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

цовых уплотнений керамика — фторопласт-4 еще более опасно, чем для пар трения керамика—углеграфит.

Описанные выше пары допускают наличие в среде взвешенных твердых частиц, если их содержание не превосходит нескольких процентов. Для сред с большим содержанием абразивных частиц (более 10%) износостойкость колец из таких материалов, как 2П-1000-Ф, Ф4к20, становится недостаточной. В этих случаях хорошие результаты получены с парами трения силицированный графит ПГ-50С по ПГ-50С (ВНИИГидромаш). Применимы также пары трения твердый сплав по твердому сплаву (например, ВК8Х0,5 по ВК8Х0,5). Такие пары трения используют в уплот­ нениях осушительных, скважинных, песково-химических насосов.

Исследования во ВНИИГидромаше показали, что, несмотря на высокую износостойкость указанных материалов, зазор пар трения, работающих на абразивных средах, следует защищать от попадания в него большого количества абразива.

При работе торцовых уплотнений на газообразных средах (го­ рячие газы в газовых турбинах, сжиженные газы в насосах ит. д.) условия трения в их парах соответствуют технически сухому трению. Для таких условий трения требуется применение спе­ циальных материалов, например, пиролитических углеродных ма­ териалов (пирографитов), получаемых пиролизом углеводородных газов при 1800—2100° С. Выделяющийся в результате пиролиза углерод осаждается на поверхности плотным слоем. Получаемые материалы имеют практически нулевую пористость и поэтому не требуют пропитки. Они не окисляются на воздухе при температуре до 400° С, а в инертной среде могут работать при значительно более высоких температурах. Характерной особенностью таких материалов является анизотропия их свойств, но могут быть по­ лучены и изотропные материалы. В табл. 3 даны свойства изо­ тропного пирографита ПГИ (ГИПХ).

Пирографиты удовлетворительно работают на трение в паре с наплавками стеллита (В-ЗК) при высоких скоростях скольжения. Для таких уплотнений рекомендуются пары трения с гидродина­ мическим расклиниванием поверхностей [76].

При невысоких температурах и скоростях скольжения до '~10 м/с в торцовых уплотнениях применимы материалы типа АМАН. Они удовлетворительно работают при сухом трении по твердым сталям, например, по 9X18 с HRC 45—50 или 22X3

с HRC 35 (см. табл. 3) [3].

Пары трения твердый сплав по углеграфиту и твердый сплав по твердому сплаву (например, ВК8Х0,5 по ВК8Х0.5) могут дли­ тельно работать при сухом трении благодаря высокой износостой­ кости, термопрочности и отсутствию схватываемости. Такие пары используют, например, при низких температурах в уплотнениях для сжиженных газов.

Кроме описанных выше материалов, в парах трения торцовых уплотнений применяют различные покрытия, повышающие изно­

121

состойкость и антифрикционные характеристики трущихся по­ верхностей. Однако из-за тонкости слоя их можно использовать лишь на чистых средах, не имеющих большой химической актив­ ности. Так, например, на нефтепродуктах фирмы Флексибокс (Англия) и Танкен Сейко (Япония) применяют металлические кольца с покрытием поверхности трения окисью алюминия, окисью хрома, карбида вольфрама, карбида хрома в парах с углеграфи­ товыми кольцами. Толщина покрытий, наносимых плазменным напылением, составляет несколько десятых долей миллиметра. Получение плотного однородного слоя покрытия (особенно из карбидов) — достаточно сложная задача. Нанесенный на поверх­ ность слой материала имеет меньшую плотность, чем тот же ма­ териал, полученный прессованием и спеканием, поэтому коэф­ фициент теплопроводности покрытия приблизительно в 10 раз ниже коэффициента теплопроводности соответствующей минералоили металлокерамики [60]. Несмотря на это термопрочность по­ крытий достаточно велика из-за их малой толщины [формула (65) ]. При этом коэффициенты температурного расширения основного материала и покрытия должны быть близкими.

Кроме напыления, для создания твердого слоя на поверх­ ности кольца уплотнения применяют оксидирование (титановых сплавов), хромирование (гальваническое и термическое) и неко­ торые другие процессы.

Достаточно высокие антизадирные свойства покрытий, их технологичность и практически полное отсутствие механического трения поверхностей в гидростатических уплотнениях (руя — 0) обусловили применение покрытий в этих уплотнениях.

В табл. 4 приведены данные о параметрах работы и износо­ стойкости различных пар трения; указанные в таблице руа близки к их нижней границе практических значений. Особенностью табл. 4 является то, что рекомендуемые пары трения группы уплот­ нений (II, III, IV) для данной области можно использовать в лю­ бой предыдущей группе. Однако может оказаться нерациональ­ ным использование более дорогих и трудно обрабатываемых мате­ риалов там, где с успехом работают более дешевые и технологич­ ные материалы.

