Торцовые уплотнения и его элементы

     По опубликованным в литературе данным, удельную нагрузку поверхность трения F от усилия пружины W принимают в пределах 1—2,5 кГ/см² для наиболее распространенных диаметров  уплотнений.

      В торцовых  уплотнениях Гипронефтемаща для  диаметров валов  от 40 до   100  мм. принимаются пружины  с усилием  кГ

      Ранее отмечалось, что одинарные неразгруженные торцовые уплотнения, имеющие в большинстве случаев коэффициент разгрузки k = 1,1 -1,2, применяют для давлений уплотняемой жидкости     кГ/см².

Определим величину р_уА для одинарных уплотнений, приняв k= 1,1 и =1,5  кГ/см².   Подставляя  эти  значения в уравнение (24), получим:  p_уд = 4,5 кГ/см² при р = 5 кГ/см², р_уд=7,5 кГ/см²   при р=10 кГ/ см²

При расчете разгруженных торцовых уплотнений удельное явление не рекомендуется применять выше указанных значений для неразгруженных уплотнений. Требуемые величины р_уд для разгруженных уплотнений можно получить за счет соответвующего подбора коэффициента разгрузки k, т. е. площади  f  и F.

В разгруженных торцовых уплотнениях Гипронефтемаша для центробежных нефтяных насосов удельное давление в паре трещин принимается р_уд = 5-:-7 кГ/см² при давлении уплотняемой жидкости р = 25-:-30 кГ/см².

Коэффициент разгрузки принимается k = 0,65-:-0,7.

При конструировании  уплотнений и их расчете большое значение имеет правильный выбор величины поверхности трения F, т. е. ширины b уплотнительных поясков рабочих втулок.

Применяемые на практике значения b находятся в пределах 10 мм, а для уплотнений нефтяных насосов 3,5—6 мм для валов диаметром 40—100 мм.

Для примера  приводим поверочный расчет двойного торцового уплотнения конструкции Гипронефтемаша (рис. 16). Это уплотнение предназначено для установки на валу диаметром 60 мм центробежного насоса, перекачивающего нефтепродукты с давлением на приеме 25 кГ/см². Число оборотов вала 2950 об /мин. Через камеру уплотнения циркулирует уплотняющая жидкость под давлением, на 1,5 кГ/см² превышающим давление уплотняемой жидки и перед уплотнением.

Наружная пара работает под перепадом давления р_и  = 26,5 кГ/см², а внутренняя — р_в= 1,5 кГ/см²

Рабочие втулки имеют  следующие размеры (индекс «н» относится  к наружной паре, а индекс «в»  – к внутренней паре):

D_2н = D_2в = 79 мм;    D_1н = 69 мм.

d_н = d_в = 72 мм;    D_1d = 72 мм.

Усилие пружины W=25 кГ. Расчет ведем раздельно для каждой пары.

Для наружной  пары

Рис. 16.   Эскиз двойного торцового уплотнения.

Площадь трения

 см².

Неуравновешенная площадь  аксиально подвижной втулки

 см².

Коэффициент разгрузки

.

Удельное давление при  р_н = 26,5 кГ/см²

 кГ/см².

 

Для  внутренней пары

Площадь трения

 см².

Неуравновешенная площадь  аксиально подвижной втулки

 см².

Коэффициент разгрузки

.

Удельное давление при  р_в=1,5 кГ/см²

 кГ/см².

При расчете уплотнений рекомендуется составлять также  баланс сил, действующих на аксиально  неподвижную втулку. В этом случае результирующая нагрузка всегда должна прижимать эту втулку к детали, в которой она установлена. Составление баланса сил в данном случае не представляет затруднений, поэтому он здесь не приводится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНСТРУКЦИЯ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ И ИХ ДЕТАЛЕЙ

 

РАБОЧИЕ ВТУЛКИ

При изучении конструкций  торцовых уплотнений и их классификации  основное внимание уделялось и будет  уделяться узлу аксиально подвижной  втулки. Однако правильно выбрать  конструкцию аксиально неподвижной  втулки, а точнее способ ее установки, также важно для обеспечения надежной работы уплотнения. Поскольку способы установки таких втулок зависят от их положения по отношению к вращающемуся валу, рассмотрим эти способы отдельно для невращающихся и вращающихся аксиально неподвижных втулок.

