Меню

Уплотнение валов при высоком давлении

Уплотнение вала. Контактные и бесконтактные уплотнения

В современных машинах и оборудовании, совершающих механическую работу, связанную с вращением механизмов, необходимо обеспечение герметичности рабочей полости и проходящего через неё вращающегося вала. Для этого применяются различные по конструкции и характеристикам уплотнительные устройства. Эти уплотнения также могут служить для сохранения смазки и предотвращения возможного попадания инородных частиц извне, которые способны повредить оборудование и привести к преждевременному его отказу.

Условия применения уплотнений могут значительно отличаться друг от друга, поэтому конструкции этих герметизирующих узлов совершенствовались с целью соответствия определенным параметрам эксплуатации.

Если в некоторых случаях применения уплотнений допускается небольшая утечка, то для других вариантов это может быть не позволительно. По мере всё большего ужесточения параметров рабочей среды и требований, предъявляемых к надежности, сроку службы и герметичности оборудования с вращающимся валом, происходило усложнение конструкций уплотнений и их неизбежное удорожание. Уплотнения валов могут быть разделены на две группы: контактные и бесконтактные.

Контактные уплотнения

Манжетное (радиальное) уплотнение

Манжетное уплотнение (манжета или радиальное уплотнение) в основном применяется для сохранения смазки и исключения загрязнения полости и элементов машин и оборудования извне. Такое уплотнительное устройство способно работать в температурном диапазоне от -40 до 200 градусов по Цельсию при невысоких перепадах давления. Неоспоримым преимуществом манжет является их низкая цена, малые габариты и простота установки. Из-за особенностей конструкции манжетные радиальные уплотнения имеют ограничения применимости по давлению и скорости скольжения, вследствие трения они постепенно изнашиваются сами и шаржируют поверхность вала в зоне контакта, образуя на нём местный круговой износ. Манжетные уплотнения вала применяются для насосов с небольшими скоростями вращения вала при избыточном давлении до 0,5 атмосфер.

Сальниковое уплотнение

Сальниковое уплотнение (сальник или сальниковая набивка) из-за специфичности конструкции, способа установки и принципа работы, не предназначено для обеспечения высокой степени герметичности. Сальниковая набивка устанавливается таким образом, чтобы минимальная утечка жидкости обеспечивала необходимую смазку и отвод тепла из зоны контакта. Уплотнение этого типа применялось в устаревших насосах, требует периодического обслуживания. В последние десятилетия сальник неизбежно уступает свои позиции торцевому уплотнению.

Торцевое (механическое) уплотнение

Торцевое (механическое) уплотнение является прецизионным узлом, предотвращает утечку и применяется для условий, в которых недопустимо использование манжетных и сальниковых уплотнительных устройств. Эти уплотнения, как правило, имеют продолжительный срок службы практически без износа поверхности вала и не нуждаются в периодическом обслуживании.

Высокие требования к шероховатости поверхности вала, отклонению его размеров и допусков формы и расположения сопряженных поверхностей, имеют существенное значение в обеспечении высокой герметичности и надежной работы оборудования. Многочисленные технические решения торцевых уплотнений валов предназначены для применения в разных жидкостях, с давлениями, доходящими до 200 атмосфер, с частотой вращения до 50000 оборотов в минуту, и в диапазоне температур от -250 до 500 градусов Цельсия. Этот тип контактного уплотнения часто применяется в современных насосах, мешалках, гомогенизаторах, ротационных соединениях и другом оборудовании, когда утечка рабочей среды не допускается, либо допустима её крайне малая величина.

Бесконтактные (динамические) уплотнения

Щелевое уплотнение

Простое щелевое уплотнение представляет собой втулку, закрепленную в корпусе, через которую проходит вращающийся вал, между валом и втулкой имеется малый радиальный зазор. В зависимости от формы уплотнительной поверхности различают торцевые и радиальные (осевые) щели. Величина утечки зависит от физических параметров рабочей среды, пропорциональна перепаду давления, длине канала и уплотняемому периметру, и имеет кубическую зависимость от высоты радиального зазора.

