Расчет уплотнения металл по металлу

Обновлено: 07.01.2025

Ниже представлена краткая упрощённая методика инженерного расчёта гидравлически нагруженного торцевого уплотнения вала насоса. Общие положения этой расчетной методики могут быть использованы при проведении только грубых оценочных расчетов параметров торцевых уплотнений насосов. Более детальные расчёты параметров уплотнений различных конструктивных исполнений можно проводить с использованием нашего программного комплекса MSLC.

На эскизе представлен вид уплотнительной камеры водяного насоса с установленным торцевым уплотнением (Патент РФ №72741).

Площадь контакта торцевого уплотнения

D₁ - внутренний диаметр кольца пары трения.

D₂ - наружный диаметр кольца пары трения.

Контактное давление в паре трения от усилия пружины сжатия

F_cs - усилие от пружины сжатия.

Рабочее контактное давление в паре трения

Δp - перепад давления рабочей жидкости уплотнении.

d - диаметр вала под установку торцевого уплотнения.

a - коэффициент распределения статического давления в паре трения (обычно для упрощения расчета принимают a = 0,5). Этот коэффициент уточняется исходя из расчетного распределения статического давления рабочей жидкости в зазоре пары трения торцевого уплотнения.

Коэффициент гидравлической нагрузки торцевого уплотнения

При K >= 1 считается, что торцевое уплотнение вала является гидралически нагруженным.

Средний диаметр пояска в паре трения торцевого уплотнения

Линейная скорость на среднем диаметре пояска пары трения

n - угловая скорость вращения вала [1/мин], диаметр D₁ [см].

Начальное приближение величины зазора в паре трения

h₀ - начальный зазор в паре трения уплотнения при v = 0 м/с, обычно определяется исходя из неплоскостности и шероховатости рабочих поверхностей колец.

С - коэффициент, зависящий от свойств рабочей жидкости, для воды находится в пределах [0,6. 0,8].

Величина зазора в паре трения уточняется исходя из деформаций колец пары трения, которые в свою очередь зависят от действующих нагрузок (давлений и сил, а также температурных градиентов), определяются в программном комплексе MSLC.

Фактор нагрузки

μ(t) - динамическая вязкость рабочей жидкости при её температуре в зазоре пары трения.

b - ширина контактного пояска трения, определяется как: b = [D₂ - D₁]/2.

Диапазон G ~ [3e-8. 4e-7] является рекомендуемым и примерно соответствует гранично-жидкостному режиму трения в паре трения.

Cуммарное количество тепла при работе торцевого уплотнения

Q₁ - количество тепла от барботажа рабочей жидкости от вращающейся части уплотнения внутри уплотнительной камеры насоса.

Q₂ - количество тепла, выделяемое в паре трения.

Количество тепла при барботаже рабочей жидкости

Re_Dmax (t) - число Рейнольдса, определённое для максимального диаметра вращающейся части торцевого уплотнения Dmax, при температуре рабочей жидкости на входе в уплотнительные камеру насоса.

L_max - максимальная длина вращающейся части торцевого уплотнения насоса.

ρ(t) - плотность рабочей жидкости при её температуре на входе в уплотнительную камеру насоса.

Количество тепла в паре трения торцевого уплотнения

f - коэффициент трения, зависит от многих факторов и параметров, но для оценочных расчетов можно принять f = 0,06. 0,08.

Ниже приведен график к определению оценочной зависимости коэффициента трения f от фактора нагрузки G.

Нагрев рабочей жидкости в уплотнительной камере насоса

V - циркуляция рабочей жидкости через уплотнительную камеру насоса, обычно величина этой циркуляции должна обеспечивать нагрев рабочей жидкости не более, чем на 10 о С.

Максимальная температура рабочей жидкости в зазоре пары трения

λ_a - теплопроводность вращающегося кольца;

λ_b - теплопроводность неподвижного кольца;

h_c - коэффициент теплопередачи от колец пары трения в рабочую жидкость (для воды в зависимости от скорости вращения и других параметров оценочно можно принять ~ 5000. 12000 Вт/[м 2 • К]);

t_inp - температура рабочей жидкости на входе в уплотнительную камеру насоса.

Оценочная величина утечки рабочей жидкости через пару трения торцевого уплотнения

размерности для этой формулы: Δp [Бар], n [1/мин], D [мм], h [мкм], μ [Па с], ρ(t_c) [кг/м 3 ].

