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

В работе [57 ] термопары, изготовленные по схеме на рис. 111, а из константанового проводника 1итрубки 5 из нержавеющей стали, применяли для измерения температуры поверхности вала под резиновой манжетой (диаметр термопар 0,6 мм).

Для измерения зазора в парах трения используют в основ­ ном два электрических метода: емкостный и индукционный. Для измерений емкостным методом служат емкостные датчики, кото­ рые обычно закрепляют в неподвижном кольце пары трения за­ подлицо с его рабочей поверхностью. Второй обкладкой конден­ сатора служит вращающееся (заземленное) кольцо пары трения 16]. Измерения емкостными датчиками возможны лишь на жидко­ стях с электроизлирующими свойствами. Ошибки при измере­ ниях этим методом возникают вследствие неопределенности вели­ чины диэлектрической постоянной слоя жидкости.

Для измерений зазоров на воде и других средах, не имеющих хороших изоляционных свойств, используют индукционный метод. Он менее чувствителен, чем емкостный. Точность измерения индукционным методом в еще большей степени зависит от посто­ ронних электрических влияний. В качестве датчиков здесь исполь­ зуют подковообразные катушки, закрепленные заподлицо с рабо­ чей поверхностью. Индукционный способ пригоден для измере­ ний сравнительно больших зазоров в гидродинамических и гидро­ статических уплотнениях.

В последние годы применяют метод просвечивания зазора иксили гамма-лучами от радиоактивного источника (изотопа), укрепленного на неподвижной или вращающейся детали. С изме­ нением величины зазора изменяется интенсивность лучей, про­ шедших через него. Эта интенсивность определяется приемни­ ками, установленными у выхода из зазора. Этот метод отличается высокой чувствительностью (сотые доли микрона), не требует токосъемников, может быть применен для большинства сред (единственное требование — достаточная для излучения проз­ рачность среды).

Следует отметить также метод интерференции света, весьма эффективный для исследования формы зазора при контактно­ гидродинамической смазке [74 ] и деформаций колец торцовых уплотнений [41]. Использование микроскопа для рассмотрения интерференционных световых колец обеспечивает высокую чув­ ствительность метода [74].

Утечки различных жидких сред через зазоры пар трения опре­ деляют главным образом объемным способом. Его применяют при утечке в виде отдельных капель, струек, когда можно собрать в некотором объеме или отсчитать число капель за определенное время (в среднем можно принять в расчете объем одной капли 0,1 см3; он зависит от поверхностного натяжения жидкости).

Во многих случаях, особенно при работе уплотнений на легко испаряющихся жидкостях (воде, углеводородах, сжиженных газах), видимой утечки через уплотнение не происходит и жидкость

160

Испаряется из зазора уплотнения без образования капель. Утечку в этих случаях определяют, собирая пары жидкости в герметич­ ном объеме за уплотнением и конденсируя их на охлаждаемых стенках.

Если жидкость является раствором трудноиспаряющихся со­ лей (например, морская вода), то утечку определяют, взвешивая соли, выделяющиеся на выходе из зазора пары трения. При этом следует учитывать, что соли распространя­

случаях часть жидкости при утечке испаряется, оставшаяся часть образует эмульсию и растекается по стенкам.

При определении утечек газообразных сред используют ме­ тод вытеснения ими жидкостей, не поглощающих эти среды. Во ВНИИГидромаше разработано соответствующее устройство (рис. 112). Оно состоит из двух прозрачных цилиндров (из орга­ нического стекла), вставленных один в другой. Внутреннее про­ странство устройства частично заполняется жидкостью. Во вну­ тренний цилиндр подводится утечка газа из герметичного простран­ ства за уплотнением. По скорости вытеснения жидкости из вну­ треннего цилиндра в кольцевое пространство между цилиндрами определяют утечку. Краны в приборе служат для проведения повторных измерений.

При исследовании гидростатических и крупных гидродинами­

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНИЯ И ПОДБОР МАТЕРИАЛОВ ПАР ТРЕНИЯ

Исследование трения проводят на стендах, обычно называемых машинами трения. Основными данными, которые получают на машинах трения, являются коэффициент трения, износ и состоя­ ние поверхностей пары трения.

Один из стендов для испытаний пар трения торцовых уплонений разработан Свердловским турбомоторным заводом им. Воро­ шилова и модернизирован во ВНИИГидромаше (рис. 113). Иссле­ дуемая пара трения состоит из неподвижного 1 и вращающегося 2 колец, прижатых одно к другому своими торцовыми поверхно­ стями с помощью рычага и грузов 3. Жидкость подается через корпус 5 во внутреннее пространство пары трения насосом 6.

А,

мкм/ч

1000

100

10

1,0

0,1

0,01

0,001

Момент трения пары определяют с помощью тензометриче­ ских датчиков 4, наклеенных на две упругие балочки. Для обеспечения большей угловой подвижности кольца 1 во ВНИИГидромаше использовано его карданное соединение с кор­ пусом 5 (рис. 114).

