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

Рассмотрим влияние неточностей установки. В любом торцо­ вом уплотнении плоскость стыка пары трения всегда отклонена от положения, перпендикулярного оси вращения вала, т. е. имеется некоторый перекос пары трения. Величина этих отклонений в уп­ лотнениях с вращающимся упругим элементом приблизительно на порядок больше, чем в уплотнениях с неподвижным упругим элементом (см. рис. 2).

В уплотнениях с вращающимся упругим элементом будем различать два случая, когда кольцо пары трения приводится во вращение посредством упругой связи (пружины, сильфона и т. п.) и шарнирной связи (поводка, шпонки, штифта и т. п.). Упругую связь можно рассматривать как связь с помощью гибкого вала.

Рис. 78. Схемы к расчету силовых факторов, действующих на пару трения в уплот­ нениях с вращающимся упругим элементом

На рис. 78, а в качестве упругого элемента применен сильфон. Угловая частота вращения кольца пары трения при этом равна угловой частоте вращения вала. Считаем упругую связь идеаль­ ной, т. е. пренебрегаем работой деформации и инерцией упругого элемента, тогда равновесие упругого элемента с кольцом пары трения можно представить, как показано на рис. 78, а.

Д ля' идеальной упругой связи момент слева по абсолютной величине равен моменту трения М тв стыке торцового уплотнения. Из-за перекоса стыка в теле сильфона возникает изгибающий мо­ мент, уравновешивающийся моментом сил, действующих в стыке пары трения: М у = kya. Под влиянием М у упругий элемент при­ обретает форму части тора. Равновесие сильфона возможно в слу­

ционный момент / 0 -^jr, суммирующийся с моментом трения. Об­

щий момент, стремящийся раскрыть стык пары трения, для малых значений а равен

Ha сильфон (см. рис. 78, а) действует также поперечная сила, являющаяся равнодействующей сил давления, приложенных к его поверхности (изнутри или снаружи).

Эта гидростатическая сила расположена в плоскости чертежа на рис. 78, а, и ее величина определяется разностью площадей верхней и нижней половин сильфона:

где гср — средний радиус сильфона.

Сила Fs воспринимается сильфоном, если его поперечная жест­ кость достаточно велика. В противном случае она передается на кольцо пары трения и должна восприниматься поверхностью, центрирующей кольцо относительно вала.

При передаче момента трения уплотнения с помощью поводков, шпонок и других элементов получают шарнирные соединения полукарданного типа.

На рис. 78, б схематично показано вращающееся кольцо тор­ цового уплотнения при двух положениях поводков. Ось вращения кольца составляет с осью вала угол а. В отличие от упругой связи, угловая частота вращения кольца 04 в данном случае не остается постоянной, а зависит от положения поводков.

Однако при весьма малых значениях а, наблюдаемых на прак­ тике, этими колебаниями угловой скорости и возникающими в ре­ зультате силами инерции можно пренебречь и считать сох = со.

В контактах между поводками и вращающимся кольцом уплот­ нения действуют нормальные силы F и силы трения Т г.

Кроме того, на вращающееся кольцо передается некоторый момент М у, определяемый упругостью и силами трения уплот­ нительного кольца относительно сопряженных поверхностей.

Рассматривая положение кольца, когда плоскость располо­ жения поводков совпадает с плоскостью угла перекоса, получим выражение для момента, раскрывающего стык пары трения:

Действием поперечной силы (равнодействующей сил давления) на кольцо в данном случае можно пренебречь, так как при угло­ вом перемещении кольца площади действия давления изменяются незначительно.

При определении сил и моментов для случаев, показанных на рис. 78, считали, что кольцо пары трения имеет геометрически

100

правильную форму и вращается вокруг своей оси симметрии. В действительности из-за неточностей изготовления, установки кольца, радиального биения вала на кольцо действует попереч­

где е — расстояние центра тяжести кольца от оси вращения.

Эта сила вращается с угловой скоростью вращения кольца и должна восприниматься центрирующей поверхностью вала (втулки) или упругой связью. Если ось вращения кольца состав­

при колебаниях не изменяет своего положения. Тогда на кольцо действует только момент сил инерции. Нетрудно показать, что момент сил инерции относительно диаметра кольца, лежащего

вплоскости угла а, равен нулю. Поэтому плоскость действия мо­ мента сил инерции 7Ии совпадает с плоскостью угла а. Он направ­ лен противоположно моменту упругого элемента, возникающему

врезультате перекоса вращающегося кольца на угол а. Пло­ скость угла а вращается с угловой скоростью ю, поэтому направ­ ление действия ЛТИ непрерывно изменяется. Величина ЛТИ за­ висит только от угла а. Величина ЛТу и положение плоскости его действия относительно плоскости действия Л1Н зависят также от перекоса крышки А на некоторый угол а х (см. рис. 79).

где </2 — момент инерции неподвижного кольца относительно его диаметра.

101

Формулу (82) можно использовать и для подсчета М 0 при пусках уплотнений в работу, так как влияние ускорений движе­ ния кольца на величину М 0 незначительно. При этом надо учи­ тывать, что М т в период пуска значительно больше, чем во время установившейся работы.

На упругий элемент уплотнения (см. рис. 79) действует гидро­ статическая поперечная сила, которую можно подсчитать по фор­

(см. рис. 11) и из металла (см. рис. 17). Оно выражалось в попереч­ ных круговых колебаниях неподвижных колец. Их центрирова­ ние относительно корпуса насоса приводило к местному износу центрирующих поверхностей и в ряде случаев к потере осевой подвижности колец.

Действие постоянной составляющей гидростатической попереч­ ной силы наблюдалось при испытании уплотнений (см. рис. 7)

сдавлением воды около 60 кгс/см2. Рассчитанные по формуле (78), в'которую вместо гср нужно подставить радиус втулки под уплот­ нительным резиновым кольцом круглого сечения (47,5 мм), эти силы составили несколько килограммов. Под действием этих сил контактирующие поверхности втулки и крышки с течением вре­ мени подвергались местному износу.

Аналогичное вибрационное изнашивание, которое можно от­ нести к фреттингу, наблюдалось в контактах поводков, шпонок и других деталей уплотнений, предназначенных для восприятия момента трения уплотнения. В случае большого износа контакти­ рующих поверхностей этих деталей коэффициент трения /п зна­ чительно возрастает, что, в соответствии с выражением (79), при­ водит к увеличению М 0 и раскрытию стыка пары трения. Поэтому выбор материалов для поводков и других элементов, а также для контактирующих с ними поверхностей имеет большое значение для безаварийной работы уплотнения.

Весьма существенно на работу уплотнения влияет точность выполнения поводков, соответствующих им пазов и т. д. Напри­ мер, если имеются два поводка (см. рис. 78, б), то в случае контакти­ рования лишь одного из них (из-за неточности изготовления) на вращающееся кольцо пары трения действует некоторая попереч­ ная сила. Она воспринимается контактом кольца с валом (втул­ кой), не приспособленным для этих условий, где будет происходить местное изнашивание поверхностей, часто усиливающееся щеле­ вой коррозией (фреттинг-коррозией).

Обычно рабочие поверхности колец пары трения имеют раз­ личную ширину. Кольца из мягкого материала (например, из углеграфита) выполняют с более узкими поверхностями, чем кольца из твердого материала, чтобы не происходило врезания твердого кольца в мягкое. Радиальное установочное смещение одного

102