Реальная величина утечки рабочей жидкости может превышать расчетную в ~ 2. 10 раз.

НИОКР в машиностроении

Инновационное импортозамещение

г. Коломна, Московская область
Россия, 140400

Содержание

Наша группа инженеров
Услуги
Результаты
Инженерные расчёты онлайн
Информация для инженеров
Статьи

Услуги и опытная продукция

Опытно-конструкторские работы
Инженерные расчёты и моделирование
Экспертиза и анализ
Расчёт, конструирование и модернизация торцевых уплотнений, изготовление опытных образцов
Обход патентов конкурентов
Погодозависимая автоматика отопления и горячего водоснабжения
Микропроцессорные устройств мониторинга и диагностики

© Copyright Шепелёв А.В & Шепелёв В.А. | Информация настоящего сайта защищена Гражданским кодексом РФ, а также другими международными законами. Копирование и/или использование любой части информации с настоящего сайта без указания прямой ссылки на него и без согласия авторов не допускается. Информация, опубликованная на настоящем интернет-ресурсе, не является публичной офертой, предоставлена по принципу "как есть", без каких-либо гарантий. Уточнённые инженерные расчеты и консультации, а также опытно-конструкторские работы, выполняются на договорных условиях.

Уплотнение жестких стыков (металл по металлу)

Уплотнение прокладками из мягких материалов всегда сопряжено с большим или меньшим изменением расстояния между уплотняемыми деталями. В машиностроении нередко возникает задача уплотнения стыков типа «металл по металлу» с соблюдением точного взаимного расположения стыкуемых деталей. Таков, например, случай соединения частей корпусов, содержащих опоры скольжения или качения, и т. д.

Задача уплотнения таких жестких стыков решается несколькими способами. Неразборные и редко разбираемые соединения уплотняют герметизирующими составами, например, бакелитом, белилами, суриком, жидким стеклом и т. д.

Промышленность выпускает широкий ассортимент герметиков, предназначенных для работы в разнообразных соединениях. К их числу относятся:

1) герметик У-30М на основе тиоколового каучука; масло-, бензо- и водостоек, отличается высокой газонепроницаемостью; диапазон рабочих температур от –30 до +130°С; адгезия к металлу невысокая;

2) герметик ВТУР на основе тиокола с динзоцианатом: масло-, бензо- и водостоек; диапазон рабочих температур от –50 до +130°С; адгезия к металлу высокая;

3) герметик ВГХ-180 — фенолформальдегидная смола с натуральным каучуком; масло- и водостоек; диапазон рабочих температур от –50 до +130°С; высокая адгезия к металлу; под действием бензина и керосина набухает;

4) герметик 5Ф-13 — фторкаучук с эпоксидной смолой ЭД-6; бензо-, масло- и водостоек; диапазон рабочих температур от –50 до +200°С; адгезия к металлу невысокая;

5) герметики ВИКСИНТ У-1-18, ВМТ-1 на основе полисилоксанов; масло- и водостойки; теплостойкость до 300°С; в бензине и керосине набухают; адгезия к металлу невысокая.

Герметики выпускаются в виде паст и лаков. Их наносят на уплотняемые поверхности поливом, кистью или шпателем. Устойчивая герметизирующая пленка образуется в среднем через пять-шесть суток.

Для соединений, работающих при особо высоких температурах, применяют силоксановые эмали (кремнийорганические пластикаты с порошкообразным металлическим наполнителем — Al, Zn), выдерживающие температуру до 800°С.

При затяжке избыток герметизирующего состава выдавливается; на стыке остается тонкая пленка (толщиной в несколько сотых долей миллиметра), практически не влияющая на точность взаимного расположения соединяемых деталей.

Соединения, собираемые на герметизирующих составах, с трудом поддаются разборке, особенно после работы вгорячую. В таких соединениях необходимо предусматривать съемные устройства.

Особо точные разъемные стыки типа «металл по металлу» уплотняют путем тонкой плоскостной обработки — притиркой или шабрением.

Притирке подвергают поверхности разъема, предварительно начисто обработанные строганием широкими резцами, тонким фрезерованием или шлифованием. Притирку производят на притирах-плитах из чугуна или специального стекла (пирекс) с точно обработанными плоскостями. Изделие прижимают к притиру, которому сообщают кругообразное движение небольшой амплитуды.

