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

Для определения характеристик нагрузка — перемещение упругих элементов удобно использовать машину МИП-100-2 для испытания пружин.

Приблизительно оценку необходимой силы пружины следует производить, исходя из рекомендуемых удельных давлений в паре трения. По данным ВНИИГидромаша можно рекомендовать сле­ дующие удельные нагрузки в парах трения от действия только пружин, разделенные в зависимости от группы уплотнений (см.

Увеличение удельной нагрузки от группы I к группе IV уплот­ нений объясняется ростом давления среды и возрастающими тре­ бованиями к надежности уплотнений. С увеличением диаметра вала и скорости скольжения в паре трения удельное давление должно снижаться. Для гидравлически разгруженных уплотнений удель­ ные нагрузки принимают большими, чем для неразгруженных, так как с увеличением гидравлической разгрузки опасность рас­ крытия стыка уплотнения увеличивается.

с малым числом рабочих витков (1—3), чтобы по возможности сократить осевой габаритный размер уплотнения. Особое внимание следует уделять перпендикулярности торцов пружины ее оси и точности выполнения витков. Значительная неперпендикулярность торцов оси вызывает односторонний ускоренный износ пары трения.

При выполнении вращающихся пружин необходимо обеспе­ чить тщательную их центровку относительно вала (втулки), в противном случае на пружину могут действовать значительные силы инерции, вызывая трение и износ пружины и вала. Для ва­ лов, вращающихся с высокими скоростями, как правило, приме­ няют уплотнения с неподвижными пружинами.

С увеличением диаметра вала более 100 мм, а также в тех слу­ чаях, когда желательно сократить осевой размер уплотнения, применяют уплотнения с несколькими пружинами малого размера. Число рабочих витков таких пружин обычно составляет 4—8. Число пружин зависит от диаметра вала (например, при диаметрах валов 80— 150 мм число пружин составляет 6—8).

При больших диаметрах валов (500 мм и более), когда необхо­ димое число пружин становится большим, вместо пружин приме­ няют металлический сильфон (см. рис. 21).

Уплотнения с отдельными вращающимися пружинами можно применять на значительно большие окружные скорости вращения, чем с центральной пружиной, поскольку отдельные пружины по­ лучаются легкими и соответственно на них действуют меньшие силы инерции. Однако и эти уплотнения выполняют с неподвиж­

138

избежать явлений резонанса, иногда применяют конструкции с пластинчатыми пружинами из листовых материалов. Такие пружины имеют малый вес и жесткую характеристику, т. е. их собственная частота колебаний является высокой. Сложность заключается в подборе такой пружины, поскольку ее характери­ стика не поддается достаточно точному расчету.

Пластинчатые пружины более надежны, чем цилиндрические, поскольку при появлении сквозной трещины они продолжают работать, а цилиндрические — нет.

Пружины торцовых уплотнений работают в весьма тяжелых условиях: при переменной нагрузке, в окружении жидкой среды (часто химически агрессивной), которая не только снижает уста­ лостную прочность пружины вследствие физических процессов взаимодействия с ее поверхностью (эффект Ребиндера), но и часто вызывает коррозию, концентрацию напряжений и резкое сниже­ ние прочности. Частые поломки пружин усталостного характера наблюдали в уплотнениях нефтяных насосов из-за содержания агрессивных примесей в нефти (сероводород и др.).

Поскольку с уменьшением диаметра проволоки пружины опасность коррозии возрастает (отношение площади поверхности к объему материала увеличивается), то для агрессивных сред предпочтительны уплотнения с центральной пружиной. Однако во всех случаях нужно стремиться изолировать пружину от агрес­ сивной среды и применять для пружин материалы с высокой кор­ розионной стойкостью.

трубки из полипропилена, поливинилхлорида, фторопласта-4. Эффективным способом защиты пружин, особенно при работе на средах, содержащих твердые примеси, растворенные соли, яв­ ляется размещение их снаружи с защитой резиновыми чехлами (см. рис. 12). При этом внутреннее пространство, где располо­ жены пружины и другие детали уплотнений, смазывают конси­ стентной смазкой. Смазка защищает детали уплотнения от кор­ розии и уменьшает их трение и вибрационный износ.

Описанные способы применяют лишь в отдельных конструк­ циях торцовых уплотнений, в большинстве же случаев пру­ жины подвержены непосредственному воздействию рабочей среды или воздействию ее утечки. Для пружин поэтому выбирают материалы с наибольшей коррозионной стойкостью в данной среде.

В химически нейтральных жидкостях (бензин, керосин, сма­ зочные масла и т. п.) используют пружины из обычных углероди­ стых пружинных сталей и хромистых сталей типа 4X13, подвер­ гающихся закалке.

Для нефтей и нефтепродуктов с некоторой химической агрес­ сивностью, для пресной воды и щелочных растворов можно реко­ мендовать пружины из хромоникелевых сталей типа Х18Н9Т, Х17Н13М2Т и др.

