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. 8.28. Поверхность металлического кольца с термическими трещинами

главную роль играют тангенциальные напряжения. В начальный момент температура кольца пары трения постоянна. Начиная с некоторого момента времени контактная поверхность кольца нагревается в результате трения и стремится расшириться, что эквивалентно действию на нее сжимающих тангенциально направленных напряжений. Более глубокие слои кольца растягиваются. При превы-щении тангенциальными напряжениями предела прочности возникают термические трещины.

С целью определения критериев термопрочности колец пары трения решают задачу термоупругости.

На рис. 8.29 схематически показано кольцо пары трения, на торцовую поверхность которого в момент t > О начинают действовать источники теплоты с интенсивностью, равной мощности трения.

Уравнение теплопроводности для распределения температуры в кольце имеет вид

-=-44. (8.14)

Начальные условия:

при f = О Т= 0;

при t > О j; = О, =/ркУ,

где Qs - удельный тепловой поток источников.


Рис. 8.29. Схема к определению температурных напряжений в кольце пары трения

После интегрирования методом Фурье уравнение (8.14) принимает вид

<1Л1-у) тУ (-1)"

X ехр

X 8Ш

п(2п-Ц)

. (8.15)

При определении напряжений в кольце его заменяют полосой и рассматривают ее плоское напряженное состояние:

ех = -(сх-ЦСТу)--аГ;

Еху = 0;

dux duy ду дх

Граничные условия:

при t = О cT;t = = 0;

при f > О у = О, у = 1, Оу = 0;

(8.16)

при t > О =0, j а;, dj; = 0.

Интегрирование системы (8.16) с учетом (8.15) дает выражение для тангенциальных напряжений

(-1)"

л = 0

я(2п-1-1)

X ехр

X ism

2 1

п 2п + I

Расчет показывает, что в кольцах пары трения торцовых уплотнений тангенциальные напряжения достигают максимального значения в течение долей секунды. Максимальное растягивающее напряжение возникает на границе кольца противоположной поверхности трения (при у = /). На этом основании критерий термопрочности кольца

2Ха,

(Рк1)тах =

(8.17)

где Ов - предел прочности при растяжении материала кольца.

Соотношение (8.17) выражает связь между физико-механическими свойствами материала кольца и предельными параметрами трения.

Значения критерия термопрочности (Рк1)тах, МПа-м/с, ДЛЯ некоторых материалов колец приведены ниже

Углеграфит..........38,8

Твердый сплав (93% WC, 7% Со) . . 30,8

Стеллит............5,0

Керамика (96% AI2O3)......3,0

Керамика (стеатит).......0,4

Об оценке интенсивности изнашивания пар трения торцовых уплотнений. В качестве характерного параметра, определяющего работоспособность торцовых

уплотнений, принимают интенсивность изнашивания колец пары трения, которая определяется их износом за определенное время. Этот параметр обычно выбирают в виде отношения линейного износа в миллиметрах по высоте колец ко времени работы пары трения в часах. Для практических расчетов, учитывая малую интенсивность изнашивания пар трения торцовых уплотнений, целесообразно использовать значения линейного износа колец пары за 1000 ч работы. Интенсивность изнашивания зависит от многих факторов: режима трения, сочетания материалов колец, свойств рабочей среды и др.

Режим трения определяет число контактов микронеровностей трущихся поверхностей, происходящих на номинальной поверхности контакта в единицу времени.

Режим жидкостной смазки характеризуется отсутствием контактов микронеровностей и практически нулевой интенсивностью изнашивания. Однако при этом возможны местное эрозионное изнашивание пары трения струей жидкости, интенсивность которого резко увеличивается при больших (10 МПа и более) перепадах давлений, а также изнашивание эрозионного типа, вызванное высокими (свыше 50 м/с) скоростями скольжения в парах. Эрозионному изнашиванию главным образом подвержены кольца пары трения, изготовленные из сравнительно мягких углегра-фитовых материалов. Наличие на рабочих поверхностях колец смазочных канавок и других отклонений от плоской формы интенсифицирует эрозионное изнашивание в этих местах.

Для контактных уплотнений, работающих на различных жидкостях, нормальным является режим полужидкостной смазки. Он наблюдается при зазорах в парах трения до 2 мкм и характеризуется малой площадью контактов микронеровностей, а следовательно, сравнительно малой интенсивностью изнашивания. Например, для пар трения углеграфит - металл при pv5 МПа-м/с



интенсивность изнашивания порядка десятых долей миллиметра за 1000 ч работы, для пар трения силицированный графит - силицированный графит при pv « 50 МПа • м/с - менее 1 мкм за 1000 ч работы, т. е. на два порядка меньше.

Таким образом, сочетание материалов колец пары трения в большинстве случаев является основным фактором, определяющим работоспособность и долговечность торцовых уплотнений. Учитывая сложность и многообразие условий работы торцовых уплотнений, при расчете их интенсивности изнашивания следует ориентироваться на статистические экспериментальные данные. Вместе с тем можно наметить подход к теоретическому расчету износа торцовых уплотнений.

