Промышленный лизинг Промышленный лизинг  Методички 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 [ 42 ] 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76


Рис. 8.18. Поверхности пары трения силици-рованный графит - силицированный графит: а - после доводки (до приработки); б - в процессе приработки; в - после приработки

качестве материалов для изготовления пар трения торцовых уплотнений. Эти материалы вытесняют традиционные материалы пар трения с применением углеграфитов. Это объясняется значительно большей несущей способностью и износостойкостью пар трения из сили-цированного графита. В таких парах трения, как правило, оба кольца изго-

товлены из силицированного графита одной марки (в СССР выпускают около десяти марок силицированных графитов, имеющих различные физико-механические характеристики [27]). Силицированный графит обычно представляет собой твердый материал с определенной структурой, который состоит из мягкие графитовых зерен /, заполняющих ячеистый каркас из карбида кремния 2 и кремния 3 (рис. 8.18, а).

В процессе приработки пары на жидкости происходит сдвиг зерен и частичное изнашивание поверхностей по. действием сил трения, возникающих на микронеровностях трущихся поверхностей (штриховые линии на рис. 8.18, б) Асимметрия этого процесса приводи i к образованию на обоих поверхностях пары микронеровностей несимметричной формы, наклонные участки которых на одной поверхности движутся навстречу соответствующим участкам другой поверхности (рис. 8.18, в). Образование таких неровностей на поверхностях колец из силицированного графита подтверждается профилограммами поверхностей (рис. 8.19), а также их стереоскопическим фотографированием с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Схема взаимодействия поверхностей пары трения со слоем жидкости между ними показана на рис. 8.20. При встреч-


Рис. 8.19. Профилограммы рабочей поверхности одного из колец пары трения силицированный графит - силицированный графит:

а - после доводки; б - после длительной работы на воде (горизонтальное увеличение, х 100; вертикальное увеличение, х 5000)


Рис. 8.20. Схема к расчету гидродинамических характеристик взаимодействия наклонных (а, б) и горизонтальных (в) поверхностей пары трения

ном движении наклонных площадок вследствие наклона их поверхностей происходит поджатие слоя жидкости между ними, в результате чего создается гидродинамическая поддерживающая сила. Процесс этот неустановившийся в отличие от рассмотренных ранее. Оценка порядка сил инерции жидкости показывает, что они малы и процесс поджа-тия слоя можно считать квазиустановив-шимся.

Для определения гидродинамических характеристик взаимодействия двух одинаковых наклонных площадок со слоем вязкой несжимаемой жидкости решают приближенную плоскую задачу. В соответствии с. рис. 8.20, а и б для площадок, вступающих во взаимодействие и выходящих из него, имеем

а) /, = /i„, + /io(l-t;(/0;

б) h = h„, + lK(\-0,5vtllt); h = vt;

(8.10)

Если предположить, что половина неровностей на контактной поверхности взаимодействует по схеме рис. 8.20, а, половина по схеме рис. 8.20, б и все площадки имеют одинаковые средние размеры, контактное гидродинамическое давление р, в паре можно определить из выражения

2рМср 3ui/cpS

+ (h„ + 2)\n(h„ + 2)-

- 2 (Й„-hi) In (R„-f 1) - = f,

(8.11)

гдей„ = h„/hp; S - относительная часть номинальной площади контакта, занятая микроплощадками; Ч„ - безразмерная функция контактного давления (рис. 8.21).

При = О максимальное контактное давление находят из соотношения

2pKnmQ3gg

3vn/cpS

На основе экспериментальных данных статистические рапределения размеров / и ho микроплощадок можно представить экспоненциальным законом е-»/=р и e-o/о.р, где а, р - коэффициенты аппроксимации.

Аналогично рассмотренной ранее мо-

10"

= lmln h„ +

Рис. 8.21. Зависимости безразмерных функций контактного гидродинамического давления от безразмерного зазора пары трения



10°

Рис. 8.22. Зависимости безразмерных функций момента трения от безразмерного зазора пары трения

дели ступенчатых микроподшипников математическое ожидание контактного гидродинамического давления можно найти из выражения

3t)n/cpS Лщ

[(1 +

+ 22)1п(1 + 2z)-2(l +2)1п(1 +г)-

1 +г

dz = P,

(8.12)

где 2 = holh„, 4*5, - среднестатистическая безразмерная функция контактного давления (см. рис. 8.21).

