ТОРЦОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ - ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
07 янв. 2013ТОРЦОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ - ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
ТОРЦОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ - ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Торцевым уплотнением называют герметизирующее устройство машины (насоса, компрессора, мешалки, центрифуги и др.) между ее корпусом и валом для разделения полостей высокого и низкого давлений, выполненное в виде пары трения торцовых поверхностей двух деталей, одна из которых закреплена на валу, а вторая - в корпусе машины.
Торцевое уплотнение является представителем устройств с парой трения, к которым принадлежат также и упорные подшипники скольжения, для функционирования которых необходим подвод смазки в пространство между трущимися поверхностями. Отличие торцовых уплотнений от упорных подшипников по характеру работы состоит в том, что трущаяся пара торцовых уплотнений должна работать в условиях не всегда постоянного перепада давления и минимального расхода смазывающей среды, а упорные подшипники должны работать в условиях расчетного оптимального перепада давления и с расходом смазывающей среды, обеспечивающих достаточный теплосъем от пары трения.
В качестве смазки в торцовых уплотнениях в подавляющем большинстве случаев используется уплотняемая среда.
Торцовые уплотнения относятся к контактным типам уплотнений. Характер трения может находиться в диапазоне от контактного трения, связанного с непосредственным взаимодействием поверхностей уплотняющей пары колец, до трения гидродинамического, связанного с течением уплотняемой среды в узкой щели между торцовыми поверхностями. Наименее напряженным для торцовых уплотнений является период работы, при котором контакт торцовых уплотняющих поверхностей пары колец осуществляется в условиях невращающегося вала, а также на начальном этапе вращения вала. В процессе выхода на режимную работу и при работе на штатном режиме процессы трения между уплотняющими поверхностями колец обусловлены значительными тепловыделениями и нагрузками от давления уплотняемой среды.
1.1. ТОРЦОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ - ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
В общем случае торцевое уплотнение содержит два кольца:
— невращающееся кольцо, расположенное в корпусе;
- вращающееся кольцо, расположенное на валу машины (рис. 1).
Одно из этих колец должно иметь возможность аксиального перемещения, для чего в конструкции узла торцового уплотнения обязательно присутствует упругий поджимной элемент (пружина, сильфон, мембрана), составляющий вместе с нажимной втулкой и вращающимся уплотнительным кольцом аксиально-подвижный блок (или поджимной узел). Этот упругий элемент обеспечивает контакт торцовых поверхностей в сопряжении вращающегося и невращающегося колец пары при отсутствии поджимающей силы от давления среды.
Рис. 1 Состав деталей узлов торцовых уплотнений
Рис. 2. Схема действия сил в торцовых уплотнениях
Кроме того, обязательными элементами узла торцового уплотнения являются вспомогательные (или вторичные) уплотнения между вращающимся блоком и ротором, между статорным блоком и корпусом, а также устройства фиксации уплотняющих колец (установочные винты, приводные штифты), служащие для привода вращающегося кольца и фиксации от углового смещения (проворота) относительно корпуса невращающегося кольца.
На рис.2 представлена схема простейшего торцового уплотнения, нагруженного давлением р1 в уплотняемой камере и давлением р2 в камере за уплотнением, и осевые силы, действующие в нем (Рр - сила реакции; Ртр - сила трения).Рассматривая эти силы, можно записать уравнение равновесия аксиально-подвижного кольца, пренебрегая силой трения Ртр во вспомогательном уплотнительном элементе:
P1S1+Py=qSK+PCT + РДИН, (1)
где S1 - площадь нагружения аксиально-подвижного кольца на валу давлением среды в уплотняемом пространстве; SК -площадь уплотняющего стыка колец; q -удельное контактное давление в уплотняющем стыке колец; Ру - осевая сила от упругого элемента (пружины, сильфона и др.); Рст, Рдин - статическая и динамическая составляющие несущей силы в уплотняющем стыке колец.