Читайте также:  Окпд газопровод низкого давления

Щелевое уплотнение с плавающей втулкой может отслеживать вращение вала и имеет меньший радиальный зазор, чем уплотнение с фиксированной втулкой. Гидравлически разгруженное щелевое уплотнение исключает или уменьшает усилие упругого элемента (пружины) и сохраняет преимущества уплотнения с плавающей втулкой. Щелевые уплотнения с гладкими поверхностями могут работать при перепадах давлений до 100 МПа и предельно высоких скоростях скольжения. Для повышения гидравлического сопротивления щелевого уплотнения на его уплотнительных поверхностях выполняют кольцевые канавки разнообразных форм. В современных насосах с картриджными торцевыми уплотнениями в качестве вспомогательного герметизирующего узла достаточно часто применяются простые щелевые уплотнения вала.

Лабиринтное уплотнение

Лабиринтное уплотнение представляет собой щелевое уплотнение, содержащее специальные канавки, которые резко изменяют проходное сечение канала. Этот тип уплотнения эффективен при высоких числах Рейнольдса (Re >> 500), когда потери давления превышают потери на трение в щелях, не требует смазки или периодического обслуживания. В случае возникновения износа или повреждения уплотнительного устройства величина утечки возрастает. Лабиринтные уплотнения широко применяются в осевых и центробежных компрессорах, турбодетандорах, паровых турбинах и других турбомашинах.

Винтовое уплотнение

Бесконтактное винтовое уплотнение имеет специальные пазы или винтовую резьбу, выполненные на поверхности вала и(или) в корпусе. Вязкость жидкости в зазоре между валом и корпусом обеспечивает уплотняющий эффект при одностороннем вращении вала. Конструкция уплотнения с винтовой многозаходной резьбой как на валу, так и противоположная по направлению вращения на втулке корпуса, демонстрирует большую эффективность при высоких скоростях вращения вала. Уплотнительное устройство такого типа способно эффективно работать не ниже определенной минимальной окружной скорости, при её понижении должны применяться дополнительные вторичные контактные уплотнения. Уплотнения такой конструкции находят применение в специальных насосах и другом оборудовании, работающих в особых условиях эксплуатации.

Магнитожидкостное уплотнение

Магнитножидкостное уплотнение использует коллоидную суспензию магнитных частиц (например, окиси железа), расположенную между вращающимся валом и корпусом, удерживаемую магнитным полем постоянных магнитов, для создания уплотнительного эффекта по принципу гидравлического затвора. Конструкция такого узла обладает незначительным износом (трением), малочувствительна к осевому перемещению вала. Магнитожидкостные уплотнения можно использовать на скоростях до 120000 оборотов в минуту, при температурах до +200 градусов Цельсия, и давлениях до 0,4 бар на ступень, в основном для газов и защиты от попадания твердых частиц пыли и влаги.

Источник

Информация

Категории

Новые товары

На данный момент нет новых товаров

Уплотнения сверхвысокого давления ЭЛКОНТ

Надежность и себестоимость гидроприводов в значительной степени определяется качеством уплотнений подвижных соединений. Для надежной работы уплотнений необходимо обеспечить прецизионную точность изготовления, минимальную шероховатость контактирующих поверхностей, высокую износостойкость материалов и большую жесткость конструкции [4]. Хотя проблема уплотнений актуальна и для обычных гидроприводов, особое значение она приобретает для гидроприводов сверхвысокого давления (СВД), к которому в трубопроводной арматуре относят давление свыше 80 МПа, а в уплотнительной технике — свыше 40 МПа [2].

В условиях СВД напряжение в деталях приближаются к пределам текучести материалов, поэтому даже незначительные утечки вызывают эрозию стенок канала течи. Одновременно увеличиваются деформации деталей, приводящие к потере начальных натягов и экструзии уплотнителя в зазоры; вследствие ухудшения условий смазывания и увеличения контактных напряжений резко повышаются интенсивность изнашивания и тепловыделение, особенно при герметизации жидкостей с плохой смазывающей способностью (например, воды).

