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

Поскольку резина практически несжимаема, то при установке колец должна быть обеспечена свобода их деформации в осевом направлении. Поэтому осевые размеры и чистоту обработки ка­ навок (уб) под установку колец рекомендуется принимать в соот­ ветствии с ГОСТ 9833—61.

Величина силы трения колец в большой степени зависит от чистоты обработки уплотняемой поверхности (вала, втулки), так как резина, вдавливаясь в шероховатости поверхности, мо­ жет оказывать большое сопротивление ее сдвигу. Поэтому шеро-

Рис. 96. Зависимости силы трения кольца на единицу длины его окружности от сжатия (а) и силы трения на единицу площади осевой проекции кольца в канавке от давления (б) [34]:

/ — твердость по Шору 90—95; 2 — 80 — 90; 3 — 60 — 75

ховатость поверхности при установке колец рекомендуется не ниже VS.

Для определения сил трения резиновых колец круглого сече­ ния относительно поверхности вала можно воспользоваться дан­ ными рис. 96 [34].

По данным Ленинградского филиала НИИРП коэффициент трения резиновых колец зависит от твердости резины. При удель­ ном давлении резины относительно стальной поверхности 3 кгс/см2 и скорости движения 1 мм/мин коэффициент трения составлял 0,2—0,55 при изменении твердости резины от 50 до 90 в условных единицах по ТМ-2. Скорость скольжения колец порядка несколь­ ких миллиметров в минуту соответствует обычной скорости вибра­ ций при неперпендикулярности стыка пары трения оси вращения

внесколько сотых долей миллиметра.

Сувеличением отклонений от перпендикулярности стыка пары трения амплитуда колебаний и напряжения резинового кольца увеличиваются, что ускоряет его износ. Так, например, при испы­ таниях уплотнения (см. рис. 7) при давлении воды 60 кгс/см2, температуре 90° С и частоте вращения вала 1450 об/мин неподвиж­ ное уплотнительное кольцо из резины марки 3687 полностью

142

Кроме угловых и осевых вибраций износ резиновых колец ускоряют радиальные вибрации и пульсации давления. При этом происходит усталостное разрушение колец под действием пере­ менных напряжений сжатия и сдвига.

Кроме резиновых колец круглого сечения в торцовых уплот­ нениях применяют иногда кольца прямоугольного сечения и манжеты.

Определяющее влияние на износостойкость той или иной ре­ зины в торцовом уплотнении оказывают свойства среды, в которой работает уплотнение, ее давление и температура. Резины можно классифицировать в зависимости от каучуков на основе которых они изготовлены: натуральный каучук (НК), бутадиен-стироль- ный (СКС), нитрильный (СКН), бутилкаучук (БК), этиленпропиленовый (СКЭП), силиконовый (СКТ), фторкаучук (СКФ), фторсиликоновый каучук (СКТФ) и др.

Резины на основе НК наиболее эластичны и имеют высокую прочность на. разрыв. Их применяют при температурах от —50 до 100° С. Они стойки в водяном паре, воде, спирте, слабых раство­ рах щелочей и неорганических кислот, растворах солей.

Резины на основе СКС менее эластичны, а по прочности близки к^резинам на основе НК. Их применяют при температурах от —30 до 130° С. Резины стойки к воздействию воды, спирта, аце­ тона, но не стойки к минеральным и растительным маслам.

Резины на основе СКН широко используют в торцовых уплот­ нениях общепромышленного применения. По прочности они близки к резинам на основе НК при меньшей эластичности; при­ менимы при температурах от —60 до 130° С. Возможность их использования при достаточно низких температурах объясняется тем, что они не кристаллизуются при температуре стеклования. Эти резины стойки в воде, минеральных, растительных и живот­ ных маслах и жирах, алифатических углеводородах, спирте, рас­ творах солей. Они не пригодны для использования в средах, со­ держащих ароматические углеводороды, хлоросодержащих орга­ нических соединениях (сильно набухают в ацетоне, бензоле и четыреххлористом углероде).

Резины на основе Б К близки по эластичности к резинам на основе НК, но менее прочны. Они достаточно стойки к агрессив­ ным средам и используются при температурах от —50 до 150° С (170° С). Эти резины стойки в водяном паре, воде, спирте, в кисло­ тах, щелочах, растворах солей. Они отличаются высокой сопро­ тивляемостью к тепловому старению в воздушной и кислород­ ной средах, к воздействию ультрафиолетового излучения. Резины не стойки в минеральных маслах.