В левой части уравнения сгруппированы силы, нагружающие торцовый стык пары и действующие в направлении продольной оси вала, а в правой части - силы реакции, возникающие в торцовом стыке. Силы реакции состоят из сил удельного нагружения в уплотняющем контакте поверхностей и несущих сил, возникающих в жидкостном слое. Несу¬щая способность смазочного слоя находится интегрированием выражения, опи-сывающего закономерность распределения давления в торцовой уплотняющей щели по площади этой щели.
Если записать qSK =РК, где Рк представить как силу контактного взаимодействия поверхностей колец в паре, то выражение (1) можно записать в виде:
p1S1+Py=PK+Pcт+Pдин. (2)
Здесь Рк представляет силу контактного взаимодействия поверхностей, Рст -силу, образованную гидростатическими эффектами, Рдин - силу, образованную гидродинамическими эффектами в уплотняющем стыке.
В зависимости от того, какая из сил в правой части уравнения (2) является в уплотнении определяющей, торцовые уплотнения иногда делят на группы: обыкновенные, гидростатические и гидродинамические. На практике для такого деления обычно привлекаются формальные признаки конструктивного исполнения устройств подвода смазки в уплотняющий стык поверхностей колец торцовой пары.
Торцовые уплотнения называют:
- без устройств подвода смазки -обыкновенными;
- с устройствами подвода смазки, величина подводимого давления которых в уплотняющий стык поверхностей колец торцовой пары не связана с вращением вала, - гидростатическими;
- с устройствами подвода смазки, величина подводимого давление которых в стык пары связана с вращением вала, -гидродинамическими.
Теоретические основы расчета несущей способности торцовых уплотнений гидродинамического и гидростатического типов подобны методам расчета подшипников скольжения.
Торцовые уплотнения работают в различных условиях по давлению и частоте вращения вала; степень их нагрузки может быть разной. Для оценки условий нагруженности торцовых уплотнений в уплотняющем стыке при работе существует ряд известных рекомендаций. Так, для обобщенной характеристики степени тяжести условий работы уплотнений, по аналогии с оценкой нагруженности подшипников, предложено использовать произведение двух параметров: перепада давления р на уплотнении и скорости v скольжения в паре трения. Значения параметров р, v и pv для различных торцовых уплотнений разделяют на четыре группы по степени их нагруженности (табл. 1.1).
1.1. Группы нагруженности торцовых уплотнений
Группа нагруженности
Давление
р, МПа
Скорость
v, м/с
Нагрузка МПа • м/с
Низшая
5,0
>20
> 50,0
Конечно, такое деление уплотнений по группам нагруженности через параметр pv не отражает реального воздействия всей гаммы тех процессов, которые происходят при работе уплотнений, так как охватывает лишь влияние таких факторов, как нагружающий перепад давления и относительную скорость перемещения уплотняющих поверхностей. Однако его удобно использовать для сравнительных оценочных характеристик нагруженности узлов торцовых уплотнений.
Выбор и применение торцовых уплотнений в изделиях диктуется экономическими соображениями. При этом принимаются во внимание следующие факторы:
- характеристики герметичности узла;
- ресурс надежной работы узла;
- габаритные размеры узла уплотнения;
- продажную стоимость узла уплотнения;
- расходы на эксплуатацию и обслуживание;
- наличие гарантийного и постгарантийного обслуживания узла уплотнения.
Качество функционирования торцового уплотнения обуславливает ряд факторов:
• параметры нагружения;
• конструктивное исполнение узла уплотнения;
• материалы трущейся пары;
• физико-химические характеристики уплотняемой среды;
• технологические факторы (точность изготовления, качество монтажа);
• динамические характеристики нагружения.