Притирку производят на различных притирочных материалах. Чаще всего применяют стеклянную пудру, порошки карборунда (карбид кремния), корунда (кристаллическая окись алюминия), карбида бора, алмазную пыль (для твердых металлов). В качестве смазки применяют машинное масло, керосин, жирные кислоты.

Притирку ведут сначала на шлифпорошках с размером зерна не более 100 мкм, затем переходят на микропорошки. Окончательную доводку производят на пасте ГОИ, состоящей в основном из окиси хрома с добавлением связующих и смазывающих веществ (стеарина, керосина, олеиновой кислоты и т. д.). Иногда производят притирку соединяемых плоскостей непосредственно друг по другу.

Притирка — трудоемкий и дорогой процесс, поэтому ее применяют для особо ответственных стыков. В последнее время процесс притирки механизируют. В некоторых случаях притирку можно заменить производительными методами чистового строгания и чистового фрезерования.

Шабрение производят обычно в такой последовательности. Сначала шабрят по плитам одну плоскость разъема до получения двух—пяти пятен контакта на 1 см 2 . Пришабренную по плите плоскость покрывают тонким слоем краски (лазурь), устанавливают на нее стыкуемую деталь, легкими кругообразными движениями переводят на нее краску и удаляют шаберами следы краски. Эту операцию производят многократно до получения необходимой точности прилегания. Шабрение является весьма трудоемким процессом и в серийном производстве применяется редко.

Притертые или пришабренные поверхности при сборке покрывают тонким слоем герметизирующей мастики. Мастики чаще всего изготовляют из разведенной на вареной олифе тонкотертой краски (свинцовые белила, свинцовый сурик, охра и т. д.), железной пудры или серебристого графита с маслом. Применяют также суспензию коллоидального графита в масле. Иногда соединяемые поверхности натирают всухую серебристым графитом.

Для надежного уплотнения стыков типа «металл по металлу» требуется повышенная жесткость фланцев и частое расположение стягивающих болтов.

Другой способ уплотнения жестких стыков заключается в установке на стыкуемых поверхностях утопленных упругих прокладок прямоугольного или круглого сечения. Прокладки устанавливают в канавках, выполненных по всей периферии стыка. В свободном состоянии прокладка выступает над поверхностью стыка на строго определенную величину а (рис. 726, I), зависящую от материала прокладки и желаемой силы уплотнения. При затяжке стыкуемые поверхности доводят до соприкосновения, причем материал прокладки упруго или пластически деформируется, осуществляя уплотнение поверхностей (рис. 726, II).

Для увеличения герметичности на уплотняемых поверхностях делают мелкие канавки (рис. 727), в которые затекает деформируемый материал прокладки.

С той же целью прокладку делают гребенчатой (рис. 728). При затяжке гребешки сминаются, образуя ряд канавок, действующих подобно лабиринтному уплотнению.

Сечение канавки должно быть больше сечения прокладки, для того чтобы не препятствовать деформации прокладки.

Материал прокладки выбирают в зависимости от условий работы стыка. Для стыков, работающих в нормальных условиях, применяют резину, пластики; для стыков, работающих при повышенных температурах, — пластичные металлы: свинец, алюминий, отожженную красную медь и т. д. Хорошее уплотнение обеспечивают прокладки из красной меди с гальваническим кадмиевым покрытием.

На рис. 729 изображено уплотнение упругой прокладкой, установленной в замкнутом пространстве, образованном канавкой на одной из поверхностей и гребешком на другой. Этот способ применяют преимущественно для круглых фланцев, у которых канавки и шипы могут быть изготовлены точением с необходимой степенью точности.

Круглые фланцы уплотняют также упругими металлическими кольцами (рис. 730), чаще всего Z-образного сечения (так называемые гофровые кольца ).

Формы гофровых колец показаны (в порядке возрастающей упругости) на рис. 731.

Круглые фланцы с центрирующими буртиками уплотняют шнурами из упругих материалов (резины, синтетики), которые закладывают в канавки, проделанные в буртике (рис. 732). При таком расположении на стыке обеспечивается чистый контакт «металл по металлу». Этот способ применяют только для «холодных» стыков.