Резины на основе СКЭП применяют для вторичных уплотне­ ний в торцовых уплотнениях насосов атомных электростанций (например, кольца круглого сечения в уплотнениях валов глав­ ных циркуляционных насосов). Они имеют высокие механические свойства и химическую стойкость. Диапазон их применения по

144

температуре от —60 до 170° С. Их можно использовать в воде, кислотах (кроме концентрированной азотной), щелочах, фреонах, синтетических маслах. Резины непригодны для применения в угле­ водородах, минеральных, растительных и животных маслах и жирах.

Резины на основе СКТ имеют сравнительно низкую прочность, эластичность и сопротивляемость к истиранию. Однако благодаря высокой температурной стойкости, стойкости к окислению, высокой стойкости к воздействию радиации, малой склонности к старению, хорошим релаксационным свойствам их применяют в качестве материала уплотнительных элементов для различных газообраз­ ных сред в условиях воздействия переменных напряжений. Они стойки также к воздействию спирта, растительных и животных масел и жиров. Нестойки в минеральных маслах, углеводородах

Резины на основе СК.Ф имеют малую эластичность сравнительно с резинами на основе НК. Однако они характеризуются высокой температурной и химической стойкостью. Резины используют при температурах от —30 до 200° С (250° С). Они весьма стойки к воз­ действию сильных окислителей, минеральных масел, синтети­ ческих, растительных и животных масел и жиров, углеводоро­ дов, растворителей, разбавленных растворов кислот, растворов солей. Эти резины имеют низкую морозостойкость и малую стой­ кость к радиационному облучению.

Резины на основе СКТФ по свойствам близки к резинам на основе СКФ. Они имеют большую морозостойкость (до —60° С).

Приведенные выше данные являются лишь ориентировочными. Для выбора конкретной марки резины нужно пользоваться стан­ дартами, техническими условиями и другими нормативными мате­ риалами. В отдельных случаях, когда определение оптимальной марки резины для заданных условий затруднительно, следует обращаться в специализированные организации (НИИРП).

Основные свойства резин, используемых в торцовых уплотнени­ ях Нальчикского машиностроительного завода, приведены в табл. 5.

Необходимо учитывать, что свойства резины со временем изменяются в результате старения. Этот процесс ускоряется с по­ вышением температуры окружающей среды, ее окислительной способности, интенсивности радиации и механического воздей­ ствия на уплотнение. Наиболее важным фактором, определяю­ щим скорость старения резины, является температура. Исполь­ зуя повышенные температуры, создают условия ускоренного искусственного старения резин. При старении резин их эластич­ ность падает, а твердость и величина остаточных деформаций возрастают, поэтому уплотнительные свойства колец круглого сечения и других элементов р течением времени ухудшаются. Процесс старения резин хорошо описывается экспоненциальной зависимостью [18].

Зависимость остаточной деформации резины ИРП-1225А от времени старения при разных температурах приведена на рис. 99 (данные Ленинградского филиала НИИРП).

Кроме процесса старения, в жидких средах наблюдается набу­ хание или потеря веса резины. При набухании происходит диффу­ зия молекул жидкости в резину, сопровождающаяся увеличением объема уплотнительного элемента. В результате набухания эла­ стичность резины возрастает. Если процесс растворения какихлибо компонентов резины средой преобладает над ее набуханием, то происходит потеря веса резины и уплотнительная способность элемента ухудшается. Герметичность резинового уплотнения мо­ жет нарушиться также в результате потери им эластичности при чрезмерно низкой (стеклообразное состояние) или высокой (пла­ стическое состояние) температурах.

Более подробные сведения о свойствах резин, характеристи­ ках изготовляемых из них уплотнительных элементов с рекомен­ дациями по их расчету и конструированию приведены в ра­ боте [18].