Детализация этих факторов и их связь с утечкой через уплотнение, потерями на трение, надежностью, долговечностью узла уплотнения и т.д. зависят от следующих параметров и характеристик:
- нагружающего перепада давления;
- коэффициента нагрузки;
- окружной скорости вращения;
- начальной формы контактных торцовых поверхностей пары колец;
- изменения в процессе работы параметров нагрузки узла уплотнения по давлению и температурным параметрам уплотняемой среды;
- сочетания материалов пары колец;
- теплофизических и смазывающих свойств уплотняемой среды;
- наличия абразивных включений в уплотняемой среде;
- химической стойкости материалов узла уплотнения в условиях омываемой их среды;
- частоты пусков и остановок узла уплотнения при эксплуатации;
- условий пуска;
- качества монтажа;
- температурного режима работы узла;
- внешних динамических воздействий на узел при работе.
Торцовые уплотнения по величине номинального удельного давления, в стыке пары от усилия поджатая аксиально подвижного кольца к аксиально неподвижному, делят на нагруженные и разгруженные.
Если в торцовом уплотняющем стыке номинальное удельное давление ниже уплотняющего давления, то такое уплотнение называют разгруженным и от него можно ожидать работы в бесконтактном режиме. Однако решающая роль принадлежит форме сопряжения торцовых поверхностей уплотняющих колец.
При плоской или конфузорной (сужающейся в направлении утечки) форме щели уплотнение может работать в бесконтактном режиме. Усилие прижатия аксиально-подвижного кольца к аксиально-неподвижному в этом случае может уравновешиваться полностью гидростатическим давлением в слое уплотняемой среды в торцовой щели уплотнения.
Если в результате деформаций колец образуется диффузорная (расширяющаяся в направлении утечки) форма их сопряжения, то величина реального удельного давления в таком сопряжении почти всегда будет выше уплотняющего давления, что обеспечит высокую уплотняющую способность торцового сопряжения. Усилие поджатия аксиально-подвижного кольца к аксиально-неподвижному в этом случае уравнивается частично или полностью за счет непосредственного контакта уплотняющих поверхностей колец.
Величина утечки через уплотнение будет зависеть от зазора в самой узкой части щели и от формы уплотняющей щели, образующейся между торцовыми поверхностями колец.
В промышленности выбор типа торцового уплотнения связан с параметрами нагрузки и допустимыми величинами утечек. Величины гидростатической и гидродинамической силы в уплотняющем стыке обусловлены наличием и характером течения уплотняемой среды в этом стыке. Характер эпюры от гидростатического и гидродинамического давления в щели между торцовыми поверхностями колец связан с текущей формой этой уплотняющей щели.
На характеристики изменяющихся в процессе работы узла уплотнения форм щелей оказывают влияние исходная форма уплотняющих поверхностей, температурные и силовые деформации колец, связанные с текущими режимными условиями нагружения узла уплотнения, износ уплотняющих поверхностей и т.д.
Отношение удельного нагружения qK к уплотняемому перепаду давления Ар на уплотнении называют коэффициентом нагрузки уплотнения:
К =qk/Δp.
Торцовые уплотнения с коэффициентом К 1).
4. По устройству подвода смазыающей, охлаждающей или запирающей среды в уплотняющий стык:
- без специального устройства подвода среды в уплотняющий стык (обыкновенные торцовые уплотнения);
- с устройствами подвода среды в уплотняющий стык, с условиями:
• если применение такого устройства изменяет коэффициент нагрузки К, то уплотнения называются гидростатическими;
• если применение такого устройства связано с выполнением на контактной поверхности канавок, которые при вращении одного из колец создают гидродинамические поля дав-лений уплотняемой среды или смазки, то уплотнения называются гидродинамическими;
• если применяются в торцовых уплотнениях комбинации указанных устройств, то уплотнения называются гидродинамически-гидростатическими.
5. По числу ступеней:
- на одноступенчатые;
- на двойного действия с подводом запирающей среды.
По числу выделенных особенностей эта классификация менее полная и характеризуется теми же уже перечисленными недостатками.
Торцовые уплотнения предложено классифицировать по ряду признаков следующим образом:
1. По конструктивному исполнению -на одинарные, двойные, внутренние, внешние, неподвижные, вращающиеся.
