книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

Армированная манжета (рис. 96)

вобщем случае состоит из внешней оболочки (статической части) 1, металлической арматуры 2, мембраны 3 с уплотняющей кромкой 6, браслетной пружины 4 и защитной кромки 5. Внешняя оболочка 1 уплотнения предназначена для статического уплотнения манжеты

вотверстии корпуса.

В современных конструкциях внешнюю оболочку выполняют как одно це-

лое с манжетой (рис. 97). Обрезиненная поверхность наружного диаметра обеспечивает надежное уплотнение даже в случае значительной шероховатости поверхности отверстий и при применении разъемных корпусов. Гладкая или ребристая наружная поверхность эффективно уплотняет и надежно фиксирует уплотнение в отверстии корпуса. Это наиболее часто встречающийся тип манжеты. Обозначение – форма A по DIN 3760.

Рис. 97. Примеры армированных манжет по DIN 3760 (3761)

Манжета с металлической внешней оболочкой (форма B по DIN 3761) применяются при необходимости особо точной и устойчивой посадки в корпусе, особенно при больших диаметрах. Известны конструкции, когда манжета дополнительно оснащена внутренней металлической крышкой (форма C по DIN 3761), придающей конструкции большую радиальную жесткость. Применяют такие

241

манжеты при больших диаметрах и грубо обработанных посадочных отверстиях.

Отличительной особенностью манжет является наличие у них хотя бы одной уплотнительной мембраны с контактной кромкой. Благодаря мембране уплотняющая кромка плотно охватывает вал с силой, пропорциональной давлению, и прижимается к поверхности вала с некоторым усилием, действующим в радиальном направлении. Наличие подпружиненной кромки уплотнения способствует сохранению уплотняющей способности даже при значительном износе. Кромка уплотнения 6 имеет такую форму, что образует острый угол с сопряженной поверхностью. Сбалансированность кромки и гибкой части уплотнения 3 позволяет компенсировать динамический износ и перекос вала по отношению к отверстию корпуса.

Браслетная пружина 4 устанавливается в специально сформированное ложе и создает статическое давление уплотняющей кромки на вал. Браслетные пружины изготовляют из пружинной проволоки диаметром 0,2...0,5 мм и подвергают закалке и среднему отпуску,

защищают кадмированием, цинкованием или изготавливают их из бронзы. Браслетная пружина может быть заменена кольцом из упругого синтетика. Необходимая упругость гарантируется конструктивными элементами манжеты.

Первоначальный контакт уплотняющей кромки мембраны и уплотняемой поверхности, обеспечивающий герметизацию при нулевом и малом давлении среды, осуществляется в результате пружинящего действия манжеты, деформированной в радиальном направлении при монтаже. Контактная плотность этого соединения повышается с увеличением давления среды, которая прижимает контактную кромку манжеты к уплотняемой поверхности. Радиальное усилие прижатия уплотнительной кромки манжеты к валу существенно влияет на герметизирующую способность манжет. Металлическая арматура 2, выполненная в виде каркасных колен из листовой стали, придает манжете необходимую радиальную жесткость. Защитная кромка (пыльник) 5 предохраняет манжету от внешних за-

242

грязнений, но не создает дополнительное трение, вызывающее тепловыделение и энергопотери.

Манжеты изготовляют двух типов: однокромочные без защитной кромки и двухкромочные с защитной кромкой (пыльником). При умеренном загрязнении внешней среды необходимо применять манжеты с пыльником. При высокой степени загрязнения применяют кассетные и комбинированные уплотнения.

В обозначении манжет с защитной кромкой (пыльником) в конце добавляется буква S, например: AS по DIN 3760 или BS по

DIN 3761 (см. рис. 97).

Пластмассовые уплотнения быстровращающихся валов в отличие от резиновых манжет по ГОСТ 8752–79 сохраняют работоспособность в широком диапазоне изменения температуры от −60 до 200 °C, при снижении давления масла до 0,6 МПа, биении вала до

0,2 мм, скорости скольжения до 30 м/с, ударных нагрузках и вибрациях, наличии обратного перепада давления до 0,1 МПа, повышен-

ной загрязненности и влажности воздушной среды.

