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

в) тепловые явления, связанные с трением пары (температура жидкости, критическая температура, теплопроводность материалов пары, условия отвода тепла, температурные деформации поверх­ ностей и др.).

Остановимся на результатах некоторых экспериментальных исследований трения в зазорах обыкновенных уплотнений.

При испытаниях уплотнений в зазорах пар трения обнаружен слой жидкости (масло, керосин), причем воспринимаемая им на­ грузка обратно пропорциональна 3—6-й степени толщины слоя [44]. Приданной толщине слоя нагрузка возрастала с увеличением

циента трения в торцовых уплотнениях от приложенной к их парам трения нагрузки приведено в работе [60]. Эти кривые имеют падающую форму, что свидетельствует о полужидкостном харак­ тере трения (рис. 27).

Аналогичные зависимости для коэффициента трения получены в работах [19, 27] и др.

Более общие данные, полученные в результате варьирования материалов, сред, скоростей скольжения и давлений торцовых уплотнений приведены в работах [54 и 72]. Оба автора предста­ вили зависимости коэффициентов трения от рабочего параметра уплотнений G = fiVblW, сходного с числом Зоммерфельда для подшипников. Это позволило определить области различных ре­ жимов работы пар трения уплотнений. Так, график на рис. 28 показывает, что при малых нагрузках, больших скоростях и вяз­ костях жидкостей торцовые уплотнения работают в режиме жид­ костного трения [54].

Следует отметить наблюдающуюся в экспериментах с узлами уплотнений закономерность: коэффициент трения резко падает при пусках в работу уплотнений (приблизительно в 2 раза) и, наоборот, повышается при остановке вала.

Это явление можно объяснить возникновением и исчезновением (выдавливанием) слоя жидкости в паре трения.

Форма трущихся поверхностей влияет весьма существенно на характер трения и величину утечки через уплотнение. Обычно норма отклонений от плоскостности составляет от 0,3 до 0,9 мкм. Однако в процессе работы или в результате плохой доводки могут возникать большие значения отклонений. Если отклонения имеют

f

0,2

0,1

0,05

0,03

характер волнистости, то утечка через зазор уплотнений возра-

в зазоре уплотнения влияют их микронеровности (шероховатости).

отмечали начало перегрева и задира поверхностей. Установлено, что существует оптимальная шероховатость поверхностей, при которой слой жидкости в паре трения выдерживает максимальную сжимающую нагрузку (рис. 29).

На рис. 30 показаны участки рабочей поверхности колец вблизи границы, разделяющей поверхности, подвергавшиеся и не под­ вергавшиеся трению после приработки в уплотнении. Из рисунка

36

видно, что при малой начальной шероховатости поверхность сгла­ живается в результате трения, зазор в паре уменьшается и ухуд­ шаются условия смазки поверхностей жидкостью. Наоборот, при грубой обработке поверхностей наблюдается микрорезание и пере­ нос более мягкого углеграфита на металлическую поверхность; приработки поверхностей не происходит.

трения.

Влиянием изменений микрорельефа трущихся поверхностей можно объяснить наблюдаемые нередко при длительных испыта­ ниях уплотнений нарушения их работы. В результате износа пары трения с течением времени шероховатости сглаживаются, зазор

впаре трения уменьшается, происходит перегрев и образуются задиры и термотрещины на трущихся поверхностях.

Рассмотрим некоторые экспериментальные данные о влиянии материалов трущихся поверхностей на работу пары трения.

Выбор материалов (подробнее об этом см. стр. 111) имеет решаю­ щее значение.

Например, пара трения бронза—сталь, удовлетворительно ра­ ботающая на маслах, малопригодна для работы на воде. При этом происходит перенос бронзы на сталь, наблюдается большой износ

итепловыделение, что в конечном счете приводит к чрезмерной утечке и выходу из строя уплотнения.

Создание различных синтетических материалов на основе угля

играфита способствовало широкому внедрению торцовых уплот­ нений. Дальнейшее повышение требований и усложнение услов-ий работы уплотнений привело к разработке специальных металло­ керамических и керамических материалов, пластмасс и углеграфитов. Так, например, использование материала на основе кар­ бида вольфрама позволило по сравнению с наплавкой стеллитом

ваналогичных условиях значительно повысить рабочие пара­ метры уплотнений. Это подтверждено опытом, проведенным во ВНИИИГидромаше.

Два уплотнения с коэффициентом разгрузки k = 1 испыты­ вали одновременно при п = 3000 об/мин на воде. В одном из них

было установлено вращающееся кольцо с наплавкой стеллита, в другом — из карбида вольфрама. Неподвижные кольца были изготовлены из углеграфита 2П-1000, пропитанного фенолформаль­ дегидной смолой. Давление при испытании постепенно повышали. При давлении около 20 кгс/см2 из уплотнения с вращающимся кольцом, выполненным с наплавкой стеллита, начал выделяться пар. Уплотнение с кольцом из карбида вольфрама продолжало нормально работать и при более высоком давлении.

При разборке на рабочей поверхности кольца с наплавкой стел­ литом были обнаружены следы перегрева и трещины, а на поверх­ ности кольца из карбида вольфрама никаких следов трения обна­ ружено не было.

38

стенки колец пары трения благодаря их теплопроводности. На поверхностях трения уплотнений возможны температуры, значи­ тельно более высокие, чем температура уплотняемой жидкости, поэтому температура кипения жидкости является одним из важных параметров, определяющих условия работы пары трения.

При вскипании жидкости в зазоре уплотнения наблюдается

Yвибрация трущихся поверхностей, сопровождающаяся соударе­ нием (характерный шум) и быстрым разрушением. Вибрация вы­

При кипении жидкости в зазоре уплотнения, когда темпера­ тура воды превысила 100° С, а температура спирта — 78° С, воз­ никла осевая вибрация пары трения и шум, воспринимавшийся микрофоном. С повышением давления жидкости граница зоны па­ рообразования сместилась к выходу из зазора пары.

Обратимся теперь к существующим теориям рабочего процесса торцового уплотнения.

Большинство теорий базируется на гидродинамических теориях возникновения силы в контакте пары трения работающего уплот­ нения. Часть этих теорий рассматривает отдельные шероховатости как микроподшипники жидкостного трения [39, 55]. При этом обычно предполагают, что в расширяющихся частях зазоров жид­ кость кавитирует и давление равно давлению ее паров. Согласно этим теориям, гидродинамическая сила, как и в подшипниках скольжения, обратно пропорциональна квадрату зазора, что не соответствует более сильной зависимости в упоминавшихся выше экспериментах. Кроме того, они не объясняют возникновение силы в зазорах уплотнений, где кавитация подавлена высоким давле­ нием жидкости перед уплотнением или повышенным давлением

40