Описанный стенд позволяет в широком диапазоне изменять удельную нагрузку и скорость скольжения в парах трения. Рассмотрим методику проведения испытаний на стенде.

Как было показано ранее, коэффициент трения уплотнения непосредственно зависит от режима трения. Существует зависи­ мость и интенсивности износа пары от режима трения. Обобщая данные многих экспериментов, эти зависимости можно предста­ вить так, как показано на рис. 115 [60]. Интенсивность износа материала быстро возрастает при изменении режима трения от жидкостного к сухому.

Ранее было показано, что величина зазора в паре трения и режим ее трения зависят в первую очередь от удельной нагрузки в паре. Скорость скольжения влияет на режим трения двояко: гидродинамический эффект возрастает с ростом скорости, но па­ дает в результате снижения вязкости среды в зазоре из-за увели­ чения интенсивности выделения тепла.

Если бы зазор оставался постоянным, то с ростом скорости скольжения число соударений шероховатостей поверхностей в еди­ ницу времени возрастало бы и интенсивность износа увеличивалась.

Полученные на практике значения интенсивности износа сов­ ременных материалов имеют весьма низкие значения (см. табл. 4), поэтому их выявление в условиях работы, близких к действительным, требует длительного времени. По данным работы [60] на рис. 116 пред­ ставлена зависимость износа угле­ графитового кольца от времени ра­ боты в торцовом уплотнении. Среда— вода с температурой от 55 до 90° С, давлением 3,5—5 кгс/см2; частота

вращения вала 3000 об/мин. Начальный участок кривой износа

какой-либо пары трения характери­ зуется участком приработки, на ко­ тором коэффициент трения и интен­

сивность износа снижаются. Обычно приработка пар трения с углеграфитовыми кольцами происходит в течение нескольких часов. Пары трения, составленные из твердых материалов, при­ рабатываются в течение десятков и даже сотен часов. В дальней­ шем интенсивность износа и коэффициент трения остаются почти постоянными или медленно изменяются

Впериод приработки сглаживаются некоторые шероховатости

иповерхности приобретают характерный блеск. На рис. 117 по­ казаны поверхности пары трения углеграфит—сталь (9X18) до и после приработки на воде и их профилограммы. Следует также отметить статистически-вероятностный характер трения в торцовых уплотнениях, что требует соответствующего проведения и обра­ ботки результатов экспериментов.

Всвязи с изложенным задачами испытаний на стенде пар трения являются: предварительный отбор наиболее работоспособ­ ных пар трения путем сравнения показателей их трения и износа, определение границ работоспособности пар трения в зависимости от режима трения, обусловленного в первую очередь удельной на­ грузкой в парах.

Время проведения таких экспериментов должно быть порядка нескольких часов для одной пары трения.

Описанный выше стенд пригоден для исследований трения ц износа на чистых средах,

164

Давление в камере (до 5 кгс/см^) создается компрессором, под­ ключенным через емкость 6.

Проведенные во ВНИИГидромаше и СКТБ электробурения [13 ] эксперименты показали, что характер износа пар трения на гидро­ абразивных смесях резко отличается от характера износа на чи­ стых средах. Если на чистых средах интенсивность износа мала и

Рис. 118. Схема стенда для испытаний пар трения на жидкостях с большим содержанием абразивных примесей

в значительной степени зависит от коэффициента трения, то на гидроабразивных средах интенсивность износа на несколько по­ рядков выше и зависит от твердости, размеров и концентрации абразивного вещества.

Особенности гидроабразивного износа можно проследить по результатам испытаний во ВНИИГидромаше на воде, содержа­ щей 4% карбида кремния с размерами зерен основной фракции 0,063 мм, пар трения силицированный графит по силицированному графиту, твердый сплав (на основе карбида вольфрама) по твер­ дому сплаву и др.

Испытания каждой’пары трения проводили в течение 13 ч.

На рис. 119, а и б показаны типичные профили поверхности трения, снятые в радиальном направлении в трех различных се-

166

пениях: верхняя поверхность относится к вращающемуся кольцу, нижняя — к неподвижному.

По характеру износа поверхность трения можно разделить на три участка (/, II, III). Участок I имеет наибольший износ. По­ верхность силицированного графита на этом участке шероховатая с многочисленными выемками. При размере абразивных частиц 63 мкм износ составляет до 270 мкм, причем износ неподвижного

кольца в 3 раза больше, чем вращающегося. Изношенная поверх­ ность начинается за пределами поверхности трения. Все это ука­

зывает на то, что на участке I имеет место гидроабразивный износ материала.

Участок II имеет характерную клиновидную форму; поверх­ ности трения — шероховатые из-за скольжения по ним абразивных частиц. Имеются кольцевые риски, ширина которых уменьшается по мере удаления от входной кромки. Клиновидная форма зазора объясняется дроблением абразива, попадающего между трущимися поверхностями.

Поверхность участка III практически ничем не отличается от поверхностей трения аналогичных материалов при работе на чи­ стых жидкостях.

При дальнейших испытаниях увеличивается радиальная ши­ рина участка II до тех пор, пока участок III не исчезнет совсем.

167