На основании гидростатического расчета пары трения следует определить среднее контактное давление, действующее на номинальную площадь контакта. Используя результаты экспериментальных исследований микрогеометрии трущихся поверхностей, а также расчетные силовые и температурные деформации, можно получить геометрическую модель зазора пары трения.

Далее следует применить одну из теорий гидродинамического расклинивания трущихся поверхностей (если уплотнение работает на жидкости), описанных в данной главе, наиболее подходящих для рассматриваемых условий работы и материалов пары. Определив контактное гидродинамическое давление, воспринимаемое слоем жидкости в зазоре пары, можно найти неуравновешенную часть контактного давления (если она не равна нулю), воспринимаемую контактами микронеровностей, а зная топографию трущихся поверхностей, - фактическую площадь контактов микронеровностей.

На основании большого объема экспериментальных данных по трению и износу пар трения торцовых уплотнений можно считать, что в контактах микронеровностей режим трения близок к граничной смазке.

Для расчета интенсивности изнашивания микронеровностей, определяющей линейный износ пары, в большинстве случаев можно применять теорию усталостного изнашивания микронеровностей [31].

Общие выражения для нормальной и тангенциальной сил, действующих в контакте пары трения, можно записать в виде

Р = Рг + Рш(1 - S,/S); F = Fr+Fu,{l-Sr/S),

где Рг и f г - нормальная и тангенциальная гидродинамические силы; Рщ и Fm - нормальная и тангенциальная силы, воспринимаемые контактами микронеровностей шероховатой поверхности.

Если в уплотняемой среде содержится много абразивных частиц, определяющим является абразивное изнашивание (например, микрорезание поверхностей абразивными частицами).

Для расчета интенсивности изнашивания можно воспользоваться моделями микрорезания [31], а также более приближенным к реальным условиям экспериментальным методом, основанным на исследованиях работы торцовых уплотнений на гидроабразивных средах, предложенным В. В. Гордеевым.

Среды с высокой химической агрессивностью (кислоты, щелочи) могут интенсифицировать изнашивание пары трения - происходит коррозионно-механи-ческое изнашивание [31].

Сложность процессов, протекающих в парах трения торцовых уплотнений, определяется в большинстве случаев тем, что одновременно происходит изнашивание нескольких видов. В связи с этим существующие методики расчета износа следует считать лишь весьма приближенными.

Основой для выбора и оценки материалов пары трения торцового уплотнения являются результаты эксперимента.

8.3. Основы теории и расчета гидфодинамических и гидростатических уплотнений

Гидродинамические и гидростатические торцовые уплотнения работают в режиме жидкостной (газовой) смазки, поэтому их называют бесконтактными. Эти уплотнения применяют при высоких перепадах давлений и скоростях скольжения, а также при герметизации сред с плохими смазывающими свойствами (газы, кипящие и криогенные жидкости). Гидродинамические и гидростатические уплотнения успешно эксплуатируют при перепаде давлений до 28 МПа, скорости скольжения до 185 м/с на валах диаметром до 1500 мм. Бесконтактные торцовые уплотнения используют в турбонасосах высокого давления ЖРД, компрессорах авиационных двигателей, циркуляционных насосах АЭС, питательных насосах энергетических систем, турбинах гидроэлектроустановок и других машинах.

В гидродинамических уплотнениях для расклинивания пары трения используется энергия движения уплотнительных поверхностей. При отсутствии вращения эти поверхности находятся в плотном контакте, исключающем утечки. При вращении поверхности разделяются тонким жидкостным слоем и возникают ограниченные утечки. В гидростатических уплотнениях жидкостная смазка обеспечивается за счет перепада давлений. В этих уплотнениях отсутствие контактов и утечки имеют место независимо от того, вращается вал или нет.

Для поддержания бесконтактного режима работы уплотнений слой жидкостной или газовой среды в зазоре между уплотнительными поверхностями должен выдерживать сжимающие нагрузки, т. е. иметь гидромеханическую жесткость. В гидродинамических уплотнениях разделение поверхностей пары трения и восприятие сжимающих нагрузок осуществляется силами, возникающими в результате нагнетания жидкости в сужающуюся часть зазора под действием сил трения. Участки зазора, сужающиеся в

направлении скорости скольжения г,, создаются путем нанесения на уплотнительные поверхности канавок, карманов или ступеней. Наиболее широко применяют конструкции с плоской ступенью Рэлея, с наклонными площадками, со спиральными канавками (рис. 8.30). Используют также уплотнения, в которых неравномерность зазора в направлении скорости скольжения образуется в процессе работы в результате силовых или температурных деформаций. Уплотнения, в которых гидродинамические силы возникают вследствие температурных деформаций, называют термогидродинамическими (рис. 8.31). Если нет вращения, поверхности пары трения плоские. При вращении вследствие трения уплотнительные кольца нагреваются, причем неравномерно. Наиболее сильно нагреваются участки колец, расположенные в промежутках между канавками или проточками, охлаждаемыми рабочей средой. В результате неравномерного нагрева плоскостность уплотнительных поверхностей нарушается и образуются участки зазора с сужающимся профи-


у /ш-г.


