в настоящее время наиболее универсальным антифрикционным материалом с высокой химической стойкостью.

Зарубежные фирмы в качестве пар трения применяют карбид кремния и силицированный графит двух марок - твердый силицированный, который практически является монолитом карбида кремния, и модифицированный или корковый, который получают при воздействии паров кремния на углеродное кольцо заданной конфигурации. Процесс сили-цирования идет на небольшую глубину (0,5-1 мм), при этом кольцо остается пористым и его надо пропитывать.

По данным фирмы «Крейн Пекинг» (Англия), карбид кремния проявляет высокую химическую стойкость в различных средах и прежде всего в минеральных кислотах: соляной, азотной, серной, фосфорной и фтористо-водородной (без примесей) - при различных концентрациях и температурах.

Одним из недостатков антифрикционных материалов на основе углерода является низкая ударная вязкость - хрупкость. Однако этот недостаток проявляется только на этапе обработки детали и монтажа уплотнения, при работе торцового уплотнения ударные нагрузки и вибрацию деталей насоса компенсирует упругий поджимной элемент.

В связи с хрупкостью углеродных материалов при конструировании и изготовлении деталей из них необходимо избегать резких переходов сечений и других концентраторов напряжений. Углеродные материалы деформируются упруго и разрушаются при незначительной деформации (1-2%).

Все углеродные материалы имеют более низкий температурный коэффициент линейного расширения, чем металлы, и это необходимо учитывать при выборе посадок в соединениях деталей из углеграфита и металла.

Металлы. В качестве материала пар трения торцовых уплотнений сталь обычно не используют, но, например, в торцовых уплотнениях отечественного производства сталь 95X18 закаленная до

HRC 55 (см. табл. 9.5) работает в паре с углеграфитом 2П-10ООФ.

Очень широкое распространение в конструкциях зарубежных уплотнений получил хромистый чугун и сплав Нирезист (см. табл. 9.5). Чугуны имеют хорошие и стабильные характеристики при недостаточном смазывании. Коррозионная стойкость чугулов повышается с добавлением никеля, хрома, меди или их комбинаций.

Наиболее широко применяют чугуны в комбинации с твердыми углеграфи-тами в насосах, перекачивающих нефтепродукты. Кольца из чугуна относительно недороги и легко поддаются обработке. В отечественных конструкциях торцовых уплотнений чугуны не применяют. Среди зарубежных фирм только «Крейн Пекинг» (Англия) применяет свинцовистую бронзу для пар трения. Свинцовистая бронза имеет удовлетворительные антифрикционные характеристики и ее применяют лишь для легких условий эксплуатации. Бронзы используют в паре с углеграфитом, пропитанным металлом, в различных нефтепродуктах.

Твердые сплавы. В парах трения торцовых уплотнений чаще всего применяют сплавы на основе карбида вольфрама.

В качестве связки в карбидах вольфрама чаще всего используют кобальт и никель. Карбид вольфрама придает сплаву жесткость, прочность при сжатии, твердость, износостойкость, металл связки - ударную вязкость и прочность при изгибе.

Карбид вольфрама с кобальтом в качестве связки имеет ограниченное применение, в основном для абразивосодер-жащих сред. Кобальт имеет низкую химическую стойкость - растворяется даже в дистиллированной воде, поэтому его нельзя применять в аппаратах пищевой промышленности. Кобальт, имеющий большой период полураспада, недопустимо использовать в уплотнениях насосов атомных электростанций [18].

Благодаря малому температурному коэффициенту линейного расширения твердых сплавов (в 2 - 3 раза меньше, чем коррозионно-стойкой стали) деформация поверхностей трения незначительна. Высокая теплопроводность твердых сплавов (более высокую теплопроводность имеют лишь силицирован-ные графиты и графитированные угле-графиты) обусловливает их применение в условиях недостаточного смазывания и воздействии термических нагрузок.

Фирма «Крейн Пекинг» (Англия) использует в своих конструкциях этот материал лишь в одном сочетании карбид вольфрама - карбид вольфрама -фирма «Бургманн» (ФРГ), кроме этого, использует сочетание карбид фольфра-ма - аморфный углеграфит.