На рис. 733 показан способ установки прокладки в открытой канавке на периферии стыка.

Преимущество этого способа заключается в том, что прокладка предохраняет стык от внешних воздействий и предупреждает коррозию металлических поверхностей стыка. Примеры установки периферийных прокладок приведены на рис. 734, I, II.

Встречаются случаи, когда в стыках «металл по металлу» требуется уплотнить круглые отверстия и каналы, служащие, например, для подвода смазочного масла, перепуска охлаждающей жидкости и т. д.

На рис. 735 изображено уплотнение масляного канала подшипника. Применение мягкой прокладки (рис. 735, I) здесь недопустимо, так как при затяжке изменяется положение вала относительно смежных деталей. Например, если вал приводится в движение зубчатыми колесами, затяжка может нарушить правильное зацепление колес. В таких случаях применяют уплотняющие вставки (рис. 735, II).

На рис. 736, I—III показаны вставки из упругого материала (резины, пластиков и т. п.). Уплотнение достигается за счет торцового (рис. 736, I, II) или радиального (рис. 736, III) обжатия вставок. Иногда применяют металлические вставки в виде втулок в сочетании с упругими уплотняющими элементами (рис. 736, IV—VI). Металлические вставки могут быть использованы также в качестве контрольных штифтов.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на затворы запорных клапанов номинальных диаметров от DN 6 до DN 200 с уплотнением «металл по металлу», работающие при давлении жидких и газообразных сред от 13,5952 · 10 -7 до 150 МПа и температуре от минус 253 до 600 °С, включая затворы арматуры, подвергаемой восстановительному ремонту, и устанавливает типы затворов, конструкцию, размеры и технические требования к ним.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 8.064-94 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкале Роквелла и Супер-Роквелла

ГОСТ 2246-70 Проволока стальная сварочная. Технические условия

ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия

ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки

ГОСТ 9544-2005 Арматура трубопроводная запорная. Классы и нормы герметичности затворов

ГОСТ 10051-75 Электроды покрытые металлические для ручной дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами. Типы

ГОСТ 15527-2004 Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки

ГОСТ 17711-93 Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки

ГОСТ 18175-78 Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением. Марки

ГОСТ 21449-75 Прутки для наплавки. Технические условия

ТУ 3-145-81 Проволока стальная наплавочная

ТУ ИЭС 511-85 Проволока порошковая наплавочная марки ПП-АН133А

ТУ ИЭС 555-86 Лента порошковая наплавочная марки ПЛ-АН151

ТУ ИЭС 654-87 Проволока порошковая наплавочная ПП-АН157

РД 50-635-87 «Методические указания. Цепи размерные. Основные понятия. Методы расчета линейных и угловых цепей»

СТ ЦКБА 053-2008 «Арматура трубопроводная. Наплавка и контроль качества наплавленных поверхностей. Технические требования»

«Специальные условия поставки оборудования, приборов, материалов и изделий для объектов атомной энергетики»

3 Классификация и основные параметры затворов

3.1 Классификация и основные параметры затворов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Классификация и основные параметры затворов

Рабочее давление, МПа

До DN 200 включ.

От DN 65 до DN 200 включ.

До DN 100 включ.

До DN 150 включ.

4 Технические требования

4.1 Конструкция затворов и их основные размеры должны соответствовать рисункам 1 - 5 и таблицам 2 - 6.

1 - золотник; 2 - седло.

Рисунок 1 - Затвор типа I

Таблица 2 - Размеры затвора типа I (см. рисунок 1)

Размеры в миллиметрах

Размеры для рабочих давлений, МПа

Св. 6,3 до 20 включ.

1 - золотник; 2 - седло

* Допускается 90° ± 16 ¢ .

Рисунок 2 - Затвор типа II

Таблица 3 - Размеры затвора типа II (см. рисунок 2)

От 13,5952 · 10 -7 до 150 включ.

От 13,5952 · 10 -7 до 40 включ.

* Допускается величину Н выбирать из условия максимально допустимых удельных нагрузок на уплотнительные поверхности

Рисунок 3 - Затвор типа III

Таблица 4 - Размеры затвора типа III (см. рисунок 3)

От 0,3 до 1 включ.