2. По способу подачи рабочего тела в зазор - на самопитающиеся, с подачей от внешнего источника.
3. По типу аксиально-подвижного кольца - на уплотнения со сплошным кольцом, с секторным кольцом, с нерегулируемым положением кольца, с регулируемым положением кольца, с прикрепленным кольцом, с неприкрепленным кольцом.
4. По типу упругого элемента -с пружинами, сильфоном, мембраной, упругим кольцом.
5. По типу вторичного уплотнения - с поршневым кольцом, манжетой, мембраной, плавающим кольцом, сильфоном, с упругим кольцом.
6. По типу дросселя - с дросселирующим отверстием, каналом, пористым дросселем, с регулируемым дросселем.
7. По конструктивному исполнению уплотнительной поверхности - с гладкой поверхностью, профилированной поверхностью, бескамерные, с камерами, с пористой поверхностью, деформируемой поверхностью.
Недостатком этой классификации является то, что в ней не отражено влияние на конструкции узлов торцовых уплотнений эксплуатационных параметров (давления, температуры уплотняемой среды и др.), а также свойств уплотняемой среды (агрегатного состояния, абразивности, токсичности среды и др.).
На основе изучения приведенных известных классификаций была разработана и предложена такая классификация торцовых уплотнений, в которой были учтены отмеченные выше недостатки известных классификаций.
Предложено классифицировать торцовые уплотнения на основе трех групп признаков:
- внутривидовых конструктивных признаков общего характера;
- конструктивных признаков, связанных с эксплуатационными условиями;
- конструктивных признаков, связанных с фазовым состоянием уплотняемой среды.
• К первой группе признаков классификации торцовых уплотнений можно отнести следующие внутривидовые отличительные признаки общего характера.
1. Расположение вращающегося блока относительно пространства уплотняемой среды:
1.1. Внутренние торцовые уплотнения (уплотняемая среда высокого давления находится со стороны наружного диаметра вращающегося блока).
1.2. Внешние торцовые уплотнения (уплотняемая среда высокого давления находится со стороны внутреннего диаметра вращающегося блока).
2. Местоположение аксиально-подвижного (поджимного) блока относительно вала:
2.1. На валу (вращающийся поджимной блок, плавающий поджимной блок).
2.2. В корпусе (невращающийся поджимной блок).
3. Нагрузка в уплотняющем стыке:
3.1. Нагруженные торцовые уплотнения (номинальное удельное давление в уплотняющем торцовом стыке колец не менее величины уплотняемого перепада давления).
3.2. Разгруженные торцовые уплотнения (номинальное удельное давление в уплотняющем торцовом стыке колец менее уплотняемого перепада давления).
4. Способ подачи смазки к уплотняющему стыку пары колец:
- самопитающиеся уплотнения;
- с подачей смазки от внешнего источника.
5. Устройства снабжения смазкой поверхностей трущейся пары колец:
5.1. Естественные (неорганизованные) устройства снабжения смазкой поверхностей трущейся пары колец.
5.2. Искусственные (специально организованные) устройства снабжения смазкой поверхностей трущейся пары колец.
6. Тип торцового уплотнения от вида использованного в нем устройства смазки пары трения:
- контактные;
- бесконтактные.
7. Конструктивное исполнение типов торцовых уплотнений:
А. Контактные, обыкновенные торцовые уплотнения.
В. Бесконтактные торцовые уплотнения.
а). Гидростатические торцовые уплотнения.
- Гидростатические торцовые уплотнения постоянного питания смазкой.
- Гидростатические торцовые уплотнения импульсного питания смазкой.
- Гидродинамические торцовые уплотнения.
- Гидродинамические торцовые уплотнения постоянного питания смазкой.
- Гидродинамические торцовые уплотнения импульсного питания смазкой.
-. Гибридные торцовые уплотнения.
8. Число ступеней в уплотнитель-ном блоке:
А. Одноступенчатые.