Наиболее широко применяемые  конструкции узла невращающихся  аксиально неподвижных втулок представлены на рис. 17. Наиболее распространенные конструкции изображены на рис. 17, а, б, в и г. При установке втулок в корпусе уплотнения в качестве уплотнительных элементов, препятствующих утечке между втулкой и корпусом, используют эластичные кольца круглого (рис. 17, а) или прямоугольного и квадратного (рис. 17, б) сечения, манжеты из резины или фторопласта (рис. 17, в), а также клиновидные соединения (рис. 17, г), наиболее пригодные для уплотнительных элементов из фторопласта. Эти конструкции обеспечивают гибкую связь рабочей втулки с корпусом уплотнения. При этом допускается некоторая угловая подвижность втулки в процессе  работы уплотнения.

Недостаток подобных конструкций заключается в том, что отвод фрикционного тепла  от пары трения к корпусу уплотнения происходит через воздушный зазор  между втулкой и корпусом.

Втулки с уплотнительными  кольцами круглого сечения (рис. 17, д, е), у которых нерабочий торец упирается в корпус уплотнения, лучше отводят фрикционное тепло.

Однако в этом случае рабочая втулка не имеет угловой  подвижности. Втулку с проточкой (рис. 17, е) и с подачей циркулирующей  жидкости тангенциально по отношению к проточке применяют при высоких температурах уплотняемой жидкости или когда необходим  интенсивный отвод тепла от пары трения через невращающуюся втулку.

При изготовлении невращающейся  втулки из керамики или других хрупких  материалов используют соединение, показанное на рис. 17, ж. Здесь втулка закреплена в корпусе съемной крышкой, а стык между корпусом и крышкой уплотняется плоской прокладкой.

В торцовых уплотнениях  неответственного назначения рабочую  втулку устанавливают в корпусе  или на резиновой обойме (рис. 17, з), или запрессовывают в корпус (рис. 17, и), или выполняют за одно целое (рис. 17, к) с ним.

Рис. 17. Способы установки  невращающихся аксиально неподвижных рабочих втулок.

Способы установки невращающихся  втулок применимы для любых материалов, поскольку втулки подвержены действию напряжений сжатия.

Соединения (рис. 18, а, б) с  применением уплотнительных колец  круглого сечения обладают такими же преимуществами и недостатками, как и рассмотренные аналогичные соединения невращающихся втулок. В некоторых конструкциях уплотнений втулку спрессовывают на вал (рис. 18, в) или гильзу, а также выполняют за одно целое с ними. Керамические втулки (рис. 18, г) устанавливают на вал так же, как и в корпусе (см. рис. 17,ж).

При установке (см. рис. 18, а, б, в) во вращающихся втулках возникают напряжения растяжения, поэтому их не рекомендуется выполнять из хрупких материалов. В большинстве конструкции одну из рабочих втулок, как правило, изготовляют из более мягкого материала (графита, бронзы и других), а другую – из более твердого. Поскольку интенсивнее изнашивается втулка из мягкого материала, то для нее предусмотрен необходимый припуск на износ. Так, для втулок нефтяных насосов такой припуск принимается в пределах 4 – 6 мм.

Рис. 18. Способы установки  вращающихся аксиально неподвижных рабочих втулок.

В большинстве уплотнений невращающуюся втулку выполняют  из более мягкого материала по сравнению с материалом вращающейся втулки. Поскольку ось вала даже при наличии некоторого его прогиба не меняет своего положения в процессе работы насоса, предполагается, что при таком сочетании материалов рабочих втулок приработка пары трения будет более быстрой, а темп износа меньшим. Однако существуют конструкции уплотнений, в которых, наоборот, из более мягкого материала выполнена вращающаяся втулка.

При конструировании  уплотнений необходимо иметь в виду, что ширина рабочего торца втулки из более твердого материала должна не менее чем на 1 – 2 мм (применительно к нефтяным насосам) превышать ширину торца втулки из мягкого материала. В таком случае обеспечивается равномерный износ по всей ширине рабочего торца втулки из мягкого материала и компенсируются все неточности изготовления и монтажа как самого насоса, так и его уплотнений.

У втулок из мягкого материала  кромки со стороны рабочего торца должны быть острыми, без фасок и закруглений. Это особенно важно для разгруженных уплотнений, так как в противном случае может нарушиться равновесие действующих в уплотнении сил, что приведет к ненормальной его работе.

 

ПРУЖИНЫ

В торцовых уплотнениях  с одной вращающейся пружиной последнюю следует монтировать таким образом, чтобы исключить вредное влияние центробежных сил на работу уплотнения. Для этого пружину устанавливают на втулке или в гильзе, предохраняющей ее от деформации. Размеры пружины должны быть точно выдержаны, чтобы обеспечить минимально возможные зазоры между пружиной и ее направляющей (втулкой или гильзой). При высоких скоростях вращения такую пружину целесообразно заключать в гильзу.