Момент трения М определяют по средним размерам микроплощадок:

=2(й„ + 1)1п(й.-.1)-

-(й„ + 2)1п(/1„2)-- /1„ In h„ = М„.

10 10- W

Рис. 8.23. Зависимость безразмерных функций утечки от безразмерного зазора пары трения


Рис. 8.24. Модель контактной поверхности пары трения:

А - область контактов микронеровностей; В - область кавитации

Утечки жидкости Q через такую пару вычисляют по формуле

ЯГср(р«-Ра)Оср "

= 3[(-» + 2)"-] = С»..

где (pj - Ра) - перепад давлений жидкости, действующий на пару трения.

Математическое ожидание утечек можно определить из выражения

6Giib

! 2р 6

Зависимости М„, Мд, Q„, Q„ от h„ показаны на рис. 8.22 и 8.23.

Модель гидродинамической смазки волнистых шероховатых поверхностей пары трения [39]. Некоторые исследования прозрачных моделей торцового уплотнения показали, что в зазоре пары трения имеются макрообласти кавитации жидкости, возникновение которых можно объяснить закономерностями гидродинамической смазки волнистых контактных поверхностей. Одновременно с этим модель волнистой шероховатой поверхности (рис. 8.24) допускает контакты


Рис. 8.25. Шероховатость и волнистость поверхности кольца пары трения в радиальном (а) и тангенциальном (б) сечении

микронеровностей в областях минимального зазора пары трения.

Задача о течении вязкой несжимаемой жидкости в зазоре пары трения, у которой одна поверхность плоская и гладкая, а другая волнистая и шероховатая (рис. 8.25), является пространственной.

Толщина слоя жидкости в паре трения

. /I = /1„ (г, ф) + К,

где h„ - номинальная толщина слоя; /ij - случайная толщина слоя, обусловленная шероховатостью (принимают, что /ij имеет .плотность вероятности распределения Гаусса, которую приближенно заменяют полиноминальной плотностью вероятности (140/RLx) [(Ках/ llf - hlY, где Rmax - максимальная высота микронеровностей).

Модифицированное уравнение Рейнольдса для распределения давления жидкости в зазоре пары при изотропной шероховатости в безразмерных переменных имеет вид

1 г

m(/t)S m(P)S

= 6F[.(S)S],

где f = r/r2;h = 2h/R„;

h„ = 2/t„/R„ax; p = рЛах/(4гсоц);

S - относительная часть номинальной контактной площади, на которой отсутствуют контакты микронеровностей; m(h)vim(h) - математическое ожидание

hHh\

При h„ > 0,5Rmax m{h) = К; m{P) = hl + hJ3,S=U при h„ < 0,5Яшах т {h) =

- 35 / 1 16 г , 1 Г2

35 / 1

32 \ 40 105

16 г

20 280 " 840

S = (16 + 35/i„ - 35hi + llhl -- 5hl).

Граничные условия: при г = Гг р = Ps, при г = ri р = Ра- Кроме того, на границе области кавитации задают давление и производную от него по направлению нормали к границе.

Суммарная безразмерная сила, воспринимаемая слоем жидкости и контактами микронеровностей в зазоре пары,

Р= I \[р + Рсж{1-5)]ЫЫ(р,

о fi

где Р

РРтах

4г*соц

РсжК

; Рсж =

max

4гсоц

Рсж - усредненное напряжение сжатия в контактах микронеровностей.



Безразмерная утечка

m{P)fdp\

где Q = 2C/(riroR„„).

Гидродинамические характеристики пары трения определяют на ЭВМ методом последовательных приближений, при котором наибольшую трудность составляет нахождение границ областей кавитации.

Ги.:фодинамическая смазка обыкновенной пары трения. Режимы гидродинамической жидкостной смазки иногда возникают в обыкновенных парах трения в результате значительной волнистости их трущихся поверхностей, обусловленной недостаточной точностью их доводки, а также силовыми и (или) температурными деформациями колец пары.

В зазорах таких пар трения действуют сравнительно большие гидродинамические силы, увеличивается толщина слоя жидкости и ее утечки. Для обыкновенных торцовых уплотнений это, как правило, нежелательно. Однако при достаточно высоких параметрах работы уплотнения волнистость может быть использована для снижения интенсивности изнашивания, трения и выделения теплоты. С увеличением волнистости пусковой момент трения также снижается. Некоторые исследователи предлагают создавать искусственную волнистость трущихся поверхностей уплотнений.