Б. Многоступенчатые (ступенчатые в осевом направлении, ступенчатые в радиальном направлении, ступенчатые в осевом и радиальном направлениях).
9. Материалы уплотняющих колец (металлические, керамические, металлокерамические, графитовые, пластмассовые, графитопластмассовые, сальниковая набивка).
10. Устройства фиксации кольца от проворота относительно смежной детали блока:
- с фиксацией уплотняющего кольца от углового смещения;
- без фиксации уплотняющего кольца от углового смещения (с плавающим кольцом).
11. Устройства для осевого поджатая колец торцовой пары, выполненные на основе: пружины, сильфона, мембраны, упругого кольца из металлорезины, гидроподжима, магнитного поджима.
12. Исполнение тела уплотняющего кольца:
- в виде цельного кольца;
- в виде разрезного кольца (составного, в том числе из сальниковой набивки).
13. Закрепление уплотняющих колец в узле:
- с закреплением кольца в обойме;
- с закреплением кольца на втулке;
- свободная установка кольца.
14. Вид вспомогательного (вторичного) уплотнительного элемента:
О- или Г- образное кольцо (резиновое, фторопластовое, с упругим кольцевым сердечником в оболочке), манжета, мембрана, сильфон, клиновое кольцо, поршневое кольцо, плавающее кольцо и др.
• Ко второй группе признаков классификации торцовых уплотнений можно отнести следующие отличительные признаки, связанные с эксплуатационными условиями.
15. Перепад уплотняемого давления:
- уплотнения для низкого перепада давлений;
- уплотнения для высокого перепада давлений.
16. Частота вращения вала:
- уплотнения для тихоходных валов;
- уплотнения для высокооборотных валов.
17. Температура уплотняемой среды:
- уплотнения для сред с температурой ниже температуры ее кипения при давлении за уплотнением;
- уплотнения для высокотемпературных сред (неохлаждаемые, охлаждаемые);
- уплотнения для низкотемпературных (криогенных) сред.
18. Условия периода поддержания уплотняющих свойств в процессе работы:
- постоянно действующие уплотнения;
- периодически действующие;
- стояночные уплотнения.
19. Удовлетворение требований по допустимости вывода уплотняемой среды в окружающее пространство.
• К третьей группе признаков классификации торцовых уплотнений можно отнести следующие отличительные конструктивные признаки узлов уплотнений, связанные с фазовым состоянием и соотношением фаз в уплотняемой среде.
20. Фазовое состояние уплотняемой среды:
- жидкостные уплотнения;
- газовые уплотнения.
21. Загрязненность уплотняемой среды:
- уплотнения для чистых сред;
- уплотнения для абразивных сред;
- уплотнения для сред, содержащих фекалии и волокна.
22. Газовые уплотнения:
- торцовые уплотнения для компрессоров;
- торцовые уплотнения для насосов и мешалок.
Разъяснения к каждому из выделенных признаков приведенной классификации требуют значительного объема текстового материала и иллюстраций. Ответы на многие интересующие вопросы, в части раскрытия выделенных признаков в предложенной классификации, можно найти в литературе по торцовым уплотнениям и в материалах следующих разделов.
В предложенной трехгрупповой классификации признаков упрощаются вопросы деления торцовых уплотнений по конструктивным признакам, и она включает в себя информацию, ориентированную как на разработчиков, так и на потребителей торцовых уплотнений узлов (вторая и третья группы признаков).
Конечно, предложенная классификация хотя и характеризуется большой полнотой и детализацией признаков, не лишена недостатков и открыта для совершенствования как в части построения, так и в отношении числа и местоположения отдельных признаков в ее иерархии.
Выводы.
• Представлены основные сведения о конструктивном исполнении, принципе действия и областях применения узлов торцовых уплотнений.
• Выполнен анализ известных классификаций торцовых уплотнений и предложена более полная и более детализированная их классификация.
вернуться в список»
