Содержание
1. Фізичні основи механічних торцевих ущільнень
1.1 Принцип роботи
1.2 Класифікація торцевих ущільнень
1.3 Режим тертя контактних поверхонь
1.4 Зношування пар тертя
1. Фізичні основи механічних торцевихущільнень1.1 Принцип роботи
В данний час торцеві механічні ущільненнязнаходять все більш широке застосування завдяки таким важливим якостям, якгерметичність та довговічність. За кордоном сформувалася спеціалізована галузьз виробництва торцевих механічних ущільнень. Провідні фірми Ф. Бургман,Пасифік, Меркель (ФРН), Флексибокс, Крейн Пекінг (Англія), Борг-Вонер, Гарлок,Локхід (США) та інші поставляють комплектні вузли ущільнень для широкогодіапазону параметрів та умов роботи, гарантуючи ресурс десятки тисяч годин.
/>
Рисунок 1 — Торцеве механічне ущільнення
Найпростіша конструкція торцевого ущільнення(рис.1) має нерухоме 2 та аксіально рухоме 3 ущільнювальне кільцяіз зносостійкого матеріалу, які закріплені в обоймах 1 та 5. Попереднійконтактний тиск між кільцями забезпечується силою стиснення пружини6, апотім збільшується за рахунок сили тиску ущільнювальної рідини. Зазор між валомта аксіально рухомим кільцем 3 герметизується вторинним ущільненням 4;крутильний момент, необхідний для подолання тертя на контактних торцевихповерхнях, передається від вала на кільце, що обертається, через паводковийпристрій: штифт 7 та юбка кільця з поздовжнім пазом.
Герметизація здійснюється за рахунок стисненняторцевих поверхонь нерухомого 2 та рухомого 3 кілець. Іззбільшенням контактного тиску герметичність підвищується, проте при цьомузбільшуються втрати потужності на тертя, внаслідок чого підвищується зносповерхонь, що труться, їх нагрів та температурні деформації. Таким чином, працездатністьущільнення визначається перш за все контактним тиском та фізичними процесами наконтактуючих та обертових стосовно одна одної торцевих поверхонь.
На підставі наявних експериментальних данихроботу ущільнення спрощено можна представити. Коли весь зазор заповненийрідиною, існують неминучі витоки, які відводять тепло від пари тертя, та внормальних умовах встановлюється тепловий баланс. При збільшенні втратпотужності на тертя (наприклад, через зростання колової швидкості) температурав шарі зростає, та може настати момент, коли рідина в цьому шарі почне кипіти. Якправило, це відбувається в ділянці, прилеглій до зовнішньої камери з низькимтиском, де температура максимальна, оскільки температура рідини підвищується вміру її протікання у зазорі від області високого до області низького тиску. Утворюютьсярідка та пароподібна фази, а межа поділу між ними може рухатися по радіусу; областьрідкої фази зменшується у міру збільшення втрат потужності на тертя.
На поверхні розділу за рахунок енергії тертявідбувається інтенсивне пароутворення. Тому температура в зазорістабілізується, тим паче, що утворення пару зменшує силу в'язкого тертя. Занесприятливих умов рідка фаза може зменшуватися настільки, що шар рідини взазорі втратить суцільність. Це веде до різкого підвищення температури, танормальна робота ущільнення порушується.
Таким чином, якщо допускаються видимі витоки,необхідно забезпечити нормальне відведення тепла, щоб запобігти пароутворенню. Якщож ущільнення повинні працювати без видимих витоків, необхідно стабілізуватиположення межі поділу фаз. У зв'язку з цим при малих окружних швидкостях тав'язких рідинах може виявитися корисним навіть зменшення тепловідведення. При великих же швидкостях необхідно забезпечувати надійнеохолоджування пар тертя.