Для герметизации лабораторных гидросистем с давлением до 1000 МПа, появившихся в 40-х годах нашего столетия, американский физик П.В. Бриджмен создал так называемые дифференциальные контактные уплотнения (КУ), работа которых основана на принципе усиления эффекта самоуплотнения с повышением давления уплотняемой среды (рис.1), так как считал, что в резиновых уплотнениях этот эффект не достаточен для СВД. Такие уплотнения применяются и в настоящее время, однако, как следует из анализа механизма герметизации [4], при СВД могут надежно работать и обычные резиновые уплотнения, если они имеют прочные защитные кольца.

Читайте также:  Скорость потока воздуха при давлении

Практика эксплуатации простейших контактных эластичных уплотнений (рис.2,а) с клиновыми защитными кольцами из высокотвердой (35-40 HRCэ) бериллиевой бронзы БрБ2 в гидроэкструзионных установках, работающих при давлении до 2000 МПа, подтверждает этот вывод [1]. Имеется большой опыт применения пластмассовых и эластичных уплотнений с пластмассовыми или бронзовыми защитными кольцами в гидроприводах высокого давления (до 300 МПа) кузнечно-прессового оборудования, гидродомкратах, устройствах для гидрораспора прессовых соединений, гидропружинах и гидродемпферах, стендах для испытания на прочность. При этом уплотнения успешно применяются не только для жидкостей на нефтяной основе, но также и для плохо смазывающих сред.

Альтернативой контактным являются бесконтакные (щелевые) уплотнения (БУ) (рис.2,б), герметичность которых обеспечивается силами внутреннего трения в слоях жидкости, находящейся в микронных зазорах между сопрягаемыми деталями [3]. Наиболее отработаны БУ плунжерных пар в топливных насосах дизельных двигателей и насосах-форсунках [5], работающих при давлении до 200 МПа, а также в гидромашинах и гидрораспределителях при давлении до 100 МПа. Имеется опыт применения при давлениях жидкости до 2000 МПа в поршневых манометрах, динамометрах и гидравлических весах.

В современных насосах и гидромультипликаторах, работающих на воде при давлении в диапазоне 200-400 МПа, применяются как КУ, так и БУ плунжеров. В связи с этим полезно сопоставить основные параметры и качественные признаки работоспособного состояния уплотнений этих видов (см. таблицу).

По главному параметру – герметичности – КУ выгодно отличаются от БУ, утечки в которых сравнительно велики и нестабильны, так как зависят от многих факторов и прогрессируют по мере увеличения наработки. Что бы утечки не превышали нескольких процентов от подачи насоса, зазоры в БУ плунжерных пар в условиях СВД не должны превышать 3 мкм, а для топливных насосов и дизелей — 1 мкм. Наличие утечек обусловливает необходимость применения дренажной системы с дополнительными уплотнениями и трубопроводами. Для поддержания минимальных зазоров в плунжерных парах используются толстостенные гильзы, так как их рассчитывают исходя из условия обеспечения высокой жесткости.

Большое преимущество БУ – возможность эффективно выполнять функцию отключаемого уплотнения в устройствах регулирования подачи рабочей жидкости, поскольку в отличие от КУ они не чувствительны к наличию боковых отверстий на сопрягаемых деталях

Потери на трение в КУ несоизмеримо выше, чем в БУ, особенно в режиме холостого хода. При рабочем ходе силы трения возникают и в БУ вследствие неуравновешенности давления в щели, а также внецентренной нагрузки плунжера. С повышением давления радиальные нагрузки увеличиваются даже при наличии кольцевых разгрузочных канавок на рабочих поверхностях втулки или плунжера. Стремление к минимизации износа обусловливает необходимость увеличения твердости и прочности, снижения шероховатости поверхности сопряженных деталей (что актуально, кстати, и для КУ). Повышенное трение существенно снижает допустимые скорости скольжения для КУ (по сравнению с БУ).

Главное конструктивное преимущество КУ – пониженные требования к точности изготовления его деталей (квалитет 8-9 вместо 1-3), благодаря эластичности уплотнителей. Расширенные допуски на изготовление позволяют выполнять КУ больших размеров для работы в условиях СВД, в то время как получить микронные зазоры в БУ затруднительно при диаметрах свыше 50 мм. КУ менее чувствительны к тепловым, силовым и структурным деформациям узла, работоспособны при значительных износах плунжера, имеют повышенную ремонтопригодность.

