книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода
..pdfМатериал устойчив во всех химических средах кроме расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора при повышенных температурах и давлении и физиологически безвреден при температурах до 260 °C.
МУП применяется для заполнения сальниковых камер (краны, клапаны, задвижки) с целью герметизации подвижных и неподвижных соединений, а также фланцевых соединений, имеющих шип-паз и без него.
МУП не замерзает, не дает усадки в зазорах, при длительной эксплуатации и воздействии сред не затвердевает и остается эластичным. МУП идеально уплотняет металлические, эмалированные, керамические и стеклянные соединения. Он легок в монтаже, безотходен и имеет неограниченный срок хранения.
Лента ФУМ, предназначенная для уплотнения неподвижных резьбовых соединений из всех материалов, представляет собой неспеченную пленку из фторопласта-4Д. Ее можно использовать как
всредах общепромышленного типа, так и в агрессивных средах,
вдиапазоне температур от −60 до 200 °C и давлении до 10 МПа.
4.3.2. Уплотнения подвижных соединений
Основная область применения уплотнений подвижных соединений в гидроприводах – герметизация полостей в машинах и аппаратах, содержащих рабочие жидкости и газы при высоких давлениях или под вакуумом. В роторных машинах (в паровых и газовых турбинах, центробежных и объемных насосах, динамических и объемных гидродвигателях, компрессорах) необходимо уплотнение вращающихся валов и роторов, в поршневых машинах и гидроаппаратах – уплотнение возвратно-поступательно движущихся частей (поршней, плунжеров, золотников). В гидроаппаратах посредством уплотнений предотвращаются или минимизируются перетечки рабочей жидкости из полостей высокого давления в полости низкого давления при относительном движении сопрягаемых деталей (перемещение золотника относительно втулки, сервопоршня в корпусе).
221
К основным уплотнительным устройствам подвижных соединений относятся:
•канавочные уплотнения;
•кольца круглого сечения из эластичного материала;
•сальниковые устройства;
•манжеты различной конфигурации;
•грязесъемники;
•торцовые механические уплотнения;
•лабиринтные уплотнения;
•торцовые газовые уплотнения.
В поисках надежных решений разработано большое число разнообразных систем уплотнений. Все системы уплотнений подвижных соединений, как и неподвижных, можно разделить на два класса: контактные и бесконтактные.
Контактные уплотнения обеспечивают более высокую герметичность соединений. Однако контактным уплотнениям свойственны недостатки, основные из которых: ограниченность допустимых скоростей относительного движения, изнашиваемость и потери уплотнительных свойств с износом. Их устраняют регулированием силы прижатия контактирующих поверхностей, рациональным подбором материала трущихся поверхностей, компенсацией износа с помощью упругих устройств.
Безопасные скорости определяются свойствами уплотняемой жидкости, условиями смазки, контактным давлением, материалом трущихся поверхностей, правильностью монтажа и другими факторами. Рациональным сочетанием этих параметров можно значительно расширить границы нормальной работы уплотнения.
Важное значение при выборе уплотнения имеют его конструкция, свойства материала и профиль, способность уплотнения автоматически приспосабливаться к условиям работы, поддерживая постоянную герметичность уплотнения, снижая силу трения и износ. Этого можно достичь либо при контакте уплотнения с металлическими поверхностями без давления рабочей жидкости, либо с помощью из-
222
менения уплотняющего действия, пропорционального давлению рабочей жидкости.
Профиль уплотнения оказывает решающее влияние на упругую деформацию его кромок, создавая прижимное усилие в месте контакта с металлическими поверхностями. Это существенно для предотвращения или уменьшения утечек рабочей жидкости через подвижное соединение. При недостаточном усилии зазор между уплотняющей кромкой и металлической поверхностью увеличивается, что приводит к возрастанию утечек рабочей жидкости. Чрезмерное прижимное усилие, возникающее при высоком давлении, становится причиной разрыва масляной пленки между уплотняющей кромкой и металлической поверхностью. В этом случае недостаток смазки увеличивает трение, как следствие, повышается температура, а срок службы уплотнения намного сокращается. Современный профиль уплотнения рассчитывается с использованием новейших компьютерных технологий. Он может автоматически изменять радиальную нагрузку пропорционально прилагаемому давлению рабочей жидкости.
Возрастающее давление также заметно сокращает срок службы уплотнений. Поэтому все материалы, используемые для их изготовления, должны быть устойчивыми к механическим воздействиям, чтобы не произошло выдавливания уплотнений в зазоры при высоких нагрузках.
