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

Другим видом деформаций являются деформации формы сече­ ний кольца. Они происходят при любой форме колец и различной их установке в уплотнении. Деформации формы начинают суще­ ственно влиять на работу пары трения лишь при высоких давле­ ниях и больших размерах сечений колец.

На рис. 74 показаны деформации формы сечения кольца под влиянием сил давления. Зазор пары трения приобретает конфузорную форму, а эпюра распределен-ия давления становится выпуклой.

Чтобы определить величину деформаций формы сечений кольца, можно использовать уравнения теории упругости или моделиро­ вание. Обычно считают материал кольца подчиняющимся закону Гука. Тогда для относительной его деформации в направлении оси кольца в цилиндрических координатах имеем

Напряжения аг и сгф можно приближенно определить по урав­ нениям Ламе для круглой трубы, нагруженной наружным давле­ нием:

рг\

(73)

г \ - г \

рг\

(74)

• + f ) .

Л - Л

Оценим величину возможных деформаций и напряжений кольца в уплотнении вала циркуляционного насоса при следующих усло­

гидростатической и гидродинамической сил на единицу длины W0 = 160 кгс/см, координата точки приложения равнодействую­ щей /0 = 4 мм, материал кольца — углеграфит с Е — 105 кгс/см2, vn = 0,2; ав (сжатия) = 1500 кгс/см2.

Предположим, что в результате изменений условий сила реак­ ции Fw переместилась в точку 1. Условно принимаем ф (0) = = 0/0т , где 0т — предельное значение 0, при котором W0 прохо­ дит через точку 3. Пусть Ь9т = 0,01 мм, тогда, используя урав­ нение (71), найдем

= 0,0076 мм.

Интересно отметить, что сокращение линейных размеров сече­ ния кольца в 2 раза, т. е. уменьшение его жесткости на скручи­

93

щина возникала по наружной границе уплотняющего пояска в месте его перехода в опорную часть кольца (рис. 75).

Характер разрушения свидетельствовал о больших местных напряжениях, связанных с резким переходом одной поверхности кольца в другую и сравнительно большой высотой уплотнитель­ ного пояска (1,5—2 мм).

Значительные деформации трущейся поверхности колец могут возникать при их установке в металлические крышки или обоймы (см. рис. 7). Кольца пары трения обычно вклеиваются по всей поверхности контакта с обоймами. По наружному диаметру их можно устанавливать как с натягом, так и с небольшим зазором. Клеющее вещество обеспечивает герметичность и прочность соеди­ нения. Однако при этом деформации обоймы передаются на кольцо пары трения.

Особенно типична передача обоймой установочных деформаций при ее затяжке на валу или в корпусе машины. Как правило, это деформации волнистости, ухудшающие герметичность уплотне­ ния. Конструкция обойм и их установка в машине должны обес­ печивать минимальную деформацию обойм и локализовать ее та­ ким образом, чтобы она не передавалась на кольцо пары трения.

С этой точки зрения свободную установку колец в обойме или обоймы на вал следует считать оптимальной.

Температурные деформации

Температурные деформации колец пары трения возникают в ре­ зультате неравномерного их нагрева выделяющимся в зазоре уплотнения теплом. Неравномерность распределения температуры по сечению колец (см., например, рис. 58) и пространственный характер эпюры распределения температур сильно затрудняют определение температурных деформаций колец.

Однако здесь можно использовать приближенные методы, ана­ логичные используемым при оценке силовых деформаций.

На основе предположения, что сечения кольца остаются пло­ скими и не изменяют свою форму, в работе [66] получена фор­ мула для угла поворота сечений, идентичная формуле (69):

Если сечение кольца имеет прямоугольную форму, его тем­ пература не зависит от радиальной координаты и уменьшается линейно от поверхности трения в направлении оси кольца, то на

95

Как видно из формулы (76), угол поворота сечений кольца в 2 раза меньше угла при его свободном расширении. Это объяс­ няется действием тангенциальных напряжений.

Если задаться разностью температуры (Т — Т 0) = 50° С, то для кольца, показанного на рис. 74, считая коэффициент линей­ ного расширения равным 3 X 10“6 1/°С, по формуле (76) полу-

Рис. 76. Температурные де­ формации торцового уплот­

нения с обыкновенной парой трения со сварным метал­ лическим сильфоном при ра­ боте на расплавленном нат­ рии [30]

чим ЬВ = 0)004 мм. При этом зазор в паре трения приобретает конфузорную форму.

Значительные температурные деформации наблюдались в паре трения торцового уплотнения с металлическим сварным сильфо­

носа.

Температурные деформации, так же как и силовые, вызывают изменения формы сечений колец (вращающееся кольцо на рис. 76).

Они особенно велики в области зазора пары трения, так как здесь наибольшие градиенты температуры.

Полная температурная деформация пары трения, включающая деформацию поворота сечений и деформацию формы сечений колец, может создавать как конфузорный, так и диффузорный зазоры

впаре трения.

Впоследнем случае (см. рис. 76) удельные нагрузки в паре тре­ ния возрастают и режим трения смещается в сторону сухого трения.

