Безконтактни уплътнения

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

 Уплътненията намират широко приложение в различни области на индустрията, което определя и разнообразието от използвани методи. Сред сферите на дейност, в които намират най-голяма приложение са машиностроенето, при хидравличните и пневматичните задвижвания, в лагерни възли, бутални машини и т. н. Използването на уплътнения от една страна предотвратява образуването на утечки, от друга страна защитава вътрешността на корпуса от външни въздействия като проникването на прах, замърсявания, влага. Особено важна роля имат уплътненията, използвани за машини, работещи на открито в съседство с агресивни среди, при машините в хранително-вкусовата или химическата промишленост, или в съоръжения, работещи под налягане и при вакуум. От работата на уплътнителното устройство и най-вече от осигуряваната от него херметичност зависят работоспособността и експлоатационните характеристики на редица машини, а също така и износоустойчивостта и дълготрайността на триещите се части на всички машини. Сред основните изисквания към всички видове уплътнения е те да запазват свойствата си при различни работни условия, да бъдат лесни за монтаж, демонтаж, поправки и поддръжка. Независимо от разнообразието от използвани решения за уплътняване, основно уплътненията могат да бъдат класифицирани като контактни и безконтактни. Различните видове контактни уплътнения вече бяха разгледани в предишните броеве на сп. Инженеринг ревю. В настоящия брой ще обърнем по-специално внимание на използваните конструкции безконтактни уплътнения
Безконтактните уплътнения се считат за особено подходящи в приложения, където температурите, скоростта и ограниченото смазване затрудняват използването на конвенционални контактни уплътнения. В тези случаи те осигуряват надеждно уплътняване. Предпочитани са при работа с много ниски или много високи температури, в центробежни компресори, газови турбини и други високоскоростни приложения.
Известно е, че принципът на работа при безконтактните уплътнения се основава на създаването на турбулентно хидравлично съпротивление при протичане на флуид през тесен процеп с определена дължина, при което уплътнителните повърхности нямат контакт по между си. Реално, не може напълно да се изолира контактът между уплътнителните повърхнини и те могат да влизат в лек допир поради наличието на вибрации или неточно изработване. Подобен контакт, обаче, може да доведе до износване и деформации. Също така, поради трудностите при формирането на малки процепи или необходимостта да се предотврати възможно износване при вибрации, може да се окаже, че процепът е по-голям от необходимото. Това позволява навлизането на повече въздух, който разделя уплътняващите повърхнини и затруднява регулирането на процепа.
Сред основните конструкции безконтактни уплътнения се нареждат лабиринтните, винтовите, центробежните уплътнения.
Една от най-елементарните конструкции безконтактни уплътнения се явяват пръстенообразните цилиндрични, конусни или челни процепи със или без радиални канали. Уплътняващата способност на пръстенообразния процеп се явява пропорционална на неговата дължина и обратнопропорционална на големината на хлабината. При практически възможните дължини на процепа и големини на хлабината, използването на подобни уплътнения се оказва не особено ефективно. За да се повиши тяхната ефективност, често се прибягва до направата на канали върху вала или неподвижната повърхнина, или едновременно и върху вала, и неподвижната повърхнина. Характерно за тези уплътнения е необходимостта от висока точност на изработване и монтаж, като при радиална хлабина по-малка или равна на 0,02 - 0,05 мм обемните загуби са сравнително малки. Следствие обаче от деформацията на детайлите от външните сили и температурата, на практика е много трудно да се осигури по-малка хлабина от порядъка на 0,2 - 0,5 мм. Това съответно води до получаването на значителни обемни загуби. При ексцентрицитет на вала и отвора, утечките се увеличават до 2 - 2,5 пъти.

Винтови безконтактни уплътнения
Друг вид широко използвани безконтактни уплътнения са винтовите. Те се прилагат основно за херметизация на обеми, съдържащи течности. Винтовите уплътнения се осъществяват чрез многоходови винтови канали върху вала или неподвижната повърхнина, или едновременно и върху вала, и неподвижната повърхнина. Каналите на резбата могат да бъдат с правоъгълно, трапецовидно или полукръгло сечение. Особеност на тези уплътнения е необходимостта посоката на резбата да бъде съгласувана с посоката на въртене на вала. Посоката на резбата следва да е такава, че при въртене да осигурява връщането на флуида към уплътняваното пространство. В противен случай, при промяна на посоката на въртене, флуидът ще се движи в противоположна посока. Това определя и невъзможността тези уплътнения да се използват за уплътняване на валове с реверсивно движение.
Уплътняващата способност на винтовите уплътнения се явява правопропорционална на дължината на резбата, скоростта на въртене на вала и вискозитета на течността и обратнопропорционална на височината на профила на резбата.
Уплътнението работи добре, ако радиалната хлабина не превишава 0,05 - 0,06 мм. При хлабина 0,1 мм уплътнението на практика става безполезно. Според специалисти, оптимални резултати биха могли да се постигнат при използването на малка триъгълна резба с височина 0,5 - 0,7 мм при условие, че се осигури малка хлабина в съединението. За сравнение, уплътняващата способност на резбата с правоъгълен профил се явява на половина по-малка, а трапецовидната резба заема междинно положение.
Поради възможността за въртене на вала, само в една посока не се препоръчва използването на винтови уплътнения в машини, в които е възможна случайна промяна в посоката на въртене.