Складністю процесів тертя та зношуванняобумовлені основні труднощі розрахунку торцевих механічних ущільнень тапрогнозування їх експлуатаційних характеристик. У цьому випадку практика значновипереджає теорію: гострота проблеми герметизації роторів змушує часто на дотикшукати та знаходити правильні конструктивні та технологічні рішення для різнихущільнювальних рідин, їх тиску, колових швидкостей, температур, вимог донадійності, довговічності та герметичності при економічно виправданій вартості.1.2 Класифікація торцевих ущільнень
Конструкція ущільнення та його характеристикивизначаються експлуатаційними чинниками, перш за все тиском р1ущільнювальної рідини та середньою коловою швидкістю />. В якості загальногопоказника використовують p1v. Є. Майєр [1]умовно розділяє торцеві ущільнення за експлуатаційними навантаженнями на чотиригрупи (табл.1), що дозволяє у загальних рисах уявити труднощі, пов'язані згерметизацією роторів конкретних насосів. Якщо ущільнення першої та другої групвиробляються серійно, то ущільнення четвертої, а часто і третьої групивимагають індивідуального проектування і виготовлення.
Таблиця 1
/>
Подібна класифікація за експлуатаційнимиознаками [2], що включає також характеристики ущільнювального середовища,наведена в таблиці 2. У цій класифікації відповідні групи навантаження упорівнянні з таблицею 1 відрізняються вищими параметрами. Для ущільненьспецифічного призначення параметри навантаження не регламентуються.
Таблиця 2
/>
В якості універсальної експлуатаційноїхарактеристики ущільнень можна використовувати безрозмірний критерій режиму [3]/> з точністю до множника, щозбігається із зворотним числом Зоммерфельда. Класифікація за експлуатаційнимиознаками у неявному вигляді відображає конструктивні особливості тавикористовувані матеріали, що забезпечують працездатність різних за умов роботигруп ущільнень [4].
Різноманітність умов роботи та вимог доущільнень спричинила до нескінченної безлічі конструкцій, які можнакласифікувати [2] за обмеженим числом визначальних конструктивних ознак (рис.2).У наведеній класифікації показані лише принципові схеми одинарних торцевихущільнень, з яких можна комбінувати складніші багатосекційні вузли ізпослідовно або паралельно сполученими секціями. Докладніша класифікація повиннавраховувати характерні ознаки окремих елементів торцевих ущільнень: вториннихущільнень, пружних елементів, стопорних пристроїв, геометрію контактнихторцевих поверхонь, засоби відведення тепла і т.п.
При проектуванні торцевих ущільнень в якостікритерію оптимальності доцільно брати показник довговічності, наприклад, середнійресурс, тобто математичне очікування напрацювання до настання граничного стану,коли подальша експлуатація стає технічно неможливою або недоцільною. Іншіважливі вимоги — герметичність, безвідмовність, мінімум втрат потужності натертя, допустимі габарити та вартість — потрібно розглядати як обмеження взадачі оптимізації.
/>
Рисунок 2 — Класифікація торцевих ущільнень
Довговічність торцевих ущільнень визначаєтьсязносостійкістю матеріалів пар тертя, умовами експлуатації та контактним тиском,які, у свою чергу, залежать від ряду конструктивних та експлуатаційних чинників.До конструктивних чинників, окрім коефіцієнта навантаження та напрямурадіальної течії, відносять геометричну форму радіального перетинуущільнювальних кілець, їх діаметр та спосіб кріплення. Основні експлуатаційнічинники: частота обертання ротора, фізичні властивості, тиск та температураущільнювального середовища, зміст абразивних домішок у ній, величина тахарактер вібрацій ротора.1.3 Режим тертя контактних поверхонь
Механічні торцеві ущільнення працюють занаявності плям контакту між торцевими поверхнями, які обертаються відносно одинодного. При цьому основною причиною обмеження ресурсу є зношування змазанихшорстких поверхонь у результаті тертя. Таким чином, крім інших чинників, назнос впливають режим тертя та параметри поверхонь.
Характеристика мікронерівностей, щообумовлюють шорсткість поверхні незалежно від способу її отримання,визначається класом шорсткості (табл.3). В якості основних параметрівшорсткості (ГОСТ 2789-73) використовують середнє арифметичне відхилення Raпрофілю на базовій довжині l, висоту нерівностей Rzза десятьма точками танайбільшу висоту нерівностей профілю Rmax.