Эти высокие показатели достигаются благодаря использованию плавающего в посадочной канавке уплотнительного элемента из композиции фторопласта-4 с добавкой 15 % кокса и 5 % дисульфида

молибдена (Ф4К15М5, ТУ 6-05-1413–76) и поджимной стальной браслетной пружины. Уплотнения с двумя уплотнительными элементами обладают наибольшей надежностью за счет резервирования элементов.

При больших скоростях вращения ротора гидромашины широко применяются торцовые уплотнения, работающие при давлении до

1,0 МПа.

Торцовые уплотнения валов [10] являются узлом насосно-

компрессорного оборудования, перемешивающих устройств и химических аппаратов, позволяющим герметизировать вращающийся вал относительно неподвижного корпуса и разделить две среды. Данные уплотнения устанавливаются в камеру уплотнения (сальниковую камеру). Они сокращают утечки до минимума или полностью предот-

243

вращают их. Начиная с середины ХХ века торцовые механические уплотнения успешно конкурируют с сальниковыми уплотнениями. В табл. 12 приведены среднестатистические сведения о потерях рабочей среды в насосах в зависимости от типа уплотнения вращающегося вала. По данным табл. 12 видно, что торцовые уплотнения позволяют обеспечивать наилучшие показатели по герметизации вращающегося вала насоса.

Применение торцового уплотнения взамен сальниковой набивки также способствует:

•защите насосного оборудования от повреждений;

•предотвращению разливов перекачиваемой среды через уплотнение, заражению местности ядовитыми и токсичными веществами;

•предотвращению потерь продукта перекачки через уплот-

нение;

•предотвращению повреждений от взрывов и пожаров объектов, находящихся в технологической цепочке с насосным оборудованием на насосных станциях (трубопроводы, емкости, печи, строения);

•значительному уменьшению сил трения в камере уплотнения, соответственно затрат на электроэнергию;

•уменьшению расходов, связанных со штрафами, больничными листами, отвлечением высококвалифицированного персонала на расследование и устранение последствий аварий;

244

•повышению квалификации рабочего и инженерно-техническо- го персонала.

В зависимости от условий эксплуатации, параметров перекачиваемой среды торцовые уплотнения различаются по типам и модификациям. Различают следующие типы торцовых уплотнений:

•одинарное торцовое уплотнение;

•двойное торцовое уплотнение;

•одинарное картриджное уплотнение;

•двойное картриджное уплотнение;

•торцовое газовое уплотнение.

Наиболее распространенными являются одинарные торцовые уплотнения (рис. 98), непосредственно разделяющие атмосферную и перекачиваемую среду. Разнообразие конструкций и исполнение по материалам определяется назначением гидромашины.

Рис. 98. Одинарные торцовые уплотнения

Одинарное торцовое уплотнение применяется при перекачивании таких жидкостей, утечка которых в больших количествах во внешнюю среду недопустима. Это касается агрессивных, горячих, охлажденных, легкокипящих, органических и неорганических жидкостей. Этот тип уплотнения требует высокой точности изготовления, в том числе шлифовки и протирки торцовых уплотняющих трущихся поверхностей до шероховатости 0,01...0,15 мкм с зазором

не более 1,0 мкм. Внешние утечки при этом уплотнении минимальны.

В одинарном торцовом уплотнении используются основное уплотнение и вспомогательные (подвижные и неподвижные) уплотне-

245

ния, которые находятся в контакте с уплотняемой средой, позволяя вращающемуся элементу пройти через камеру уплотнения.

Основное уплотнение – это пара трения двух колец: подвижного и неподвижного. Для обеспечения необходимого контакта между подвижным и неподвижным кольцами применяется пружина или упругий сильфон. В процессе эксплуатации на торцовые поверхности действуют гидравлические силы, которые при избыточном давлении уплотняемой среды стремятся сжать пары трения, что увеличивает тепловыделение.

Вспомогательные подвижное и неподвижное уплотнения комплектуются резиновыми кольцами и герметизируют все стыки торцового соединения с корпусом механизма и вала в камере уплотнения. Неподвижное вспомогательное уплотнение, как правило, герметизирует неподвижное кольцо с корпусом механизма и подвижное кольцо с валом. Подвижное вспомогательное уплотнение обеспечивает уплотнение между подвижным кольцом и валом или корпусом торцового уплотнения. Рабочая подвижность этого уплотнения зависит от точности изготовления подвижного кольца, торцового биения неподвижного кольца относительно вала (не превышает 0,2 мм)

и внешних сил, стремящихся раскрыть уплотнение.