Центробежни безконтактни улътнения
Разновидност на безконтактните уплътнения се явяват и т. нар. центробежни уплътнения. Тези безконтактни уплътнения е препоръчително да се използват само при високи периферни скорости, по-големи от 10 m/s. Конструктивно те се състоят от запресовани или изработени като цяло с вала пръстени или дискове с определено сечение. Целта е под действието на центробежните сили, за които е известно, че нарастват с радиуса на въртене, попадналата върху пръстена смазка да се отведе в уплътнителната камера, от където чрез канал се връща в резервоара.
Към безконтактните уплътнения често се причисляват и уплътнителните отражателни дискове, които се поставят пред пръстенообразните уплътнителни процепи с цел да се прегради достъпът на масло в процепа и да се противодейства на действието на центробежните сили върху флуида.

Лабиринтни уплътнения
Безконтактните лабиринтни уплътнения се състоят от няколко последователни процепа с радиални и осови хлабини и разширителни камери. Използват се за уплътняване на обеми, запълнени с газ или пара. Широко използвани са също при уплътняване на лагерни възли. Създаваното съпротивление зависи от формата и размерите на гребените и уплътнителните гнезда, както и от радиалната хлабина. Гребените на уплътнението могат да бъдат твърди (масивни) или еластично закрепени към тялото или вала.
За да се избегне възможността от допиране и разрушаване на елементите, при конструиране на лабиринтните уплътнения специалистите препоръчват да се отчита направлението на деформациите следствие от нагряването и от приложените сили. Детайлите на тези уплътнения са сравнително по-слабо натоварени - главно от центробежните сили и разликата в налягането на уплътнявания флуид. Напреженията се създават само от топлинното натоварване. При избора на материал за остриетата на гребена, съответно, метали или металокерамични материали, трябва да се имат предвид коефициентите на линейно разширение, за да се осигури оптимална хлабина по време на работа.
Действието на лабиринтните уплътнения се основава на задържане (завихряне) на газа в тесен пръстенообразен процеп с последващо разширение в съседната пръстенообразна камера с голям обем. В пръстенообразния процеп налягането се преобразува в скоростен напор, при излизането на газа налягането се възстановява, но само частично, част от загубите на налягане в процеса на завихряне - разширяване се губи необратимо. Колкото са по-големи тези загуби (т. е. колкото е по-малко сечението на процепа и са по-остри образуващите го ръбове), толкова в по-малка степен е възстановеното в камерата налягане и следователно, толкова по-ефективно работи уплътнението. С използването на ред от последователни камери, разделени с тесни процепи, се постига съществено намаляване на утечките.
При високи падове на налягането и голям брой стъпки в един от процепите може да се получи критично падане на налягането, при което скоростта на газа достига скоростта на звука. Всички следващи степени в подобно уплътнение са излишни, тъй като те няма да намалят критичната величина на изтичане, равна на произведението от скоростта на звука на сечението на процепа. Обикновено броят степени на лабиринтното уплътнение се определят от термодинамични разчети.
Лабиринтното уплътнение не може напълно да изключи изтичането на газ. Напротив, непрекъснатото движение на газа през лабиринта лежи в основата на принципа на действие на тези уплътнения и се явява предпоставка за неговото функциониране. Лабиринтът може само да отслаби потока газ през уплътнението. Изключение са случаите, когато налягането в уплътнените обеми се колебаят циклично от максимум до нула. В този случай потокът газ, устремяващ се към уплътнението, има ограничен запас от енергия, който може напълно да се разсее в уплътнението. В тези условия лабиринтните уплътнения могат да осигурят на практика пълна херметичност.

Комбинирани уплътнения
Когато работните условия са особено тежки, например при сериозни опасности от замърсявания като прах или в места, където е необходимо осигуряването на много добра защита от утечки, често се прибягва до използването на няколко вида уплътнения. В тези случаи използването на две или повече уплътнения от различен вид, поставени последователно може да повиши надеждността. Някои видове уплътнения много добре се комбинират едни с други и могат да се поставят в един възел, без това значително да увеличи габаритите.
Безконтактните уплътнения като цяло се отличават с проста конструкция. При тях няма ограничения по отношение на скорост, налягане, температура. Експлоатационният им срок на практика е неограничен, поради липсата на износване. Тези уплътнения обаче, не могат да осигурят пълна херметичност. Препоръчва се да се използват само при ниски стойности на радиалното биене и динамичното провисване на вала. Също така, при високи налягания имат голяма осова дължина. Поради невъзможността за пълно избягване на утечките, в отворени конструкции и възли, те често се използват заедно с контактни уплътнения




ЕКСКЛУЗИВНО

Top