При выборе той или иной пары трения, стоимость которой со­ ставляет большую часть стоимости уплотнения, немаловажна роль экономического расчета. В нем следует учитывать: а) стоимость пары трения; б) работоспособность пары— ее износостойкость, надежность в эксплуатации (вероятность отказа при сухих пусках и т. д.) и соответствующая долговечность; в) потери на трение и утечку; г) затраты на обслуживание при замене пары; д) потери производства, связанные с остановкой насоса или другого агре­ гата для замены пары трения; е) условия безопасности производ­ ства при выходе из строя пары трения.

Например, в нефтехимической промышленности Японии, Ан­ глии и других стран отмечается переход от более дешевых, но

122

Т а б л и ц а 4

J23

й менее долговечных пар трения, к более дорогим и работоспособ­ ным: от пары трения углеграфит—стеллит к паре специальный углеграфит — металлокерамика на основе карбида вольфрама и т. д. Последние пары трения обеспечивают работу оборудования без остановок на их замену в течение нескольких лет (около трех лет) до полного морального и материального износа оборудования. По сравнению с этим эффектом начальные затраты на уплотнение незначительны.

Экономические соображения при выборе пары трения для уплотнений различных агрегатов в самолетах, подводных лодках уступают место требованию высокой надежности в различных условиях эксплуатации.

Вместе с тем для многих областей использования уплотнений низкая стоимость и доступность материалов пар трения имеют решающее значение (например, сельскохозяйственные машины и агрегаты).

Стоимость кольца торцового уплотнения включает стоимость материала и затраты на его обработку. Последние могут состав­ лять большую часть стоимости кольца.

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ И КОНТРОЛЯ КОЛЕЦ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Заготовки колец в зависимости от свойств материала подвергают различной механической обработке. Так, кольца из металлов с низкой твердостью, пластмасс и углеграфитов обрабатывают на токарных станках. Углеграфиты обрабатывают твердосплавными резцами с отрицательным углом заточки, с отсосом угольной пыли с помощью вентилятора.

Рабочие поверхности колец из закаленных сталей и с наплав­ ками (стеллит) шлифуют корундовыми кругами.

Кольца из силицированного графита СГ-Т, СГ-П, СГ-М, из минералокерамики ЦМ332 и металлокерамики шлифуют алмазными кругами.

Канавки, отверстия в кольцах из металлокерамики обрабаты­ вают электроэрозионным методом. При этом обработка силициро­ ванного графита значительно более трудоемка. Для силициро­ ванного графита и минералокерамики применяют также ультра­ звуковую обработку. Этим способом, например, обработаны уплот­ няющие поверхности с овальным контуром (см. рис. 14).

Сверление отверстий в твердых материалах в лабораторных условиях можно выполнять с помощью медной трубки, торец ко­ торой смазан алмазной пастой. Заключительной операций обра­ ботки колец пары трения является доводка их поверхностей тре­ ния. В лабораторных условиях доводку можно произвести вруч­ ную на чугунных и стеклянных плитах (три плиты из каждого материала периодически взаимно притираются). Размер плит не должен превышать 300—350 мм, чтобы их взаимная притирка

124

Вручную не была затруднительной. Для изготовления плит при­ меняют чугуны специального состава и стекло Пирекс [4].

В СССР и за рубежом наибольшее распространение получила механизированная притирка колец [28,4]. Нальчикский машино­ строительный завод выпускает и эксплуатирует притирочные станки различной производительности.

На рис. 86 показан один из притирочных станков небольшой производительности фирмы Флексибокс (Англия). При доводке установленные в держатели кольца прижимаются своим весом или при помощи дополнительных грузов к плоской поверхности

Кольца из термореактивных пластмасс и углеграфитов доводят на чугунных плитах со смазкой керосином и на стеклянных плитах (со смазкой водой до влажного состояния) без применения абра­ зива. Для ускорения доводки пластмассовых колец уплотнений крупносерийного производства (насосы охлаждения двигателей внутреннего сгорания) применяют очень мелкий абразивный по­ рошок (фирма Морганайт, Англия).

Доводку колец из материалов на основе фторопласта-4 произ­ водят на стеклянных плитах со смазкой мыльной водой без приме­ нения абразива.

Контроль качества материала и обработки колец должен на­ чинаться с контроля их заготовок. Применяют известные методы определения физико-механических свойств и структуры материала. Просвечивание рентгеновскими лучами таких материалов, как углеграфит 2П-1000, силицированный графит УМС и других, позволяет определять макрооднородность их структуры (равно­ мерность распределения пор, равномерность силицирования, от­ сутствие внутренних раковин и т. д.) Степень пропитки углегра-

125