В наиболее агрессивных средах и в более тяжелых температур­ ных условиях в качестве материала для уплотнительных колец используют фторопласт-4 (чистый и с наполнителями). В отличие от резин фторопласт-4 имеет значительно большую жесткость, меньшую упругость и холоднотекучесть [/35 ]. Высокий коэффи­ циент температурного расширения фторопласта-4 и сильная за­ висимость этого коэффициента от температуры (рис. 100) очень затрудняют использование фторопласта-4 в торцовых уплотне­ ниях. В то же время высокая химическая стойкость фторопласта-4

146

(на него действуют только расплавленные щелочные металлы, их растворы в аммиаке, трехфтористый хлор, элементарный фтор при высоких температурах), его несмачиваемость, отсутствие набухания в средах, высокая стойкость к температурам при экс­ плуатации в уплотнениях (от— 10 до +250° С), низкий коэффи-

Рис. 99. Зависимость остаточной деформации резины ИРП-1225А от времени естественного и ускоренного старения на воздухе при разных температурах и сжатии 30%

циент трения при малых скоростях скольжения по твердой поверхности (0,05—0,1) позволяют широко применять фторопласт-4 для изготовления уплотнительных колец, манжет и других эле­ ментов.

Рис. 100. Зависимость коэффициента линейного расширения (значения увеличены в 106 раз) фторопласта-4 от темпера­ туры [35]

Наибольшее распространение в торцовых уплотнениях бла­ годаря простоте и надежности получили уплотнительные кони­ ческие кольца, предложенные фирмой Крейн Пекинг (Англия)- Конические кольца различной формы из фторопласта-4 были испытаны во ВНИИГидромаше (рис. 101, а). Кольцо имеет кони­ ческую поверхность с углом менее 30°, находящуюся в контакте с конической поверхностью кольца пары трения, у которой угол

поверхностей А, поэтому скольжение по поверхностям Б при угло­ вых вибрациях кольца пары трения здесь принципиально исклю­ чено. Большая герметичность двухпоясковой поверхности Б и более широкая площадь контакта поверхности А обеспечивают высокую износостойкость уплотнения.

Кольца можно изготовлять из чистого фторопласта-4, но луч­ шие результаты дает применение фторопласта-4 с наполнителями. Износостойкость колец и устойчивость их формы значительно повышаются, а трение по валу падает при использовании мате­ риалов типа ФКМ-105 (см. табл. 4).

Применение фирмой Крейн Пекинг (Англия) колец с кони­ ческими поверхностями из политетрафторэтилена, наполненного асбестом и другими компонентами, позволило повысить допусти­ мую температуру эксплуатации уплотнений с 240 до 400° С.

Торцовые уплотнения с кольцами, показанными на рис. 101, можно рекомендовать для сред с сильными окислительными свой­ ствами, для различных растворителей, сжиженных газов, а также кислот, щелочей и других агрессивных жидкостей.

При установке колец из фторопласта-4 во время сборки торцо­ вых уплотнений детали, относительно которых перемещаются уплотнительные кольца, должны иметь плавные конические пе­ реходы от одного диаметра к другому, скругленные радиусами.

В некоторых случаях, особенно для крупных уплотнений перспективно применение в качестве вторичных уплотнений раз­ личных сальниковых набивок. Это позволяет расширить область использования торцовых уплотнений в отношении параметров их работы и уплотняемых сред.

Кольца, манжеты и набивки имеют недостаток, заключающийся в неопределенности и переменности величины силы их трения от­ носительно вала (втулки). При загрязнении поверхности вала перед кольцом солями, продуктами коррозии и т. п. оно может потерять подвижность в осевом направлении и уплотнение вый­ дет из строя. Этот недостаток отсутствует у таких уплотнительных элементов, как мембраны и сильфоны.

Мембраны сравнительно редко используют в конструкциях торцовых уплотнений (см. рис. 4). Это объясняется их большими радиальными размерами, трудностью установки, недостаточной эластичностью в осевом и угловом направлениях перемещения, слабой сопротивляемостью действию давления. С другой стороны, мембраны просты в изготовлении практически на любой размер вала. Материалы для мембран — металлы (например, хромони­ келевые стали), пластмассы (фторопласт-4) и резины.

Наиболее совершенными уплотнительными элементами, используемыми как вторичные уплотнения, являются сильфоны. Они обеспечивают высокую герметичность при большой эластич­ ности в осевом и угловом направлениях, износостойки и надежны в работе в самых тяжелых условиях (в средах с большим содержа­ нием твердых примесей, в высокоагрессивных средах, при высо­

149