Уявлення про різні режими тертя даєузагальнена крива Штрібека (рис.3), що відображає якісний зв'язок коефіцієнтатертя fз безрозмірною величиною /> якапропорційна відношенню сили рідинного тертя до сили контактного тиску (/> - динамічний коефіцієнтв'язкості ущільнювальної рідини: /> - частотаобертання ротора). Права ділянка І кривої відповідає режиму рідинногозмащення: між поверхнями, що труться, зберігається безперервний шар рідини. Значеннясереднього зазору h задовольняє умову /> де/> />, /> - середні арифметичнівідхилення профілів контактуючих шорстких поверхонь. У режимі рідинногозмащення коефіцієнт тертя /> легкообчислити, оскільки сила тертя дорівнює
/>, (1)
а сила нормального тиску Р=pcSc,де Sc — площа контакту, /> -дотична напруга, рс — средній контактнийтиск. У результаті
/> (2)
Таблиця 3
/>
/>
Рисунок 3 — Крива Штрібека
У міру збільшення зовнішнього навантаження Рта відповідно контактного тиску зазор зменшується настільки, що між окремимивиступами шорсткості виникає контакт та порушується суцільність масляного шару(ділянка ІІ кривої Штрібека, що відповідає змішаному змащенню). Характерніспіввідношення між середнім зазором та параметром шорсткості такі: />. Коефіцієнт тертя восновному визначається в'язкістю мастила, але частково вже виявляється йогозалежність від антифрикційних властивостей матеріалів пари тертя.
При подальшому збільшенні навантаження тазближенні контактних пар />) деякіоб'єми мастила зберігаються лише в западинах, а решта поверхні покритаадсорбованою плівкою, товщина якої становить декілька молекулярних шарів /> Коефіцієнт тертя в режиміграничного змащення (ділянка ІІІ) визначається антифрикційнимивластивостями матеріалів та фізико-хімічною структурою адсорбованих плівокмастила. Граничне тертя — найхарактерніший режим тертя механічних торцевихущільнень. При цьому ущільнення зберігають високу герметичність: видимі витокиабо взагалі відсутні (встигають випаруватися), або спостерігаються лишекраплинні витоки.
При сухому терті (ділянка IV кривоїШтрібека) мастило відсутнє, тому адсорбована плівка руйнується без відновлення.Між нерівностями шорстких поверхонь, що труться, відбуваються періодичнідотики, що супроводжуються пластичними деформаціями із значним підвищенняммісцевого тиску та температур, що у результаті призводить до втомного руйнуванняповерхонь тертя. Крім того, посилюється молекулярний зв'язок (адгезія) міжтілами, що труться, який може приводити до заїдання та схоплювання. Сухе тертязустрічається рідко, зокрема, коли ущільнюється вакуум.
Між розглянутими режимами тертя немає чіткихмеж, оскільки процес тертя визначається випадковими чинниками та має випадковийхарактер, так само, як і процес зношування поверхонь, що труться.
1.4 Зношування пар тертя
Зношування — процес поступової зміни розмірівтіла при терті, що виявляється у відділенні з поверхні тертя матеріалу та (або)його залишкової деформації (ГОСТ 16429-70). Знос — результат процесузношування, його кількісний вираз. В якості показників зношуваннявикористовують: лінійний знос U — висоту зношеного шару матеріалу (ресурсвузла тертя визначається гранично допустимим лінійним зносом), мкм; інтенсивністьзношування і = U/L — відношення лінійного зносу до шляху, на якомувідбувалося зношування; швидкість зношування /> -відношення лінійного зносу до часу зношування, мкм/год. Процесзношування правильно підібраних пар тертя має, як правило, три стадії (рис.4): І — стадія мікроприпрацювання, протягом якої відбувається зміна початкової,технологічної шорсткості в рівноважну експлуатаційну, відповідну даним умовамтертя та зношування і яка має здатність самовідтворюватися у процесі тертя. Залежновід умов параметри початкової шорсткості на стадії мікроприпрацювання можуть якзменшуватися, так і збільшуватися. Чим ближче початкова шорсткість дорівноважної, тим коротше стадія припрацювання. При терті заздалегідьдеформованих або неточно встановлених (з перекосом) поверхонь існує такожперіод мікроприпрацювання, протягом якого зношування приводить до зміниномінальної площі контакту поверхонь тертя.