Читайте также:  Соленоид давления пежо 406

Уход от микронных зазоров исключает такие частые и характерные для БУ отказы, как защемление и задиры плунжерной пары, связанные не только с подбором материалов и точностью изготовления, но и с деформациями деталей (например, вследствие аустенситно-мартенситных преобразований в структуре стали, вызванных неполной обработкой холодом).

Причиной задиров часто является заклинивание в зазоре твердых включений, содержащихся в жидкости. КУ сравнительно малочувствительны к загрязнению жидкости и могут работать даже в абразивосодержащих буровых растворах, в то время как для плунжерных пар топливных насосов необходима фильтрация рабочей жидкости с точностью 3-5 мкм.

Малая осевая протяженность современных КУ и возможность их размещения в глухих канавках позволяют резервировать уплотнения, предусматривать камеры для подвода смазочного материала и охлаждающей жидкости (рис.3).

Таким образом, БУ целесообразно использовать, например, в топливных насосах дизелей с регулируемой подачей, в которых быстроходные плунжеры с малыми диаметрами и ходами работают в паре с втулками, имеющими боковые каналы, а утечки способствуют охлаждению пар трения.

Для тихоходных машин и мультипликаторов больших размеров целесообразно использовать КУ, так как при увеличении диаметров и ходов трудоемкость изготовления БУ резко увеличивается, а надежность снижается. Поскольку силы трения в уплотнениях пропорциональны диаметрам плунжеров, а мощность гидромашин пропорциональна квадратам диаметров, недостатки КУ в части повышения потерь не трение становятся менее заметными. Для мультипликаторов, работающих на воде в условиях СВД (при 400 МПа и выше) при скоростях движения плунжера до 0,2 м/с и хороших условиях охлаждения, определяющими являются такие преимущества КУ, как высокая технологичность конструкции, нечувствительность к загрязнениям и неравномерным деформациям деталей силового контура, минимальные потери энергии на утечки, возможность многократного резервирования. Среди многочисленных типов КУ плунжеров наиболее совершенными являются компактные пластмассовые уплотнения [6, 7].

Малая осевая протяженность и возможность монтажа в глухие канавки позволяет использовать их в многоступенчатых уплотнительных узлах. Высокая самосмазывающая способность современных антифрикционных пластмасс на основе фторопластов, полиуретанов и полиэфиров обеспечивает их надежную работу и в плохо смазывающих жидкостях (например, в водопроводной воде). При подводе смазочного материала между ступенями уплотнения дополнительно повышается ресурс уплотнительного узла.

Поскольку в настоящее время нет методики расчета ресурса уплотнений в условиях СВД, основным способом решения проблемы остается экспериментальная отработка конструкции.

Современные уплотнения, в том числе для работы в условиях сверхвысокого давления, поставляет фирма «ЭЛКОНТ».

  1. Богоявленский К.Н., Вагин В.А., Кобышев А.Н. и др. Гидропластическая обработка металлов. Л.: Машиностроение, 1988.
  2. Кондаков Л.А., Голубев А.И., Овандер В.Б. и др. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. М.: Машиностроение. 1986.
  3. Никитин Г.А. Щелевые и лабиринтные уплотнения гидроагрегатов. М.: Машиностроение. 1982.
  4. Овандер В.Б. Высоконадежные методы и средства герметизации гидропневмосмазочных систем в станкостроении. М.: ВНИИТЭМР. 1986.
  5. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. Л.: Машиностроение. 1990.
  6. ЭЛКОНТ: уплотнения и опоры из полимерных и композитных материалов
  7. /В.Б. Овандер// Приводная техника. 1988. №7. С.36-40.
  8. Industrial Sealing Systems. Рекламный проспект фирмы SHAMBAN (Дания). 1994.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ПРИЗНАКИ РАБОТОСПОСОБНОГО СОСТОЯНИЯ УПЛОТНЕНИЙ

Источник

Adblock
detector