Утечка в стыке уплотнительных колец зависит от статического зазора между этими кольцами, геометрии колец, вибрации, режима эксплуатации, внешних сил, раскрывающих кольца, правильности монтажа, свойств уплотняемой среды.

В торцовых уплотнениях используются стали черные (коррози- онно-стойкие), спецстали (хладостойкие, термостойкие, жаростойкие) и неметаллические материалы – графиты, резины, фторопластсодержащие материалы (флубоны, чистые фторопласты), герметики, минералокерамика.

Для изготовления корпусных и других деталей используются в основном металлы: стали марок 40, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 95Х18, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ, ХН65МВ, 36НХТЮ; ти-

тан ВТ1-0, а также другие материалы.

246

Подвижное и неподвижное кольца изготавливают из различных материалов: углеграфитов, металлов, карбидов (карбид вольфрама со связками, карбид кремния), керамики (окислы металлов – Al2O3), пластмасс. Кольца могут быть из одного материала или из сочетания различных материалов, например, нержавеющая сталь – углеграфит, керамика – углеграфит.

В отечественной практике для изготовления колец трения используются антифрикционные углеродные материалы, такие как: графиты типа АО – углеродные обожженные с пропиткой, графитированные с пропиткой типа АГ. Появились новые марки графита группы ЕК, РК, РГ; композиции фторопласта-4 с добавками кокса или углеродистого волокна, например, Ф4К20, Ф4УВ15; металлические 40Х13, 95Х18 с термообработкой до твердости более 40 единиц НRC; минералокерамика ЦМ-332, силицированные материалы СГП, СГТ, СГМ, ГАКК 55/40, БСГ, твердый сплав ВК8 и карбиды вольфрама, карбидокремниевые материалы, например, SILKAR, ROCAR.

Углеродные антифрикционые материалы химически стойки во многих агрессивных средах: почти во всех кислотах, растворах солей, органических растворителях; ограниченно стойки в концентрированных растворах едких щелочей при высоких давлениях и температурах. Они работоспособны в условиях сухого, полусухого и жидкостного трения.

Преимущество графитовых материалов – это широкий диапазон рабочих сред: нефть, нефтепродукты, растворы органических и неорганических соединений, жидкие газы, пищевые продукты; работа без смазки, широкий диапазон температур, высокие антифрикционные свойства и теплопроводность, хорошая механическая прочность и износостойкость, высокая химическая стойкость к агрессивным средам.

Для изготовления вторичных уплотнительных элементов используются резины разных марок, отличающиеся по своим характеристикам. За последнее время появился целый ряд новых марок ре-

зин, таких как СБ-26, СБ-26М, СБ-26Ф, СБ-26ТФ, ПСБ-26,

ИЭ 06-02. Для производства уплотнительных деталей нефтегазодобывающих и нефтехимических производств созданы резины серий

247

Н-180, Н-260 и Н-400 на основе бутадиен-нитрильных каучуков раз-

резиновых колец и манжет. От серийных аналогов отличаются расширенным температурным диапазоном, повышенным сопротивлением накоплению остаточной деформации, а антифрикционные варианты – большей износостойкостью.

Силицированный графит, состоящий из карбида кремния, углерода и кремния, обладает высокой эрозионной и коррозионной стойкостью, износостойкостью, жаростойкостью, стойкостью к многократным сменам температуры и агрессивным средам. Узлы трения из силицированного графита работоспособны при температурах до 350 °C, удельных давлениях до 15 МПа и скоростях скольжения до

100 м/с. Изделия из силицированного графита стойки к агрессивным

средам, таким как соляная, уксусная, фосфорная, серная, азотная, муравьиная, плавиковая кислоты, расплаву капролактама, метилхлориду, этилацетату и уксусному ангидриду.

БСГ – боросилицированный графит, отличается повышенной теплостойкостью. ГАКК 55/40 – материал, состоящий из углерода, кремния, карбида кремния и добавок алюминия, отличается высокой стойкостью к щелочам.

Карбид кремния SILKAR по сравнению с силицированными графитами значительно больше содержит карбида кремния и меньше углерода по массе. Он обладает значительно более высокой прочностью, повышенным модулем упругости и коэффициентом теплопроводности. Его износостойкость в 2…3 раза выше, чем у СГП.