96

Для большинства торцовых уплотнений утечки рабочих жидкостей направлены к оси вращения вала, так как это обеспе­ чивает лучшее охлаждение пары трения и сепарацию абразивных примесей.

Вэтих случаях осевые и радиальные градиенты температуры

вкольцах вызывают деформации одного и того же знака, которые способствуют образованию конфузорного зазора в паре трения. Благодаря этому обеспечивается стабильность работы пары тре­ ния уплотнения. Эффект образования конфузорного зазора уси­ ливается в термогидродинамических парах трения (по сравнению

собыкновенными) благодаря более интенсивному охлаждению одной части поверхности трения (см. рис. 40).

Сочетание высокого коэффициента температурного расшире­ ния с низкой теплопроводностью (например, у колец из материа­ лов на основе фторопласта-4) неблагоприятно, так как усиливает температурные деформации. При испытаниях во ВНИИГидромаше уплотнений с такими кольцами (см. рис. 11) наблюдались случаи неравномерного износа их поверхностей трения, сходного

сизносом при действии моментов на кольцо (см. рис. 68).

Остаточные напряжения и деформации

При доводке пар трения и их работе в торцовых уплотнениях на­ блюдались деформации уплотнительных поверхностей, которые проявлялись не сразу, а по истечении некоторого времени. Обычно это были деформации волнистости и их величина выражалась в отклонениях от плоскости в несколько микронов. Причины воз-, никновения таких деформаций различны. В качестве одной из них можно назвать небольшие остаточные напряжения в кольцах, возникающие при их изготовлении. Процессы, аналогичные ста­ рению чугуна, наблюдались в кольцах из силицированного гра­ фита марки ПГ-50С. Так, у колец с высокой степенью плоскост­ ности (отклонения не более 0,3 мкм) через 10—20 ч хранения пло­ скостность ухудшалась и отклонения составляли несколько ми­ кронов. При последующих доводках колец эти деформации по­ степенно прекращались.

Другой причиной возникновения деформаций является за­ прессовка и вклейка колец в обоймы. Напряжения, возникающие при таком закреплении колец, вызывают со временем деформации доведенных поверхностей. Для устранения деформаций рекомен­ дуется выдержка колец перед их доводкой в условиях смены тем­ ператур, например на подоконнике в течение от нескольких дней до двух недель. Другим способом устранения остаточных напря­ жений является выдержка колец в печи при определенной тем­ пературе [23].

Остаточные деформации появлялись после пуска уплотнений в работу в результате действия давления и температуры на кольца. Некоторую роль в этом процессе, по-видимому, играют реологи*

ческие свойства клея. Такие деформации наблюдались, например, у керамических колец (керамика марки ЦМ332 с 99% А120 3), вклеенных на лаке Ф-10 в крышки из стали Х17Н13М2Т, при испытаниях на воде в паре с углеграфитом 2П-1000, пропитанным фенолформальдегидной смолой. Частота вращения валов диа­ метрами 100 и 130 мм составляла до 3000 об/мин. Уплотнения по конструкции близки к показанным на рис. 8 и 10. Герметичные в неподвижном положении, они при вращении вала сразу начи­ нали пропускать большие утечки. При разборке обнаружены де­ формации притертых поверхностей керамических колец.

Применение металлических обойм с тонкими стенками (тол­ щиной ~ 1 мм), охватывавшими керамические кольца по наруж­ ному диаметру, значительно снизило указанные деформации.

Деформации волнистости возникают также при неоднородности материала самих колец. Так, например, при испытаниях во ВНИИГидромаше уплотнений высокого давления на воде с парой трения силицированный графит ПГ-50С по силицированному гра­ фиту УМС, последний имел неодинаковую степень силицирования по окружности кольца (это было обнаружено рентгеновским про­ свечиванием кольца). В результате под действием давления (100— 150 кгс/см2) кольцо деформировалось неодинаково в направлении окружности и его трущаяся поверхность становилась волнистой. Утечка через пару трения возрастала, момент трения падал и ре­ жим трения приближался к жидкостному.

Аналогичные деформации возникают при неоднородности мате­ риала кольца из-за переменности коэффициента температурного расширения или износостойкости кольца.

Рассмотренные силовые, температурные и остаточные дефор­ мации обычно малы, и поэтому можно считать, что они подчи­ няются закону Гука, хотя материалы колец не всегда имеют это свойство. Отсюда полную деформацию какого-либо кольца можно найти, суммируя отдельные его деформации.

Деформации, за исключением некоторых случаев, нежела­ тельное явление в парах трения, так как они приводят к неравно­ мерности и большей интенсивности износа и увеличивают утечку.

ВЛИЯНИЕ НЕТОЧНОСТЕЙ УСТАНОВКИ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ, БИЕНИЙ ВАЛА И ДРУГИХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Пару трения рассматривали выше изолированно от конструкции уплотнения в целом и его установки в машине, считая, что ника­ кие возмущающие силы не действуют на вращающееся и неподвиж­ ное кольца. Это идеальный случай. В действительности имеют место неточности установки уплотнения; неточности изготовления уплотнения; биения вала.

Все это влияет на силы и моменты, действующие в паре трения.

98