Бесконтактные уплотнения не имеют пределов по скорости относительного движения, так как отсутствует контакт между частями уплотнений, а срок их службы не ограничен. Уплотнительный эффект достигается с помощью центробежных сил, гидродинамиче-
ских явлений. К ним относятся щелевые и лабиринтные уплотне-
ния, осуществляющие защиту с использованием гидравлического сопротивления протеканию жидкости или газа в малых зазорах, отгонные резьбы, отражательные диски, ловушки разнообразных типов. Работа центробежных уплотнений основана на отбрасывании центробежными силами жидкости, а также загрязняющих веществ, которые попадают на вращающиеся защитные элементы. Уплотнительные свойства бесконтактных уплотнений ниже, чем у контакт-
223
ных уплотнений, а полной герметизации можно добиться лишь применением дополнительных устройств.
Комбинированные уплотнения используют два и более из указанных принципов.
Переменные, которые характеризуют рабочий цикл гидропривода, могут оказывать заметное влияние на рабочие характеристики уплотняющих элементов. Поведение уплотнений при разных значениях давления, температуры и скорости имеет очень большое значение.
Поршни небольшого диаметра, плунжеры и золотники уплотняют притиркой к поверхностям цилиндров, втулок, корпусов и плоских поверхностей без использования специальных уплотнителей. Уплотнение улучшают выполнением на уплотняемой поверхности канавок, создающих дополнительное гидравлическое сопротивление утечкам и уменьшающих площадь трения.
Поршни большого размера, работающие при низких температурах и невысоких давлениях, например в гидравлических, пневматических и вакуумных цилиндрах, дополнительно уплотняют лабиринтными канавками или резиновыми кольцами.
Резиновые уплотнительные кольца (ГОСТ 9833–73) для гид-
равлических и пневматических устройств предназначены для работы при температуре от −60 до 200 °C (в зависимости от группы рези-
ны) и при давлении до 32 МПа – в подвижных соединениях в мине-
ральных маслах, жидких топливах, эмульсиях, смазках, пресной и морской воде, до 10 МПа – в подвижных соединениях в сжатом
воздухе. Линейная скорость перемещения – до 0,5 м/с в любой ука-
занной среде.
Для повышения долговечности резиновых колец рекомендуется применять покрытия поверхностей штоков – хромирование, хромокислое анодирование или другие методы поверхностного упрочнения. В подвижных соединениях должна обеспечиваться смазка трущихся поверхностей.
При установке резиновые кольца следует предохранять от перекосов, скручивания, порезов и механических повреждений. Поверх-
224
ности сопрягаемых деталей должны быть чистыми, не содержать абразивных продуктов и продуктов коррозии, поверхности рекомендуется смазывать инертной к материалу колец смазкой, или рабочими жидкостями, обладающими хорошими смазывающими свойствами.
Опорно-направляющие кольца для подвижных и неподвижных соединений гидроцилиндров выбираются с учетом требований к сопрягаемым поверхностям уплотняемых деталей, совместимых с рабочей жидкостью, и других факторов. Уплотнители изготавливают из эластичных материалов.
Применение эластичных уплотнений из неармированного каучука ограничено, особенно при высоком давлении и динамических нагрузках – они выдавливаются в зазор. Этого можно избежать, уменьшив зазор между металлическими подвижными деталями, но такое решение противоречит экономическим и функциональным требованиям. Поэтому уплотнения снабжают для средних и высоких давлений (10...21 МПа) и зазоров 0,05...0,08 мм защитными кольца-
ми плоского, П-образного, клиновидного, дельтовидного профилей или армируют специальными ткаными материалами, предотвращающими не только выдавливание, но и износ. При давлениях более 28 МПа в уплотнительный узел добавляются бронзовые разрезные
защитные кольца. Защитные кольца устанавливаются со стороны, противоположной направлению действия давления, а при двустороннем направлении – с обеих сторон уплотнительного кольца.
Если уплотнения работают при очень высоких давлениях (более 50 МПа ) или с зазором между металлическими деталями, превы-
шающим рекомендованные значения, на них устанавливают защитные или опорно-направляющие кольца из политетрафторэтилена.
Наиболее применяемым типом уплотнений всех видов оборудования до сих пор остаются сальниковые уплотнения. Сальниковые или набивные уплотнения, применяемые как при поступательном, так и при вращательном движении известны достаточно давно. До настоящего времени более 50 % оборудования укомплектовано
сальниковыми уплотнениями, несмотря на то, что сальники принад-
225
лежат к числу отживающих систем уплотнения. Их основной недостаток – повышенный износ, сопровождающийся потерей уплотнительных свойств, и неприспособленность к высоким окружным скоростям. Однако из-за простоты и дешевизны сальники до сих пор используют и в гидромашиностроении.