Керамика. У каждой ведущей фирмы - изготовителя торцовых уплотнений есть определенный набор материалов пар трения, при этом все фирмы используют керамику. Исключительность керамики определяется ее химической стойкостью в средах с сильными окислительными свойствами, в которых другие материалы не стойки, например в олеуме.

Минералокерамику изготовляют на базе окиси алюминия (до 99 %). Из-за хрупкости и сравнительно невысокой теплопроводности (см. табл. 9.5) керамика склонна к терморастрескиванию при резком охлаждении и быстром нагреве, поэтому режим недостаточного смазывания для керамики недопустим.

В отечественных конструкциях торцовых уплотнений применяют минералокерамику ЦМ-332 в паре с графито-фторопластом Ф4К20.

Выбор материалов пар трения по показателям применимости. Анализ работы торцовых уплотнений в центробежных насосах показывает, что требования, предъявляемые к материалам пар трения, можно свести к следующим показателям применимости:

износостойкость материала при стабильном режиме работы торцового уплотнения;

коррозионная стойкость;

наличие внутренних напряжений в материале;

эффективность теплоотвода;

работоспособность материала в режиме трения без смазочного материала.

Показатели применимости материалов для пар трения существенно различны и по общему их числу, и по весомости каждого показателя в пределах отдельных групп насосов (табл. 9.6).

Оптимальные материалы для пар трения торцовых уплотнений выбирают по комплексному показателю применимости Q, который определяют как сред-

Таблица 9.6

Классификация насосов

невзвешенное отдельных показателей применимости qj-.

i = 2

где п - число показателей применимости; т,- - коэффициент весомости показателя применимости.

Пригодность материала для пар трения торцовых уплотнений оценивают по следующей шкале:

61- отлично;

Q 0,8 - хорошо;

Q 0,6 - удовлетворительно;

б < 0,6 - неудовлетворительно.

Для материалов пар трения торцовых уплотнений насосов комплексный показатель применимости должен быть не менее 0,6.

Номенклатура показателей применимости и коэффициентов их весомости для насосов различных групп (табл. 9.7) составлена на основе метода экспертных оценок.

При определении показателей применимости оцениваемых материалов за эталонные принимают лучшие свойства известных антифрикционных материалов, применяемых в настоящее время в

качестве пар трения торцовых уплотнений.

Износостойкость материалов пар трения. В связи с различным механизмом изнашивания пар трения торцовых уплотнений в чистых средах и в средах с абразивными включениями используют два способа определения показателей применимости материалов по износостойкости.

В чистых средах изнашивание колец пар трения происходит в осевом направлении. Классическая кривая изнашивания материала во времени имеет участок сравнительно непродолжительной приработки и линейный участок, соответствующий стабильному режиму изнашивания при нормальной работе торцового уплотнения. Интенсивности изнашивания разных материалов различны.

Все материалы, предназначенные для использования в качестве пар трения торцовых уплотнений насосов, перекачивающих чистые жидкости, подвергают контрольным испытаниям при максимальных рабочих параметрах в течение 100 ч для определения группы износостойкости (линейного износа h):

1 - низкой износостойкости {h > > 10 мкм);

Таблица 9.7

Коэффициенты весомости показателей применимости материалов пар трения

Насосы

Значение т. показателей применимости

2 - средней износостойкости (h = = 1...10 мкм);

3 - высокой износостойкости (h < < 1 мкм).

Материалы, отнесенные по результатам контрольных испытаний к первым двум группам, оценивают по следующему показателю применимости:

q\ = кэ/ко,

где йэ = 1 мкм - износ эталонного образца за 100 ч; ho - износ образца из оцениваемого материала за 100 ч.

Для материалов третьей группы принимают ql = 1.

В жидкостях, содержащих абразивные включения, изнашивание колец пар трения происходит в радиальном направлении по ширине пояска трения.

Контрольные испытания проводят по ускоренной методике на абразивах высокой твердости, обычно карбиде кремния крупностью 5 мкм. При этом всегда должно быть выполнено условие Яз >(1,3...1,7)Ям, где Яа и Я„ - твердости абразивного и испытуемого материалов. В результате контрольных испытаний определяют радиальный износ образца из испытуемого материала за 10 ч и сопоставляют его с износом эталонного образца. В качестве эталонной применяют пару силицированный графит СГ-П - твердый сплав ВК4. Износостойкость оценивают показателем

qi = ДЬэ/АЬ,

где ДЬэ - износ эталонной пары СГ-П - ВК4; АЬ - износ оцениваемого материала.