Если в уплотнении применено несколько одинаковых пружин, то для создания равномерной нагрузки на уплотняющие поверхности по всему их периметру взаимное отклонение по высоте таких пружин должно быть незначительным.

Более удобны при монтаже  торцовые уплотнения, у которых пружина  предварительно сжата и зафиксирована. Поэтому в конструкцию большинства уплотнений вводят детали, которые в сборе с пружиной образуют узел, устанавливаемый на вал насоса. Это облегчает монтаж уплотнения и предохраняет его детали от повреждений, которые могут возникнуть при резких изменениях длины незафиксированной пружины в процессе установки уплотнения.

 

УПЛОТНЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В большинстве конструкций  торцовых уплотнений в качестве уплотняющих элементов, предотвращающих утечку жидкости между рабочими втулками, валом (гильзой) и корпусом, применены кольца круглого сечения из эластичных материалов. Это объясняется простотой конструкции узла при использовании таких колец, минимальным количеством деталей, высокой надежностью и обеспечением хорошей самоустанавливаемости рабочих втулок в процессе работы уплотнения.

Ассортимент применяемых  материалов для изготовления колец  круглого сечения непрерывно расширяется. Такие кольца выполняют из резин на основе нитрильных, силиконовых, фторированных и других каучуков, что позволяет применять кольца круглого сечения в сравнительно широком диапазоне температур и в среде различных по своей химической активности уплотняемых жидкостей. Например, кольца, изготовленные из резин на основе фтор-силиконовых каучуков и применяемые в торцовых уплотнениях для нефтяных насосов, химически стойки во всех нефтепродуктах при изменении температур от -30 до +200° С.

В последнее время  уплотнительные кольца круглого сечения  изготовляют из специального фторопласта, эластичные свойства которого приближаются к упругим свойствам резин.

Так, английская фирма  «Flexibox», перейдя на изготовление круглых колец из эластичного фторопласта, полностью унифицировала конструкции торцовых уплотнений и сделала их независимыми от материалов, применяемых для уплотнительных колец. Такие кольца по данным каталога фирмы «Flexibox» могут работать в тех же средах и диапазонах температур, что и обычный фторопласт.

Рис. 19. Уплотнительное кольцо круглого сечения из эластичного  материала.

Эскиз уплотняющего кольца круглого сечения, применяемого в торцовых уплотнениях нефтяных насосов, показан на рис. 19. В таких кольцах линия разъема пресс-формы расположена под углом 45°, что позволяет получить рабочие поверхности (на внешнем и внутреннем диаметрах) кольца чистыми и гладкими без дополнительной зачистки этих поверхностей.

В торцовых уплотнениях  нефтяных насосов применяют кольца диаметром d = 3 - 6 мм.

Ширина канавки (проточки) b под кольцо принимается на 1 – 2 мм больше его диаметра.

Большое значение для  самоустанавливаемости рабочих  втулок при одновременной надежной герметичности соединения имеет выбор величины обжатия кольца по сечению. Для узлов аксиально подвижных рабочих втулок уплотнительное кольцо должно обжиматься при монтаже уплотнения в среднем на 5% диаметра кольца, а для аксиально неподвижных – на 10%. Более высокие величины обжатия колец в узле аксиально подвижных втулок приводят к излишней жесткости сочленения рабочей втулки с кольцом и к потере ее самоустанавливаемости. При обжатии меньше 5% не исключена возможность потери герметичности соединения.

Величина натяга колец  принимается равной 1 – 3%, т. е. внутренний диаметр D кольца в свободном состоянии должен быть на 1 – 3% меньше диаметра D₁ проточки под кольцо.

Все остальные требования, предъявляемые к уплотнительному  кольцу, а также к соединению в целом, для торцовых уплотнений принимаются в соответствии с общепринятыми нормами для колец круглого сечения.

 

УСТРОЙСТВА  ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

 

Поскольку сила трения между  рабочей втулкой и уплотняющим  элементом (например, кольцом круглого сечения) всегда больше силы трения на уплотнительных поверхностях рабочих втулок, то казалось бы вполне возможным передавать крутящий момент к вращающейся втулке через уплотнительный элемент. Однако это делать не рекомендуется, так как в данном случае резко ухудшаются условия работы уплотняющего элемента и возможно проскальзывание втулки по кольцу, сопровождающееся быстрым износом последнего.