Рисунок 4 - Затвор типа IV

Таблица 5 - Размеры затвора типа IV (см. рисунок 4)

Рисунок 5 - Затвор типа V

Таблица 6 - Размеры затвора типа V (см. рисунок 5)

4.3 Параметры шероховатости уплотнительных поверхностей затворов всех типов в зависимости от класса герметичности по ГОСТ 9544 в соответствии с таблицей 7.

Таблица 7 - Параметры шероховатости уплотнительных поверхностей затворов всех типов в зависимости от класса герметичности по ГОСТ 9544

Примечание - Для обеспечения полной герметичности при вакууме до 13,5952 · 10 -7 МПа параметры шероховатости: R_a не более 0,08 мкм, S_m не более 0,025 мм.

4.4 Рекомендуемые допуски формы и взаимного расположения уплотнительных поверхностей затворов приведены в приложении А.

4.5 Твердость уплотнительных поверхностей золотника для всех типов затворов рекомендуется превышать твердость поверхности седла не менее чем на 5 единиц HRC.

4.6 Удельные нагрузки q _y , МПа, необходимые для обеспечения герметичности затворов при контакте по поверхности (тип I - III) определяются по эмпирической формуле

где m - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рабочей среды, в соответствии с таблицей 8;

с - постоянная величина для примененного материала в уплотнении затворов, в соответствии с таблицей 9, МПа;

Р - рабочее давление, МПа;

В - ширина уплотнения (рис. 1 - 3), см.

Таблица 8 - Значение коэффициента, учитывающего влияние среды

Воздух, пар, паро-водяная смесь

Среды с высокой проникающей способностью (водород, керосин и др.)

Таблица 9 - Значение постоянной величины для применяемого материала

Сталь и твердые сплавы

Бронза, латунь, медь

4.7 Погонные нагрузки q_n , Н/см, необходимые для обеспечения герметичности затворов при контакте по линии (рис. 4 - 5), определяются по эмпирической формуле

(2)

где т - безразмерный коэффициент в соответствии с таблицей 8;

q ¢ _n - погонная нагрузка, зависящая от примененного материала в уплотнении затвора, Н/см, в соответствии с таблицей 10. При изготовлении уплотнений из разных материалов величина q ¢ _n принимается по наиболее мягкому материалу.

Таблица 10 - Значение погонной нагрузки, зависящее от примененного материала

Медь, латунь мягкая

Латунь твердая, бронза, чугун

4.8 Предельно допустимые удельные нагрузки для различных материалов уплотнений q _доп , приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Предельно допустимые удельные нагрузки для различных материалов уплотнений

Температура применения, °С

Перемещение золотника без вращения

Перемещение золотника с вращением

Не менее 100 НВ

Сталь высоколегированная (коррозионностойкая, кислотостойкая, жаропрочная)

Сталь легированная конструкционная

Азотирование 750 - 900 HV

Наплавочные твердые износостойкие материалы

(марки УОНИ-13/Н1-БК, ЭЛ3-НВ1)

* Наплавочные материалы по СТ ЦКБА 053.

1 Для затворов с конусным контактом (тип II) допускается увеличение q_доп до 1,5 за исключением твердых наплавочных материалов.

2 Твердость в единицах HRC дана в соответствии с ГОСТ 8.064.

4.9 Направление подачи рабочей среды в арматуре для затворов всех типов, установленных настоящим стандартом, не регламентируется.

4.10 Для рабочих сред с твердыми включениями следует применять в арматуре затворы типов II, III. Размер твердых включений (частиц) не должен превышать (кроме особо оговоренных случаев) 70 мкм по максимальному измерению.

4.11 В криогенной арматуре, как правило, применяют затворы типов IV и V, допускается применять затвор типа I .

4.12 Затворы арматуры АЭС должны соответствовать требованиям НП-068.

4.13 Выбор материалов деталей затворов «металл по металлу» и их испытания для арматуры АЭС должны производиться с учетом требований «Специальных условий поставки оборудования, приборов, материалов и изделий для объектов атомной энергетики».

4.14 Отказ арматуры по затвору - негерметичность, превышающая установленную в соответствии с 4.2.

4.15 Критерий предельного состояния арматуры по затвору - достижение максимально допустимой протечки в соответствии с п. 4.2.

4.16 Рекомендуемые показатели надежности и технико-эксплуатационные характеристики затворов с уплотнением «металл по металлу» в составе арматуры приведены в приложении Б.