Коррозионная стойкость материалов пар трения. Как правило, для насосов, перекачивающих воду и нейтральные среды, а также для судовых насосов имеется достаточно полная информация о коррозионной стойкости антифрикционных материалов в перекачиваемых средах. В связи с этим при определении комплексного показателя применимости коррозионную стойкость

материалов для этой группы насосов не учитывают.

Большинство химических жидкостей, перекачиваемых насосами второй группы, отличается высокой коррозионной активностью. На практике трудно подобрать антифрикционные материалы, имеющие высокую коррозионную стойкость в этих жидкостях.

При выборе материалов пар трения для насосов второй группы необходимо знать балл химической стойкости или скорость коррозии в перекачиваемых средах. Материалы оценивают следующим показателем:

qi = кэ/ко,

где кэ - коррозионная стойкость эталонного образца [кэ = 0,1 мм/год); ко - коррозионная стойкость оцениваемого материала.

Наличие внутренних напряжений в материале. Малая утечка через торцовое уплотнение обеспечивается благодаря высоким требованиям, предъявляемым к рабочим поверхностям уплотнительных колец (поверхности не должны иметь волнистости). Наименьшее отклонение от плоскостности 0 - 0,3 мкм, допускаемое 0,9 мкм.

Наличие внутренних напряжений в материале пары трения приводит к нарушению плоскостности рабочих поверхностей и проявляется практически через несколько часов после доводки.

Повторный контроль плоскостности необходимо осуществлять после выдержки кольца пары трения из оцениваемого материала в течение 24 ч на воздухе. Контроль выполняют с помощью интерференционных пластин типа ПИ и монохроматического источника света.

Наличие внутренних деформаций в материале оценивают следующим показателем применимости:

дз = Яэ/Яо,

где Яэ - отклонение от плоскостности эталонного образца (Яэ = 0,3 мкм); По - отклонение от плоскостности образца из оцениваемого материала.

Уплотнения для нейтральных жидкостей

Отвод теплоты от пары зрения. При

работе торцового уплотнения трение контактирующих поверхностей приводит к повышению температуры жидкости, находящейся в зазоре. Если рабочая температура жидкости близка к температуре парообразования, то при дополнительном тепловыделении в паре трения жидкость в зазоре может вскипеть, и утечки будут в виде пара. Этот переход очень легко установить при стендовых испытаниях.

Отвод теплоты от стыка пары трения зависит от многих параметров, но при экспериментальных исследованиях, когда можно создать идентичные условия для пар трения из базового (общего для этих испытаний) и исследуемого материалов, определяющими являются теплопроводность материала и конструкции колец из исследуемых материалов.

В качестве переменной величины обычно рассматривают температуру воды при рабочем давлении, при которой пара трения торцового уплотнения выходит на режим парообразования. Чем меньше разность At между температурой парообразования при заданном давлении (определяют по таблицам) и температурой, при которой уплотнение с исследуемыми материалами начинает парить, тем выше эффективность материала по теплоотводу.

Эффективность материала оценивают следующим показателем применимости:

94 = Гж/Гп,

где Тж - температура воды, при которой пара трения торцового уплотнения с оцениваемым материалом начинает парить; Гп - температура парообразования воды при рабочем давлении.

Работоспособность материала в режиме трения без смазочного материала. Данный показатель имеет важное значение для самовсасывающих насосов, так как в период самовсасывания и удаления воздуха из системы насос не запол-

нен жидкостью и уплотнение работает без смазочного материала.

Кратковременная работа торцовых уплотнений без смазочного материала возможна при запуске самовсасывающих насосов, если насос на стоянке не был заполнен жидкостью, а также при кавитационных срывах насосов. При испытаниях определяют максимально допустимое время, в течение которого материал работает без разрушения в режиме трения без смазочного материала. Испытания проводят с постепенным увеличением периода работы уплотнения в этом режиме. После каждого периода испытаний пару трения охлаждают водой при температуре 5 -15°С, выполняют визуальный осмотр рабочих поверхностей, определяют наличие трещин и задиров. Перед каждым последующим циклом выполняют доводку рабочих поверхностей пары трения.