/>
Рисунок 4 — Залежність показника зношуваннявід часу
Друга стадія (ІІ) — стадія нормального,сталого зносу: />, />. У багатьох випадкахспостерігається стадія катастрофічного зносу (ІІІ) — стадія інтенсивногонаростання швидкості зношування, обумовленого несприятливою зміною зовнішніхчинників або зміною умов тертя через досягнення гранично допустимого зносу.
Сталий режим зношування при характерному дляторцевих ущільнень граничному терті якнайповніше описується розробленою І.В. Крагельським[5, 6] молекулярно-механічною (адгезійно-деформаційною) теорією тертя івтомного зношування. Відповідно до цих теорій тертя обумовлене, з одного боку,деформацією матеріалу, який проник нерівностями (пружне або пластичневідтиснення), з іншого — подоланням молекулярних (адгезійних) зв'язків у зоніконтакту. В результаті повторно багаторазових деформацій у процесі тертя,пов'язаних як з механічним відтисненням, так і з безперервним утворенням таруйнуванням фрикційних зв'язків у деформованих мікрооб'ємах поверхневого шарунакопичуються дефекти, що приводять до втомного руйнування. Для зменшенняінтенсивності зношування дуже важливо, щоб відшаровування матеріалу через деформаціїзсуву локалізувалися в тонкому поверхневому шарі та не захоплювали увесьмікрооб'єм, що деформується. Це можливо за умови, що на поверхні тертя єослаблений шар з малим зсувним опором />.Ця умова формулюється як універсальне правило позитивного градієнта [5]: />, тобто зсувний опірповинен зростати в напрямку нормалі п до поверхні тертя (нормальспрямована в глиб матеріалу).
На підставі викладених уявлень про процеситертя та зношування запропоновані розрахункові формули для оцінки показниківзношування, що містять ряд коефіцієнтів, які повинні визначатися експериментальнодля конкретних матеріалів та умов тертя. У монографіях Є. Майєра [1], А.І. Голубєва[4], Л.А. Кондакова [7] зібраний великий експериментальний матеріал щодо тертята зносу торцевих ущільнень, що дозволяє орієнтовно прогнозувати довговічність ущільненьна стадії їх проектування.
Основним чинником, що визначає знос, єконтактний тиск, який, у свою чергу, залежить не тільки від конструктивних таексплуатаційних параметрів, але і від ряду внутрішніх процесів, супутніх роботіущільнення. Зокрема, значний вплив на процеси в парі тертя можуть робити силовіта температурні деформації, які визначаються геометричною формою ущільнювальнихкілець, потужністю втрат на тертя та умовами тепловідведення.
Таким чином, торцеві ущільнення є динамічноюсистемою, спрощена структурна схема якої (рис.5) дає уявлення про зв'язки тавзаємодію основних елементів системи, про характер їх передавальних функцій,про зовнішні дії та виходи системи. У той же час із структурної схеми виднозадачі розрахунку, які зводяться до визначення передавальних функцій елементівта оцінки реакції (виходу) системи на зовнішні дії. Як вихід можна використатиресурс Тр ущільнення або лінійний знос U торцевихконтактних поверхонь.
/>
Рисунок 5 — Структурна схема торцевогоущільнення
Через складність процесів термогідропружності,тертя та зношування більшість передавальних функцій елементів системи непіддається достатньо точному визначенню. Тому розрахунок доводиться обмежувати приблизними оцінками та порівнянням знову проектованих ущільнень зперевіреними в експлуатації аналогами. У викладеній нижче методиці порядокрозрахунку взятий відповідно до нумерації передавальних функцій структурноїсхеми (рис.5).