139

Для придания упругих свойств пружинам из этих сталей при­ меняют многократную нагартовку проволоки. Для некоторых агрессивных жидкостей можно использовать стали с большим содержанием хрома и никеля типа 0Х23Н28МЗДЗТ (азотная, фосфорная, серная кислоты, растворы солей), 36НХТЮ (морская вода, растворы солей).

Для морской воды применяют также пружины из бронзы. Следует учитывать, что даже небольшие примеси веществ в средах могут резко изменять их химическую агрессивность.

Например, хромоникелевые стали, достаточно стойкие в серно­ кислотных средах, теряют в значительной степени стойкость, если эти среды содержат даже небольшое количество соляной кислоты.

В уплотнениях, работающих на средах с большим содержанием твердых примесей (кристаллы солей, окалина, песок, грунт, фе­ кальная, бумажная масса и т. п.), защита пружин от воздействия среды необходима также, чтобы исключить их абразивный износ и потерю подвижности в результате отложений твердого вещества.

Шероховатость поверхности рабочих витков пружин должна быть не ниже S/8 при точности изготовления, соответствующей классам I—II

Испытания во ВНИИГидромаше различных пружин из нагартованной проволоки показали, что значения модуля сдвига имеют значительный разброс и зависят от степени нагартовки, диаметра проволоки и других факторов. В среднем при расчете усилий пружин из высоколегированных материалов можно рекомендовать принимать модуль сдвига равным G = 4Х 105 кгс/см2, а допускае­ мое напряжение кручения не более 3000 кгс/см2.

УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ КОЛЬЦА, МАНЖЕТЫ, МЕМБРАНЫ, СИЛЬФОНЫ

Эти элементы, иногда называемые вторичными уплотнениями, служат для герметизации одного из колец пары трения относи­ тельно вала (втулки) или крышки (корпуса) машины. Иногда сильфоны и мембраны выполняют и функции пружин, обеспечивая прижатие колец пары трения.

В торцовых уплотнениях наибольшее распространение полу­ чили уплотнительные резиновые кольца круглого сечения. Это объясняется простотой формы, высокой герметичностью, устой­ чивостью к действию больших перепадов давления, сравнительно малым трением (сила трения Тг на рис. 24) относительно сопря­ женных деталей таких колец. Кроме них, применяют кольца пря­ моугольного сечения и манжеты.

Резиновые кольца изготовляют формованием в металли­ ческих (хромированных) тщательно обработанных пресс-формах с последующей вулканизацией. Поверхность резинового кольца должна быть гладкой без повреждений, так как это значительно

140

снижает его износостойкость. Разъем пресс-формы следует выпол­ нять относительно центральной плоскости кольца под углом 45°. Это необходимо для того, чтобы поверхности, где снимается облой резины при изготовлении кольца, не находились в контакте

суплотняемыми деталями. Снимать облой нужно аккуратно, без повреждения поверхности кольца.

При установке колец в уплотнение надо следить, чтобы они не перекручивались и не повреждались при перемещении детали

скольцом относительно канавок, выступов, шпоночных пазов и пр. Для этого выступы выполняют конической формы со скруглен­ ными углами, а в канавки помещают соответствующие их форме вкладыши (разъемные кольца и т. п.), которые после продвиже­ ния детали могут быть извлечены оттуда.

Для большей легкости сборки уплотнений с резиновыми коль­ цами рекомендуется жидкая или консистентная смазка, не воз­ действующая на резину, а также сухая смазка (дисульфид молиб­ дена).

Размеры колец принимают в соответствии с ГОСТ 9833—61. Сила трения колец относительно сопряженных деталей зави­ сит главным образом от чистоты поверхности детали, твердости

резины, диаметра сечения кольца и его сжатия при установке в уплотнении.

Рекомендуемые стандартом сжатия колец не всегда приемлемы для торцовых уплотнений, так как вызывают чрезмерно большие силы трения. С другой стороны, сжатие не должно быть и слишком малым, так как при старении резины ее упругость ухудшается и возникают остаточные деформации.

Следует учитывать также воздействие среды на кольцо. Оно может выражаться в набухании резины, увеличении сечения кольца и силы трения или в потере веса кольца вследствие раство­ рения компонентов резины средой. Возможно также химическое взаимодействие резины с уплотняемой поверхностью. По данным ВНИИГидромаша оно проявляется, например, в прилипании кольца к металлической поверхности, в увеличении шерохова­ тости поверхности под кольцом вследствие ее коррозии. На основе практического опыта можно рекомендовать следующие значения диаметра s сечения и сжатия б колец в зависимости от диаметра d вала (втулки):

Относительно уплотняемой поверхности по внутреннему диаметру резиновые кольца могут иметь натяг 0,5—3 мм при d = 15-hIOO мм и 3—8 мм при d — 100-ь200 мм. В некоторых торцовых уплотнениях для облегчения установки колец в канавки применяют кольца, имеющие в свободном состоянии наружный диаметр на несколько миллиметров больше диаметра канавки.

141