Фізичні основи механічних торцевих ущільнень (стр. 1 из 2)
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 торцевих ущільнень
1.1 Принцип роботи
В данний час торцеві механічні ущільнення знаходять все більш широке застосування завдяки таким важливим якостям, як герметичність та довговічність. За кордоном сформувалася спеціалізована галузь з 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 широкого діапазону 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 кільця із зносостійкого матеріалу, які закріплені в обоймах 1 та 5. Попередній контактний тиск між кільцями забезпечується силою стиснення пружини 6, а потім збільшується за рахунок сили тиску ущільнювальної рідини. Зазор між валом та аксіально рухомим кільцем 3 герметизується вторинним ущільненням 4; крутильний момент, необхідний для подолання тертя на контактних торцевих поверхнях, передається від вала на кільце, що обертається, через паводковий пристрій: штифт 7 та юбка кільця з поздовжнім пазом.
Герметизація здійснюється за рахунок стиснення торцевих поверхонь нерухомого 2 та рухомого 3 кілець. Із збільшенням контактного тиску герметичність підвищується, проте при цьому збільшуються втрати потужності на тертя, внаслідок чого підвищується знос поверхонь, що труться, їх нагрів та температурні деформації. Таким чином, працездатність ущільнення визначається перш за все контактним тиском та фізичними процесами на контактуючих та обертових стосовно одна одної торцевих поверхонь.
На підставі наявних експериментальних даних роботу ущільнення спрощено можна представити. Коли весь зазор заповнений рідиною, існують неминучі витоки, які відводять тепло від пари тертя, та в нормальних умовах встановлюється тепловий баланс. При збільшенні втрат потужності на тертя (наприклад, через зростання колової швидкості) температура в шарі зростає, та може настати момент, коли рідина в цьому шарі почне кипіти. Як правило, це відбувається в ділянці, прилеглій до зовнішньої камери з низьким тиском, де температура максимальна, оскільки температура рідини підвищується в міру її протікання у зазорі від області високого до області низького тиску. Утворюються рідка та пароподібна фази, а межа поділу між ними може рухатися по радіусу; область рідкої фази зменшується у міру збільшення втрат потужності на тертя.
На поверхні розділу за рахунок енергії тертя відбувається інтенсивне пароутворення. Тому температура в зазорі стабілізується, тим паче, що утворення пару зменшує силу в'язкого тертя. За несприятливих умов рідка фаза може зменшуватися настільки, що шар рідини в зазорі втратить суцільність. Це веде до різкого підвищення температури, та нормальна робота ущільнення порушується.
Таким чином, якщо допускаються видимі витоки, необхідно забезпечити нормальне відведення тепла, щоб запобігти пароутворенню. Якщо ж ущільнення повинні працювати без видимих витоків, необхідно стабілізувати положення межі поділу фаз. У зв'язку з цим при малих окружних швидкостях та в'язких рідинах може виявитися корисним навіть зменшення тепловідведення. При великих же швидкостях необхідно забезпечувати надійне охолоджування пар тертя.
Складністю процесів тертя та зношування обумовлені основні труднощі розрахунку торцевих механічних ущільнень та прогнозування їх експлуатаційних характеристик. У цьому випадку практика значно випереджає теорію: гострота проблеми герметизації роторів змушує часто на дотик шукати та знаходити правильні конструктивні та технологічні рішення для різних ущільнювальних рідин, їх тиску, колових швидкостей, температур, вимог до надійності, довговічності та герметичності при економічно виправданій вартості.