W A

Рис. 8.30. Пары трения гидродинамических уплотнений:

а - с плоской ступенью Рэлея; б - с наклонными площадками; в - со спиральными канавками







Рис. 8.31. Пары трения термогидродинамических уплотнений

лем. Эти участки работают аналогично подшипИикам скольжения. Термогидродинамические уплотнения по сложности процессов, протекающих в паре трения, а также по значениям зазора и утечки занимают промежуточное положение между контактными и гидродинамическими уплотнениями.

В гидростатических уплотнениях жидкостная (газовая) смазка пары трения создается при последовательном прохождении жидкости (газа) через два дросселя: входной и выходной. В качестве входного дросселя используют отверстия, пористые вставки, капилляры, участки уплотнительной щели. В процессе работы под действием внещних нагрузок, например, смыкающих уплотнительные кольца, уменьшается высота зазора, увеличивается сопротивление выходного дросселя, а следовательно, давление и гидростатическая сила в зазоре, предотвращающая дальнейшее сближение и контакты уплотнительных колец. Уплотнения, в которых гидравлическое сопротивление входного дросселя не зависит от высоты зазора, относят к группе конструкций с внешним дросселиро-


Рис. 8.32. Схемы гидростатических уплотнений:

а - с питающими отверстиями и камерами; б -с питающими отверстиями без камер; в - с пористым дросселем; г - со ступенчатым зазором; д - с сужающимся зазором

ванием (рис. 8.32, а, в). В конструкциях с внутренним дросселированием сопротивление входного дросселя увеличивается с уменьшением зазора. Гидростатическая жесткость таких уплотнений ниже, чем для конструкций с внешним дросселированием (рис. 8.33). К конструкциям .с внутренним дросселированием относят уплотнения с питающими отверстиями без камер (рис. 8.32,6), со ступенчатым (рис. 8.32, г), с сужающимся (рис. 8.32, д) зазором и др. Зазор сужающейся формы обеспечивается механической обработкой, а также в результате силовых и температурных деформаций уплотнительных колец.

Гидростатические уплотнения можно применять в качестве жидкостных и газовых затворов (барьеров), разделяющих две среды (Л и В на рис. 8.34). Для разделения этих сред в уплотнение

г г 5 ц

Рис. 8.33. Зависимости гидростатической осевой жесткости от утечек для уплотнений: J - с питающими отверстиями и камерами; 2 -импулы;ного типа; 3-е пористым дросселем; 4 - с питающими отверстиями без камер; 5 - со ступенчатым зазором; б - с сужающимся зазором

подается затворная жидкость или газ С от внешнего источника давления. Уплотнения с питанием от внешнего источника давления применяют также с целью увеличения гидростатической жесткости при особо высоких требованиях к надежности уплотнительного узла. Кроме того, эти уплотнения используют в условиях, когда в зависимости от режима работы машины давление к уплотнению может быть подведено как со стороны внутреннего, так и со стороны наружного диаметра уплотнительной пары.

Ряд преимуществ гидродинамических и гидростатических уплотнений сочетаются в уплотнении импульсного типа. Оно герметично при отсутствии вращения под давлением, не содержит элементов, подверженных засорению (отверстий, капилляров, щелей), не имеет микрогеометрии (ступеней, наклонных площадок, микроканавок). Однако это уплотнение весьма чувствительно к изменению сжимаемости жидкости и может терять работоспособность при попадании в нее газовых пузырей. В импульсном уплотнении на одной из поверхностей пары трения (обычно на вращающейся) имеются радиальные пазы, сооб-


Рис. 8.34. Гидростатическое уплотнение с питанием от внешнего источника давления

щающиеся с областью повышенного давления (рис. 8.35). На другой поверхности выполнены изолированные камеры, число которых превышает число пазов. В процессе работы при совмещении камеры и паза давление в камере повышается до максимального. При прохождении камерой участка между пазами давление в камере уменьшается со скоростью, зависящей от сжимаемости жидкости, высоты зазора и других факторов. Среднее давление в зазоре и усилие, раскрывающее уплотнительный стык, тем выше, чем меньше зазор. Таким образом создается жесткий слой жидкости, разделяющий поверхности пары трения.

Общие расчетные соотношения. При расчете гидродинамических и гидростатических уплотнений определяют их силовые характеристики и утечки, а также динамические условия, обеспечивающие бесконтактную работу пары трения. Вначале находят распределение давления в зазоре. Вследствие малой высоты зазора в большинстве практических случаев течение в нем можно считать ламинарным



Рис. 8.35. Уплотнение импульсного типа



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