К основным требованиям, предъявляемым к сальникам, относятся: обеспечение герметичности, минимальные потери на трение, отсутствие коррозии валов и штоков в течение срока эксплуатации, а также большой ресурс, позволяющий существенно увеличить межремонтный период.
Наиболее простым и распространенным типом является радиальное одинарное сальниковое уплотнение, называемое мягким сальником. Сальник представляет собой кольцевую полость, набитую уплотняющим материалом. Для набивки применяют хлопчатобумажные, льняные и пеньковые ткани, очесы, шнуры, вываренные в масле, фетр, асбест и подобные материалы с добавлением металлических порошков свинца или баббита, графита, дисульфида молибдена и других самосмазывающихся веществ. Набивка работает непосредственно по штоку, валу или по промежуточной втулке. Для компенсации происходящего в эксплуатации износа осуществляют затяжку набивки. Такие уплотнения работают при давлении до 90 МПа, обладают значительной силой контактного трения. Сколь-
зящие по сальнику поверхности необходимо выполнять с высокой точностью и чистотой механической обработки.
Для уплотнения жидкостей, пара и газов при высоком давлении применяют сальники с увеличенной длиной набивки и с затяжкой набивки внутренней или наружной гайкой, грундбуксой. Существуют конструкции с автоматической затяжкой с помощью пружины. В случаях, когда необходимо полностью исключить просачивание жидкости через уплотнение, применяют спаренные или многорядные сальники с промежуточными распорными втулками между набивками и со сливом жидкости, просачивающейся через первые со стороны давления набивки.
226
Надежность сальника резко возрастает при подводе смазки, так как при смазке уменьшается коэффициент трения, тепловыделение и повышается герметичность.
Одинарное сальниковое уплотнение вала центробежного насоса состоит из колец квадратного сечения без какой-либо пропитки либо пропитанных маслом или графитом. При эксплуатации сальник имеет обязательную утечку жидкости для охлаждения и промывки сальника.
Применение обычных набивок требует обеспечения протечки небольшого количества перекачиваемой среды (5...10 капель в минуту) для предотвращения разогрева и промывки сальникового узла. Расход утечки среды составляет около 0,5...1,0 л/ч, максимум – до
3,0 л/ч (4,0...8,0 м3/год за 7000...8000 ч работы).
Двойное сальниковое уплотнение, в отличие от одинарного уплотнения, состоит из двух разделенных пакетов колец. Такая конструкция позволяет производить промывку и охлаждение сальника, а также подвод затворной жидкости от внешнего источника, что препятствует утечке наружу основной жидкости, нагнетаемой насосом.
Допустимая утечка через сальник – 5...10 капель в минуту (0,04 м3/ч или 0,35 м3/год), а замену производят при утечке от 40 до 60 капель в минуту (0,25 м3/ч или 1,8 м3/год). При этом срок службы
набивки составляет 7...10 дней.
В связи с этим материал набивок должен обладать следующими характеристиками: термостойкостью, стабильностью механических свойств и объема в течение всего срока эксплуатации, износостойкостью и сопротивлением экструдированию, низким коэффициентом трения, химической инертностью и нетоксичностью, также немаловажными являются стоимость и доступность набивок.
Находят применение торцовые сальниковые уплотнения. Эти уплотнения по герметичности лучше радиальных сальников, но уступают торцовым уплотнениям. Они сравнительно дешевы и в ряде случаев являются оптимальным решением при выборе способа герметизации, однако не пригодны для герметизации опасных, токсичных, взрывоопасных сред и в ряде других случаев.
227
В уплотнениях штоков гидроцилиндров, валов центробежных насосов и фланцевых соединений широко применяются уплотнительные материалы, изготовленные на основе асбеста. Асбестсодержащие набивки дешевы, доступны, имеют низкую коррозионную активность и малый коэффициент трения, но с течением времени под воздействием высокой температуры они твердеют и теряют массу при выгорании, что вызывает ослабление затяжки уплотнения и, как следствие, потерю герметичности узла уплотнений. Потеря массы асбестовых набивок требует и большого начального их объема, что приводит к увеличению глубины сальниковой камеры, габаритов и массы арматуры. Особенно большим недостатком набивок из асбестсодержащих материалов является то, что они вызывают коррозию штоков и валов. Предпосылкой коррозии является наличие в зазоре между уплотняемым элементом и набивкой электролита, одной из причин образования которого является переход в раствор некоторых компонентов асбестовых уплотнений.