Рис. 8.26. Пара трения, у которой одна поверхность волнистая, другая - плоская

Приближенно гидродинамические характеристики пар трения с волнистым; поверхностями (рис. 8.26) оценивают ni теории короткого подшипника [13]. При менение этой теории в данном случае вполне допустимо, поскольку в уплотнениях отношение радиальной ширины контактной поверхности к среднему радиусу значительно меньше единицы (0,1-0,2).

Систему дифференциальных уравнений для короткого подшипника можно получить из уравнений Навье - Стокса, если пренебречь в них членами порядка Ь/г и выше:

р дг

0 = +

дг г

1 dv,

д(р г dz

Граничные условия: при Z = О г, = О, о, = юг, Vi = 0; при Z = h v, = 0, Уф = О, = 0; при г = Г1 р = р,;

при г = Г2 р = Ps,

причем И = h (ф).

Давление жидкости в зазоре пары

= Т"1п(гг/п)

ri ri ) d((>

(p, - Pa) In (r/ri)

ln(r2/ri)

(8.13)

Радиальная составляющая скорости течения жидкости

.4 1П(Г2/Г1)

2г\а +

Г1 - Г2

1 dh

(р. - Ра)

2ц1п(г2/г1)

h d(p 1 "

(hz-z).

Из (8.13) следует, что при непрерывном слое жидкости в зазоре суммарная гидродинамическая сила пары равняется нулю. Если принять, что в расширяющихся в направлении вращения частях зазора возникают области кавитации слоя, то для волнистой поверхности с числом волн j гидродинамическая сила

ЦС01

fj 1 \

[ri - г? -

-(ri-hrf)ln

In (г2/ггУ

где hi и /i2 - минимальный и максимальный зазоры соответственно.

Момент трения, рассчитанный при условии непрерывности слоя в зазоре пары.

М = 1со (г! - ri)

d<p

~1Г-

Утечки жидкости, полученные при условии отсутствия жидкости в расширяющихся частях зазора.

iJPs-Pa)

12цг1 In (Г2/Г1)

h4,,

где фо - угол охвата сужающихся в направлении вращения частей зазора.

Трение в обыкновенной паре при отсутствии жидкости в зазоре. К торцовым уплотнениям, для которых режим трения при отсутствии жидкости в зазоре и близкие к нему являются нормальными, можно отнести уплотнения, работающие на газах, парах жидкостей, сжиженных газах, при высоких контактных давлениях и малых скоростях скольжения, и др. Однако и в уплотнениях для жидкостей, к которым относится большая часть торцовых уплотнений, при эксплуатации возможны подобные режимы. Такие режимы возникают при пусках в работу машин вследствие отсутствия слоя жидкости в зазоре пары. Пусковые режимы не опасны, поскольку они крат-


Рис. 8.27. Профиль поверхности металлического кольца с термическими трещинами

ковременны. Более длительные режимы без жидкости в паре трения возникают, например, при эксплуатации насосов во время их пусков без заполнения жидкостью, при срывах подачи насосов и т. д. Эти режимы опасны, поскольку могут вызвать терморастрескивание и разрушение колец пары [13]. Испытания и эксплуатация уплотнений показывают, что терморастрескивание колец наблюдается довольно часто.

В некоторых случаях после появления трещин уплотнение продолжает работать с повышенными утечками жидкости и износом пары трения, возникающими вследствие увеличения неплоскостности и шероховатости поверхности пары (рис. 8.27). В других случаях уплотнение после терморастрескивания выходит из строя из-за недопустимо большой утечки жидкости вследствие разрушения колец пары трения.

Терморастрескивание металлических колец пары с твердостью HRC 40 - 60, как правило, не сопровождается их полным разрушением. Трещины на поверхностях направлены радиально и не настолько глубоки, чтобы вызвать разрушение колец; на поверхности трения наблюдаются цвета побежалости (рис. 8.28).

Кольца из пластичных металлов, пластмасс типа фторопласт-4 и других материалов практически не подвержены терморастрескиванию. Редко возникают трещины в углеграфитовых кольцах, хотя углеграфит не пластичный материал. Наиболее опасно терморастрескивание колец из хрупких материалов - керамики, силицированного графита. В таких кольцах образуются сквозные трещины, вызывающие разрушение.

Поскольку большинство термотрещин направлено радиально, в их образовании



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 [ 42 ] 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76