Контактни уплътнения с метални пръстени, челни валови уплътнения
Начало > Механични системи > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 1, 2011
В поредица от статии ви запознахме с принципа на работа, конструкцията, характеристиките и приложението на различните видове контактни уплътнения. В настоящия брой на списанието завършваме темата с представянето на уплътненията с метални пръстени и челните валови уплътнения.
Уплътнения с метални пръстени (сегменти)
Използват се за уплътняване на възвратно-постъпателно движещи се части със сравнително големи хлабини между тях, особено при високи температури и налягания. Намират широко приложение в буталните машини (ДВГ, компресори) като уплътнение между цилиндъра и буталото.
Конструктивно сегментите представляват разрязани пружиниращи пръстени с правоъгълно сечение, които се монтират в специални канали върху цилиндричната част на буталото. Контактното налягане pk между пръстена и цилиндъра възниква вследствие еластичността на пръстена, и средната му стойност зависи от множество геометрични и физични фактори. Допустимите стойности на контактното налягане pk се избират в зависимост от вида на агрегата и са: за хидроагрегати pk = 0,1 - 0,2 МРа; за бутални компресори pk = 0,03 - 0,15 МРа, като по-големите стойности се отнасят за по-малки диаметри. Стойностите на pk се ограничават и от якостта на пръстените на огъване.
При уплътненията с метални пръстени, намиращият се под налягане флуид прониква под пръстена и допълнително го притиска към стената на цилиндъра. Уплътнителният ефект се създава за сметка на голямото съпротивление, което се оказва на флуида при протичането му през лабиринт (тесен процеп) между пръстена и стената на канала в буталото. Каналите се изработват с широчина b1 = b + (0,025 - 0,03) mm (фиг. 1).
Тъй като са срязани, тези уплътнения не могат да създадат пълна херметичност, поради което обикновено се конструират с няколко последователно вградени пръстена. Срезовете им се разместват по периферията на буталото. В зависимост от pp се използват различни форми на среза (припокриването на краищата): права (до 5 МРа); скосена (до 20 МРа) или стъпална (над 20 МРа).
Добре е да се има предвид, че металните пръстени не могат да компенсират отклоненията от геометричната форма на уплътняваните детайли и за последните е необходима прецизна обработка. Хлабината между буталото и цилиндъра е от 0,01 до 0,02 милиметра.
Металните пръстени обикновено се изработват от перлитен чугун с твърдост НB = 170 - 228. В зависимост от работната среда се срещат и пръстени от стомана, бронз, текстолит, флуоропласт. Работят добре при ниски и високи температури от -150 до +650 °С, при скорости до 7,5 m/s и налягания нормално до 20 МРа, а понякога и до 40 МРа.
В специални случаи, когато се изисква херметичност и липсват условия за добро смазване, се използват цели графитови или металографитови пръстени, които се закрепват с помощта на двуделни шайби.
Челни валови уплътнения
Челните валови уплътнения (фиг. 2) се използват главно за херметизация на въртящи се валове. Характерна тяхна особеност е, че подвижната уплътнявана повърхнина е перпендикулярна на оста на вала, а контактното налягане е насочено успоредно на тази ос. Уплътнителният елемент обикновено представлява отделна триеща шайба, но може да бъде и част от подвижния възел.
Челните уплътнения могат да се разделят на два типа в зависимост от разположението на уплътнителния елемент спрямо вала и тялото: неподвижни спрямо тялото (фиг. 2 а, б) и въртящи се заедно с вала (фиг. 2 в, г). В зависимост от мястото на уплътнителния елемент спрямо уплътняемата среда, челните уплътнения биват, съответно, с вътрешно (фиг. 2 б, г) и външно (фиг. 2 а, в) разположение. На фиг. 2 са означени и основните елементи на челните уплътнения: 1 - неподвижен (в осово направление) пръстен; 2 - уплътнение на пръстена; 3 - триеща шайба (осово подвижен пръстен); 4 - уплътнение на шайбата; 5 - тяло; 6 - вал; 7 - натиск от еластичен елемент върху шайбата 3.
В зависимост от действието на работното налягане pp върху контактните повърхнини, челните уплътнения се разделят на натоварени, частично разтоварени и напълно разтоварени. В последния случай контактното налягане се създава само от еластичен елемент и не зависи от pp.
Конструктивното изпълнение на елементите на челните уплътнения е разнообразно. Уплътняването на неподвижния пръстен не представлява проблем и се осъществява с широко достъпни уплътнители (пръстени с различно сечение, подложки от еластични материали и меки метали).
Осовото натоварване на триещата шайба се извършва от еластичен елемент във вид на цилиндрична пружина, плоска пружина, а при големи габарити - и чрез няколко цилиндрични пружини, равномерно разположени по обиколката на шайбата. Използват се също и мембрани, силфони, диафрагми, както и магнитните сили на взаимодействие на пръстени, изработени от специални материали.
Осово подвижните пръстени обикновено се осигуряват срещу превъртане спрямо вала или тялото чрез шпонки, пружини работещи на усукване, силфони и т. н.