ROCAR по свойствам близок к материалам типа SILKAR.

РКК (реакционно спеченный карбид кремния) отличается высокими эксплуатационными характеристиками: эрозионной, термической и химической стойкостью, надежностью и долговечностью, прочностью, твердостью, высоким модулем упругости, низким коэффициентом линейного термического расширения, высокой теплопроводностью и превосходными трибологическими свойствами.

248

Минералокерамика ЦМ 332 имеет высокую стойкость ко многим химически активным средам, но обладает существенным недостатком – низкой устойчивостью к смене температуры и хрупкостью.

Двойное торцовое уплотнение (рис. 99) отличается от одинарного тем, что состоит из двух притертых уплотняющих поверхностей и специального подвода промывной (затворной) жидкости на проток.

Назначение этой жидкости – промыть первичное торцовое уплотнение от уплотняемой жидкости с целью предотвратить ее попадание во внешнюю среду, промыть пер-

вичное торцовое уплотнение от твердой фазы уплотняемой среды, уравновесить (запереть) и гидравлически разгрузить первичное торцовое уплотнение.

Двойные торцовые уплотнения применяются в основном для герметизации внутренних полостей гидромашин с химически активными, взрывоопасными и легковоспламеняющимися жидкостями. Эти уплотнения конструктивно исполняются «спина к спине» («back- to-back»), «лицом к лицу» («face-to-face») и тандемом.

В двойных уплотнениях (компоновка «спина к спине») давление затворной жидкости должно быть на 0,15...0,20 МПа выше давления

перекачиваемой жидкости, чтобы при выходе из строя уплотнения первой ступени перекачиваемая среда не попала в атмосферу.

Вуплотнениях типа «тандем» давление затворной жидкости

вбольшинстве конструкций равняется атмосферному. Циркуляция происходит за счет разности температур затворной жидкости и (или) с помощью встроенного в уплотнение импеллера. В случае разгерметизации основного уплотнения перекачиваемая среда попадает в затворную жидкость, увеличение ее уровня в бачке сигнализирует об аварийной ситуации.

Картриджная конструкция торцового уплотнения легко монтируется, что уменьшает возможность ошибки при его установке, и позволяет снизить затраты на монтаж и обслуживание. Возможна раз-

249

грузка уплотнения, обеспечение произвольного направления вращения вала, наличие встроенного холодильного агрегата.

Картриджные одиночные сильфонные торцовые уплотнения предназначены для уплотнения химически агрессивных жидкостей, с температурой среды до 425 °C.

Картриджные двойные сильфонные торцовые уплотнения предназначены для уплотнения горючих и легко воспламеняющихся химически агрессивных жидкостей, с температурой среды в зоне работы уплотнения до 425 °C. Двойные торцовые уплотнения сильфон-

ного типа могут работать как в двойном режиме (давление запирающей жидкости больше давления в камере уплотнения), так

ив тандемном режиме (давление запирающей жидкости меньше давления в камере уплотнения). Главным элементом таких торцовых уплотнений является сварной сильфон. Благодаря применению сильфонов, в конструкции торцового уплотнения не требуются резиновые вторичные уплотнения, что существенно расширяет температурный диапазон торцового уплотнения. По сравнению с торцовыми уплотнениями с пружинами сильфон отличается большей стойкостью к закоксовыванию и зависанию. Сильфонные торцовые уплотнения являются разгруженными, что уменьшает теплообразование.

Двойное картриджное уплотнение, как и двойное торцовое уплотнение, конструктивно исполняется «спина к спине» («back-to- back»), «лицом к лицу» («face-to-face») и тандемом.

Торцовые газовые уплотнения (газодинамические бесконтактные уплотнения) являются дальнейшим развитием торцовых механических уплотнений. Применяются с середины 80-х годов ХХ века. Конструкция газового уплотнения соответствуют обычному торцовому уплотнению с тем отличием, что поверхности скольжения шире

исмазываются не жидкостью, а газом. Принцип действия основан на создании тонкой газовой прослойки между кольцами торцового уплотнения при зазоре около 3 мкм. Стабильная газовая пленка в уп-

лотнительном зазоре возникает даже при минимальной скорости вращения. Газовый затвор образуется благодаря специальным V- или U-образным карманам с толщиной, сопоставимой с толщиной торцо-

250