Работоспособность материала в режиме трения без смазочного материала оценивают следующим показателем применимости (для несамовсасывающих насосов):

где to - время, в течение которого исследуемый материал работает в режиме трения без смазочного материала до разрушения; Гэ - время работы материала без смазочного материала, определяемое техническим заданием (для несамовсасывающих насосов Гэ = 180 с).

Для самовсасывающих насосов показатель применимости определяют по формуле

5 = Мсз/Мсо.

Приведенный критерий Мейера вычисляют по формуле

Tit

Мсо = -г-, bpv

где Г- температура поверхности кольца пары трения, К; - сумма теплоЬровод-ностей колец пары трения, Вт/(м-К); Ъ - ширина пояска трения, м; р - кон-

тактное давление в паре трения. Па; V - скорость скольжения в паре трения, м/с; t = fp/tn - относительное время достижения равновесной температуры (tp - время достижения равновесной температуры; t„ = 600 с - контрольное время испытаний).

В качестве эталонного материала пары трения, обеспечивающего эксплуатационную надежность торцового уплотнения с характерными конструктивными параметрами Ь = 4-10~ м, v = = 12 м/с, р = 1,5 • 10 Па при всех режимах работы самовсасывающих насосов, принят материал со следующими свойствами; ?1 = 100 Вт/(м • КХ Тр = 363 К, f = = 0,8. В этом случае Me., = 4.

Материалы вторичных уплотнений. Резины. Основные показатели резин приведены в подразд. 2.1. При назначении марки резины для конкретной среды необходимо получить рекомендации Научно-исследовательского института резиновой промышленности (НИИРП).

Фторопласт. Для наиболее агрессивных сред и тяжелых температурных условий (-10... - 200°С) уплотнительные кольца изготовляют из фторопласта-4 (ГОСТ 10007-80) и различных его модификаций. В отличие от резин фторопласт-4 имеет значительно большую жесткость, меньшую упругость и подвержен значительным деформациям под нагрузкой и при повышенной температуре. Этот материал имеет практически абсолютную химическую стойкость (на него действуют только расправленные щeJЮчныe металлы, трехфтористый хлор, элементарный фтор при высоких температурах). Коэффициент трения фторопласта-4 по твердой поверхности при малых скоростях скольжения 0,05 - 0,1.

Материалы для пружин. Пружины изготовляют из стальной углеродистой проволоки класса II (ГОСТ 9389-75), коррозионно-стойкой стали 40X13 и 10Х17Н13М2Т (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 18143-72), проволоки (ГОСТ 14118-69) и ленты (ГОСТ 14117-69) из сплава 36НХТЮ.

Установлено, что даже слабоагрессив-

11 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

ные среды существенно влияют на долговечность пружин. Так, долговечность пружин из стали 40X13, испытанных на промышленной воде, на 30% ниже долговечности пружин, испытанных на воздухе. Долговечность пружин из сплава 36НХТЮ в промышленной воде на порядок больше долговечности пружин из стали 40X13. Аналогичный результат получен при испытаниях в 6%-ном растворе серной кислоты [28].

Углеродистую пружинную проволоку без покрытия можно применять [28] только в уплотнениях, работающих в масле и других нефтепродуктах. При работе уплотнений на промышленной воде проволоку можно применять только с защитным покрытием цинком, медью, никелем и т. д. Цинковые покрытия защищают от коррозии лишь на воздухе и в пресной воде с температурой до 70 °С.

Металлы. Для торцовых уплотнений всех групп, за исключением уплотнений, предназначенных для высокоагрессивных сред, металлические детали (обоймы, поводки, штифты, пружины и т. д.) выполняют из коррозионно-стойкой стали, обычно из той, из которой изготовлены детали агрегата, в котором установлено уплотнение. Применяют коррозионно-стойкие стали трех марок: 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ (ГОСТ 5632 - 72). Для титановых насосов металлические детали уплотнения изготовляются из титана.

Применение углеродистых сталей в торцовых уплотнениях нежелательно из-за их низкой коррозионной стойкости.

Металлические летали, предназначенные для работы в воде и нефтепродуктах в самых легких условиях, выполняют из латуни (ГОСТ 2208-75).

9.4. Уплотнения для нейтральных жидкостей

В данном подразделе рассмотрены торцовые уплотнения, предназначенные для работы й,йейтральных средах, имею-