Отсюда следует, что применяющиеся длительное время асбестсодержащие уплотнения имеют ряд существенных недостатков:
1)выгорание компонентов уплотнительного материала вызывает ослабление затяжки уплотнения и, как следствие, потерю герметичности узла уплотнения;
2)детали оборудования, контактирующие с уплотнительным материалом, подвергаются электрохимической коррозии;
3)для обеспечения герметичности узла уплотнения требуется большая высота сальниковой камеры;
4)асбестовые набивки имеют высокий коэффициент трения, что требует увеличения мощности привода и существенно повышает износ защитной втулки вала насоса и штока арматуры.
Эти уплотнительные материалы в полной мере не могут отвечать современным требованиям. Продолжается поиск и внедрение новых компонентов для улучшения эксплуатационных свойств уплотнений. В настоящее время активно разрабатываются и внедряются высоконадежные уплотнительные изделия нового поколения на основе терморасширенного графита (ТРГ), уплотняющие материалы
228
на основе политетрафторэтилена и высокопрочных волокон, а также композиций на их базе.
Уплотнения из ТРГ обладают рядом уникальных свойств: пониженной плотностью, большой удельной поверхностью, способностью прессоваться без связующего вещества, стойкостью к воздействию агрессивных сред, высокой теплопроводностью, высокой восстанавливаемостью, термостойкостью. ТРГ наиболее полно отвечает требованиям обеспечения герметичности узлов арматуры, так как материал не выгорает, не стареет, не затвердевает, его свойства не изменяются в процессе длительной эксплуатации. Мягкость и низкий коэффициент трения позволяют увеличить ресурс и межремонтный период, коррозионная активность уплотнений из ТРГ существенно ниже асбестовых. Их применение в качестве уплотнительного материала особенно эффективно в арматуре, эксплуатируемой при больших давлениях и температуре.
При термическом расширении из чешуек этого графита получаются более длинные и объемные частицы-волокна, имеющие минимальную насыпную плотность. Прокатанная из них фольга является более гибкой и имеет большую прочность на растяжение, прессованные кольца имеют повышенную прочность на сжатие и сопротивление экструдированию, что позволяет использовать их при уплотнении арматуры, работающей при давлении до 40 МПа.
Металл в контакте с ТРГ коррозирует, что обусловлено наличием щелевого зазора между графитом и сталью, разностью потенциалов стали и графита, а также наличием активных компонентов примесей. Для предотвращения коррозии необходимо для изготовления штоков и валов применять хромистые стали или титановые сплавы, наносить различные ингибиторы на контактирующие с ТРГ детали арматуры или вводить ингибиторы в состав уплотнений из ТРГ.
Шероховатость поверхности, соприкасающейся с уплотнением из ТРГ, должна быть не выше 0,32 мкм. Регламентированы также
требования по цилиндричности штока или вала.
Использование уплотнений из ТРГ позволяет снизить расход уплотняющего материала в 1,5...2 раза по сравнению с асбестовой
229
основой на каждый сальниковый узел при сохранении его надежной герметизации. Так, количество уплотнительных колец, рекомендуемых для укладки в сальниковую камеру арматуры, в зависимости от параметров и условий ее работы сокращается до 4...6, вместо ранее применявшихся 8...18. Увеличение срока службы уплотняющего материала снижает общую его потребность в уплотняющем материале в 2,5...4 раза. Общее потребление материала сократится в 3...8 раз.
Основными производителями уплотнительных материалов из ТРГ в России являются ЗАО «НОВОМЕТ» и НПО «УНИХИМТЕК».
ЗАО «НОВОМЕТ» располагает полным технологическим циклом переработки графита, производством армированных и неармированных фольги и картона, сальниковых колец из графитовой ленты, плоских прокладок и плетеной набивки из ТРГ.
НПО «УНИХИМТЕК» производит уплотнительные материалы
иизделия нового поколения под общей маркой ГРАФЛЕКС. ГРАФЛЕКС – это сальниковые уплотнения для арматуры, центробежных
иобъемных насосов, работающих с различными средами, в том числе агрессивными (набивки и кольца, уплотнительные комплекты), фланцевые прокладочные изделия (прокладки армированные, спи- рально-навитые, на стальном зубчатом основании, уплотнительная лента), графитовая фольга, армированный и неармированный графитовый лист.
Высокая теплопроводность ГРАФЛЕКС и низкий коэффициент трения позволяют, например, обеспечить работу сальниковых узлов центробежных насосов без протечек перекачиваемой среды через уплотнения, в отдельных случаях предусматривается протечка одной капли в минуту.
Набивки из фторопласта-4 обладают высокой инертностью, стабильностью свойств и хорошей уплотняющей способностью. Применение фторопласта практически полностью исключает коррозию деталей, изготовленных из всех применяемых марок сталей. Однако использование фторопласта ограничивается температурой среды, не превышающей 250 °C. Фторопласт-4 обладает свойством текуче-
сти даже при невысоких температурах, что накладывает более жест-
230