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

сравнительно большая гидродинамическая сила в зазоре пары трения, увеличение толщины слоя жидкости и повышенная утечка через зазор.

Для обыкновенных торцовых уплотнений это, как правило, не­ желательно. Однако при достаточно высоких параметрах работы уплотнения, волнистость может быть использована для снижения износа пары и уменьшения интенсивности трения и выделения

Одно из них имеет плоскую, а другое — волнистую поверхность. Рассмотрение задачи в случае, когда оба кольца имеют волнистую поверхность, представляется сложным из-за неустановившегося те­ чения жидкости в зазоре и неопределенности граничных условий.

Используем уравнения движения вязкой несжимаемой жидко­ сти Навье—Стокса. Оценивая порядок слагаемых в уравнениях с учетом малости отношения Ыг и пренебрегая слагаемыми порядка

47

После несложных выкладок для давления и радиальной состав­ ляющей скорости течения жидкости в зазоре уплотнения получим

In —

(27)

(28)

Если считать, что слой жидкости в зазоре уплотнения непреры­ вен, то, интегрируя выражение (27) по радиусу и углу, найдем, что гидродинамическая сила при любом плавном изменении тол­ щины слоя в зазоре равна нулю. Существует лишь гидростати­ ческая сила от действий перепада давления.

Таким образом, как уже отмечалось ранее, волнистостью нельзя объяснить гидродинамическое расклинивание поверхно­

возникающего в результате вращения одного из колец. Если пере­ пад давления р 0 равен нулю, то расход жидкости, втекающей в расширяющиеся части зазора, равен расходу жидкости, выте­ кающей из сужающихся частей зазора. Таким образом, общий рас­ ход утечки через зазор уплотнения получается равным нулю.

Можно оценить гидродинамическую силу и величину утечки жидкости для случая, когда непрерывность слоя жидкости нару­ шается вследствие кавитации в расширяющихся частях зазора.

Используя выражение (27), для волнистой поверхности с чи­ слом одинаковых волн г, получим выражения гидродинамической

48

Как видно из формулы (29), гидродинамическая сила, в отли­ чие от формулы (18), обратно пропорциональна квадрату зазора.

Момент трения уплотнения может быть подсчитан с запасом при условии непрерывности слоя жидкости, что определяется меньшим трением газожидкостной эмульсии в расширяющихся частях зазора.

В данной теории напряжение силы жидкостного трения запи­ сывается так же, как при трении между параллельными стенками:

Отсюда для момента трения получим

2я

(32)

о

Определение утечки жидкости через зазор уплотнения ослож­ няется тем, что неизвестно, как рассчитывать утечку через расши­ ряющиеся части зазора.

Наиболее соответствующим принятой схеме — отсутствию жид­ кости в расширяющихся частях зазора — представляется расчет, в котором утечка жидкости через эти участки считается равной нулю. Это звучит несколько парадоксально, но может быть обо­ сновано следующим образом. При поступлении под действием пере­ пада давления в расширяющиеся части зазора жидкость подвер­ гается воздействию растягивающих напряжений и кавитирует. При этом из нее выделяются пары, а с наружной стороны подса­ сывается воздух. В результате в зазоре образуется газожидкост­ ная эмульсия. Такой процесс значительно повышает сопротивле­ ние протеканию жидкости, что позволяет пренебречь величиной утечки через расширяющиеся части зазора. При этом объемный расход утечки

ивеличины зазора, вызванные, по мнению авторов, волнистостью

инепараллельностью трущихся поверхностей. Это в дальнейшем послужило основанием для создания соответствующей гидроди­ намической теории рабочего процесса торцового уплотнения [53], сходной по использованию метода короткого подшипника и по основным результатам с опубликованным ранее решением [8 ].

Неблагоприятное влияние волнистости на величину утечек торцовых уплотнений мы наблюдали при исследовании и приме­ нении большого числа уплотнений. Если в нормально работающем

уплотнении величина объемного расхода утечки обычно не пре­ вышала 30 см3/ч, то через уплотнение с волнистостью — 1 мкм и более утечка составляла сотни кубических сантиметров в час при сравнительно небольших перепадах давления. Создаваемая волнистостью колец гидродинамическая сила обеспечивает лучшие условия трения, однако это значительно увеличивает утечки жид­ кости. Кроме того, изготовление уплотнений с заданной волни­ стостью связано со значительными технологическими трудностями, а при эксплуатации волнистость может изменяться (в результате

износа, деформаций и других при­

что слой жидкости в зазоре пары трения непрерывен и жидкость полностью заполняет пространство по обе стороны пары трения.

Для пояснения описанного явления рассмотрим рис. 36. Одно из колец пары трения вращается с эксцентриситетом относительно другого кольца, и их поверхности трения непараллельны. Допу­ стим, что плоскость относительного наклона поверхностей пер­ пендикулярна плоскости чертежа и совпадает с диаметром кольца а—а. В этом случае кольцо, вращаясь с эксцентриситетом отно­ сительно центра, захватывает жидкость по границе с увеличенным зазором и пропускает по границе с уменьшенным зазором. Расход жидкости от периферии к центру больше обратного расхода и происходит притекание жидкости к центру кольца. Противополож­ ная картина будет наблюдаться, если наклонить поверхности колец в обратном направлении или придать обратное вращение кольцу. Очевидно описанный эффект возникает и при волнистых поверхностях колец. Порядок величины объемного расхода утечки жидкости для случая, показанного на рис. 36, можно определить по формуле

Таким образом, расход утечки зависит лишь от геометрии пары и скорости вращения кольца.

50