1.2 Класифікація торцевих ущільнень
Конструкція ущільнення та його характеристики визначаються експлуатаційними чинниками, перш за все тиском р1 ущільнювальної рідини та середньою коловою швидкістю
. В якості загального показника використовуютьp1v. Є. Майєр [1] умовно розділяє торцеві ущільнення за експлуатаційними навантаженнями на чотири групи (табл.1), що дозволяє у загальних рисах уявити труднощі, пов'язані з герметизацією роторів конкретних насосів. Якщо ущільнення першої та другої груп виробляються серійно, то ущільнення четвертої, а часто і третьої групи вимагають індивідуального проектування і виготовлення.Таблиця 1
Подібна класифікація за експлуатаційними ознаками [2], що включає також характеристики ущільнювального середовища, наведена в таблиці 2. У цій класифікації відповідні групи навантаження у порівнянні з таблицею 1 відрізняються вищими параметрами. Для ущільнень специфічного призначення параметри навантаження не регламентуються.
Таблиця 2
В якості універсальної експлуатаційної характеристики ущільнень можна використовувати безрозмірний критерій режиму [3]
з точністю до множника, що збігається із зворотним числом Зоммерфельда. Класифікація за експлуатаційними ознаками у неявному вигляді відображає конструктивні особливості та використовувані матеріали, що забезпечують працездатність різних за умов роботи груп ущільнень [4].Різноманітність умов роботи та вимог до ущільнень спричинила до нескінченної безлічі конструкцій, які можна класифікувати [2] за обмеженим числом визначальних конструктивних ознак (рис.2). У наведеній класифікації показані лише принципові схеми одинарних торцевих ущільнень, з яких можна комбінувати складніші багатосекційні вузли із послідовно або паралельно сполученими секціями. Докладніша класифікація повинна враховувати характерні ознаки окремих елементів торцевих ущільнень: вторинних ущільнень, пружних елементів, стопорних пристроїв, геометрію контактних торцевих поверхонь, засоби відведення тепла і т.п.
При проектуванні торцевих ущільнень в якості критерію оптимальності доцільно брати показник довговічності, наприклад, середній ресурс, тобто математичне очікування напрацювання до настання граничного стану, коли подальша експлуатація стає технічно неможливою або недоцільною. Інші важливі вимоги - герметичність, безвідмовність, мінімум втрат потужності на тертя, допустимі габарити та вартість - потрібно розглядати як обмеження в задачі оптимізації.
Рисунок 2 - Класифікація торцевих ущільнень
Довговічність торцевих ущільнень визначається зносостійкістю 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 напряму радіальної течії, відносять геометричну форму радіального перетину ущільнювальних кілець, їх діаметр та спосіб кріплення. Основні експлуатаційні чинники: частота обертання ротора, фізичні властивості, тиск та температура ущільнювального середовища, зміст абразивних домішок у ній, величина та характер вібрацій ротора.
1.3 Режим тертя контактних поверхонь
Механічні торцеві ущільнення працюють за наявності плям контакту між торцевими поверхнями, які обертаються відносно один одного. При цьому основною причиною обмеження ресурсу є зношування змазаних шорстких поверхонь у результаті тертя. Таким чином, крім інших чинників, на знос впливають режим тертя та параметри поверхонь.
Характеристика мікронерівностей, що обумовлюють шорсткість поверхні незалежно від способу її отримання, визначається класом шорсткості (табл.3). В якості основних параметрів шорсткості (ГОСТ 2789-73) використовують середнє арифметичне відхилення Ra профілю на базовій довжині l, висоту нерівностей Rzза десятьма точками та найбільшу висоту нерівностей профілю Rmax.
Уявлення про різні режими тертя дає узагальнена крива Штрібека (рис.3), що відображає якісний зв'язок коефіцієнта тертя fз безрозмірною величиною
яка пропорційна відношенню сили рідинного тертя до сили контактного тиску ( 
- динамічний коефіцієнт в'язкості ущільнювальної рідини: 
- частота обертання ротора). Права ділянка І кривої відповідає режиму рідинного змащення: між поверхнями, що труться, зберігається безперервний шар рідини. Значення середнього зазору h задовольняє умову 
де 
, 
- середні арифметичні відхилення профілів контактуючих шорстких поверхонь. У режимі рідинного змащення коефіцієнт тертя 
легко обчислити, оскільки сила тертя дорівнює