положение центра тяжести сечения

*с = = 8,7 мм; гс = ~ = 25,6 мм,

где Sx, S — статические моменты площади кольца относительно соответствующих осей.

Далее подсчитываем момент сил относительно центра тяжести при р = 60 кгс/см2 и силы пружины F = 30 кг:

М с = 32,6 кгс-см/см.

Момент М с действует в направлении против часовой стрелки. По формуле (69) получим

0 = 9,9-10" 3 рад.

Умножая угол 0 на радиальную ширину поверхности А, на­ ходим смещение наружной границы поверхности относительно внутренней 6 = 0,027 мм.

Аналогичный расчет для другого варианта (см. рис. 70, б) дает

М с = 7,3 кгс-см/см; 0 = 2,23 • 10~3 рад;: 6 = 0,0061 мм.

Деформация поворота сечения во втором варианте в 4,5 раза меньше, чем в первом (см. рис. 70, а), что достигнуто лишь измене­ нием конструкции установки кольца без изменения его формы.

Установка кольца во втором варианте отличалась от первого еще и тем, что кольцо своей тыльной поверхностью опиралось на металлическую поверхность, причем обе эти поверхности были до­ ведены с высокой степенью точности. Тем самым по сравнению с первым вариантом деформации волнистости были в значительной степени снижены.

89

кольца, равен нулю. Это достигается изменением формы сечения кольца, места расположения уплотнительного резинового кольца

и опорной поверхности В. Так, уменьшая высоту кольца до 15 мм,

гкак показано на рис. 70, в, можно значительно уменьшить его деформацию по сравнению с вариантом на рис. 70, б. При этом получаем

М с = 2,6 кгс см/см; 0 = 0,93 10“ 3 рад;

6 = 0,0026 мм.

Практически из-за неизбежных неточностей расчета, а также изменений формы эпюры распределения давления в зазоре уплотнения момент сил, скручивающих кольцо, никогда не получается Lравным нулю. Для пояснения влияния формы эпюры" на момент

обратимся к рис. 73. Здесь показаны три возможные формы зазора пары трения, возникающие в результате неравномерного износа, силовых или температурных деформаций пары трения. Во всех трех случаях для одного и того же уплотнения при одинаковом давлении суммарная сила реакции W 0 одна и та же. Она склады­ вается из силы гидростатического давления жидкости (или газа) в зазоре и силы контактной реакции.

На рис. 73 ориентировочно показаны эпюры гидростатиче­ ского (р) и контактного (руд) давлений при различных формах зазора, если их подсчитывать по формулам (19) и (67). С измене­ нием зазора от диффузорного к конфузорному суммарная реакция W 0 смещается ближе к выходу из зазора пары трения, т. е. ее момент относительно центра тяжести сечения изменяется.

Изменение момента имеет такой знак, что результирующий момент стремится деформировать данный зазор в зазор с парал­ лельными стенками (см. рис. 73, б), поворачивая сечение кольца относительно центра тяжести Сх или С2.

Если не учитывать гидродинамическую жесткость, то, как по­ казано в работе [63], наибольшую гидростатическую жесткость по отношению к деформациям поворота сечений имеет зазор кон-

90

фузорной формы с отношением максимальной высоты к минималь­ ной, равным 2. Однако одновременное действие неравномерно распределенных руд должно изменять это соотношение.

Возникновение значительных пиков нагрузок руд на границах пары трения приводит к ее неравномерному износу. Это подтвер­ ждается экспериментальными данными (см. рис. 72). Неравномер­ ностью износа пары можно объяснить и резкие колебания расхода утечки через уплотнение, углеграфитовое кольцо которого было подвержено значительным деформациям скручивания. Обратимся вновь к рис. 68. При силовых деформациях, показанных на рис. 68, а, в первую очередь изнашивается наружная кромка пары тре-

Рис. 74. Схема установки кольца уплотнения циркуляционного насоса

ния (граница изношенной поверхности обозначена штрих-пунктир­ ной линией). При сбросе давления кольцо возвращается в свое недеформированное состояние и зазор приобретает конфузорную форму. Если снова поднимать давление среды, то эпюра рас­ пределения давления в зазоре пары становится выпуклой, стык пары может раскрыться и начнется сильная утечка. При дальней­ шей работе в результате деформации углеграфитового кольца пара трения может закрыться и величина утечки уменьшится. Это и наблюдалось в виде колебаний расхода утечки (см. рис. 71).

Обратная картина возникнет при деформациях, образующих первоначально конфузорный зазор (см. рис. 68, б). Здесь после снижения давления при неравномерном износе зазор пары тре­ ния становится диффузорным, поэтому последующее повышение давления вызовет в паре трения чрезмерно большие нагрузки и, как следствие, перегрев, повышенный износ и терморастрескива­ ние колец.

Рассмотрим теперь деформации колец пары трения, установка которых практически полностью исключает деформации поворота сечений.

В качестве примера детально рассмотрим деформации угле­ графитового кольца уплотнения вала циркуляционного насоса

(рис. 74).

91

Поверхность трения кольца имеет канавки (см. рис. 40, е) для обеспечения условий термогидродинамического расклинива­ ния пары трения.

Кольцо можно считать как неподвижным, так и вращающимся, поскольку влияние сил инерции на его деформации при высоком давлении среды мало. Кольцо опирается своей тыльной доведенной поверхностью на доведенный выступ обоймы, расположенный так, что реакция опоры Fw и действующая в зазоре суммарная сила W 0 (гидростатическая + контактная сила) взаимно уравновешены. Момент сил давления р, действующих на часть поверхности кольца относительно центра тяжести его сечения, равен нулю.

При этом считаем, что резиновое уплотнительное кольцо пол­ ностью передает давление жидкости р на соприкасающиеся с ним поверхности. Равенство нулю момента сил давления достигается применением симметричной формы сечения кольца (небольшой выступ уплотняющего пояска незначительно влияет на равновесие силовых факторов) и симметрией действующих сил.

Такая идеализированная картина отсутствия деформаций по­ ворота сечений кольца может быть нарушена из-за неопределен­ ности положения силы реакции опоры Fw. В предельных случаях при значительных температурных или силовых деформациях опор­ ных поверхностей сила реакции может проходить через точки 1 или 2. Тогда возникают моменты в плоскостях сечений кольца. С увеличением угла поворота сечений эпюры распределения сил в зазоре уплотнения перестраиваются таким образом (см. рис. 73), что величина моментов убывает. Они воспринимаются сопротивле­ нием кольца на скручивание.

Допустим, что сила реакции Fw = W0 сместилась в точку 1. Тогда равновесие кольца нарушится и угол поворота его сечений

котором W 0 приложена в точке 3 (см. рис. 74).

При перемещении равнодействующей Fw в точку 2 уравнение равновесия моментов сохранит вид уравнения (71), но вид функ­ ции ф (0) изменится. Ее предельное значение в соответствии с рис. 73, в будет меньше единицы.

г* Таким образом, в обоих рассмотренных случаях ф (0) — моно­ тонно возрастающая функция. Эту функцию можно найти, исполь­ зуя выражения (19) и (67) для распределения контактных удель­ ных давлений и давления в зависимости от величины и формы зазора.

92