За подобряване условията на смазване и охлаждане на работните повърхнини се използват хидродинамични и хидростатични челни уплътнения
При хидростатичните уплътнения се използват принципни схеми с дросел и с помпа. При тях по неподвижния пръстен има отвори, през които от пространството с повишено налягане през дросела, уплътняваната течност постъпва в хлабината (от 5 до 20 mm) между триещите повърхнини. При изменение на хлабината се създават условия за възникване на хидростатична сила, която се увеличава с намаляване на хлабината и обратно.
Хидростатичното регулиране на хлабината чрез помпа и трипътен кран осигурява постоянен дебит на течността независимо от хлабината. При това се използва течност от специален резервоар или работната течност с повишено налягане.
Като предимства на челните уплътнения в сравнение с останалите валови уплътнения могат да се посочат ниските обемни загуби и загуби от триене, голямата експлоатационна трайност, по-малката чувствителност към радиално биене, ексцентрицитета и колебанията на вала, сигурната работа във всякакви среди, в широк температурен интервал (-80 до 540 °С) и високи периферни скорости (до 250 m/s) при правилно избрани конструкция и материали, лекото обслужване и поддържане.
Наред с тези предимства могат да се отбележат и някои недостатъци като: сложна конструкция; висока цена; по-голямо тегло и големи габарити; трудност при избора на материал за триещи шайби при някои специални случаи (вакуум, радиация).
Челните валови уплътнения намират широко приложение в химическата промишленост (за неагресивни и агресивни среди), различните видове помпи (обемни, центробежни), в компресоростроенето, агрегатите на АЕЦ, хладилната техника, битовите машини. Съществуват и специални конструкции, предназначени за високи налягания, температури и скорости, а също и за среди с твърди примеси.
При по-високи периферни скорости се препоръчва употребата на неподвижни челни уплътнения. За големи и тежки машини (циркулационни и захранващи помпи за ТЕЦ и АЕЦ, големи турбокомпресори), т. е. за уплътнения, работещи при високи налягания и скорости (pVср > 500.105 Ра.m/s) се използват предимно хидростатични и хидродинамични уплътнения.
Херметизацията при челните уплътнения се осъществява чрез притискането им с осова сила, която върху триещите повърхнини създава повърхностно налягане, необходимо за предотвратяване на обемните загуби.
Загуба на мощност
При челните уплътнения загубата на мощност зависи от коефициента на триене m. Определянето му, обаче, е сложна задача, тъй като контактуващите повърхнини могат да работят при различни режими на триене - от сухо до течно. За най-приемливи се считат режимите на смесено (m = 0,005 - 0,1) и гранично (m = 0,05 - 0,15) триене, при които обемните загуби са минимални, а износването е незначително или умерено. Течно триене (m = 0,0001 - 0,05) е възможно да се осъществи при хидростатичните и хидродинамичните уплътнения.
Материалите за триещите шайби трябва да имат корозионна, термична и якостна устойчивост в условията на експлоатация и добри антифрикционни свойства (добро сработване, топлопроводимост, износоустойчивост, нисък коефициент на триене). За пригодността на материала обикновено се съди по произведението pvср.
За изработване на триещи шайби обикновено се използват материали като различни видове пластмаси и гума; метали и сплави; графитови материали; керамични материали; метални карбиди. Изборът на материал се диктува от агресивността (химическия състав), налягането и работната температура на уплътнявания флуид. По-подробни данни могат да се намерят в специализираната литература.
На фиг. 3 е показана конструкция на челно уплътнение за центробежна помпа. Уплътнението работи при pvср » 500.105 Pa.m/s и температура до +90 °С. Състои се от неподвижен еластичен елемент и две триещи шайби - въртяща се 1 и неподвижна 2, изработени от графит, пропит със силиций. Шайбите са залепени към металните детайли. Особеност на конструкцията е, че пружините 3 са изолирани от работната среда. Подобни уплътнения се използват за уплътняване на валове на центробежни помпи за водоснабдяване, топлофикация и в нефтопреработвателната промишленост.
Българската връзка в изобретяването на сегментите
През 1857 г. Сава Филаретов публикува в бр. 330 на Цариградски вестник “Известие за едно усъвършенствувание в механиката, което направи в Париж един българин, Николай Ст. Тошкович”. Става въпрос точно за буталните пръстени, които решават проблема с износването на буталото и цилиндъра на парните машини, при което хлабината между тях се увеличава в процеса на експлоатация и се намалява коефициентът на полезно действие.
На 4 март 1857 г. Тошкович представя пред френското Дружество за насърчаване на промишлеността изобретението си, направено заедно с Франсоа Жерар - система бутало с бутални пръстени с регулируем натиск. “Направата му е таквази” – пише Сава Филаретов, “що той може да се употреблява с години, защото колкото от една страна той са изтрива, толкова пък, от друга страна, така да речем от самосебе си са разширочава и сичко си остава гладко и чисто”.
Патентът, който Тошкович и неговият френски колега получават преди повече от 150 години разглежда авангардна за времето си конструкция от радиални пружини и оси, разположени в буталото, които регулират натиска на буталния пръстен върху стената на цилиндъра. Окакванията за, казано на съвременен език, технико-икономическия ефект на изобретението са големи – буталото на Тошкович струвало “само 800 франка, докато прежните – от 2000 до 2500 франка” освен това то икономисвало 16-18% “от дървата и въглищата, които горят на машините”.
Вижте още от Механични системи
Новият брой 9/2024