4.17 Допускается применение других конструктивных и материальных исполнений затворов при условии их отработки в установленном порядке по программам, согласованным с ЗАО «НПФ «ЦКБА» и государственными надзорными органами.

Приложение А
(рекомендуемое)

Допуски запорных клапанов

А.1 Допуски взаимного расположения уплотнительных поверхностей приведены в таблице А.1

Таблица А.1 - Допуски взаимного расположения уплотнительных поверхностей (параллельное и угловое смещение осей золотника и седла) для затворов типов I - V

Уплотнение резьбовых соединений

На рис. 739 изображены способы уплотнения резьбовых соединений большого диаметра кольцевыми прокладками и шнурами. Ввиду того, что при завертывании этих соединений прокладки подвергаются действию сил сдвига, материал прокладок должен обладать повышенной твердостью.

На рис. 739, I—VI показаны способы углового уплотнения шнуром, укладываемым в кольцевую выточку в теле гайки; на рис. 739, VII—XI — способы уплотнения торцовой затяжкой шнура в замкнутом кольцевом пространстве между гайкой и корпусом; на рис. 739, XII—XV — способы радиального уплотнения с помощью шнура, укладываемого в кольцевую выточку в теле гайки или в корпусе.

Уплотнение ввертных деталей. Самый простой способ уплотнения ввертных деталей (штуцеров, пробок) — смазывание витков резьбы герметизирующими составами. Однако при этом способе затрудняется отвинчивание деталей вследствие «прилипания» герметизирующей мази к резьбе после некоторого периода эксплуатации.

Не рекомендуется применяемая иногда на практике (особенно в ремонтных условиях) «подмотка» последних (ближайших к торцу ввертной детали) витков резьбы ниткой, промазанной суриком, разведенным на масле, и т. п.

На рис. 740 приведены способы уплотнения ввертных деталей упругими прокладками. В конструкции на рис. 740, I прокладка подвержена действию полной силы затяжки. Чтобы исключить раздавливание прокладки, ее необходимо выполнять из твердого или полутвердого материала, армировать или ограничивать силу затяжки.

В конструкции на рис. 740, II прокладка заключена в замкнутое кольцевое пространство, образованное выточкой в корпусе. Материал прокладки может течь только в сторону резьбы, что улучшает условия уплотнения.

В конструкции на рис. 740, III—V уплотнение достигается в результате деформации прокладки при затяжке детали на жесткий торец до отказа и определяется разностью высот прокладки и канавки под прокладку.

На рис. 740, VI, VII приведены способы уплотнения по внутреннему торцу детали. Как и в предыдущих случаях, затяжку производят до упора торца детали в корпус. В конструкции на рис. 740, VII прокладка установлена в замкнутом кольцевом пространстве и не может быть выдавлена при затяжке, как в конструкции на рис. 740, VI. Затяжка детали возможна или на прокладку, или на жесткий торец; в последнем случае объем кольцевого пространства должен быть больше объема прокладки. Сила уплотнения определяется разностью высоты прокладки и высоты кольцевого пространства (при полной затяжке детали).

В конструкции на рис. 740, VIII прокладка расположена в радиальной канавке на хвостовике детали и при затяжке свободно перемещается относительно корпуса. Сила уплотнения определяется величиной выступания прокладки из канавки в свободном состоянии.

На рис. 741 показаны способы уплотнения ввертных деталей без прокладок или с металлическими уплотняющими элементами. Завертывание на конической резьбе (рис. 741, I) обеспечивает полную герметичность, особенно если корпус выполнен из пластичного металла. Остальные приведенные на рис. 741 конструкции уплотнений основаны на пластической деформации материала корпуса или материала ввертываемой детали. Их можно применять для редко разбираемых или неразъемных соединений.

На рис. 741, II, III изображены способы уплотнения острыми кольцевыми гребешками. Гребешок выполняют на детали из более твердого материала (в конструкции на рис. 741, II гребешок выполнен на корпусе, на рис. 741, III — на ввертной детали) и при завертывании врезается в мягкий материал, обеспечивая уплотнение. На рис. 741, IV, V приведены аналогичные уплотнения с применением отдельных кольцевых шипов, выполняемых из закаленной стали. Материал ввертной детали и корпуса в данном случае должен быть мягче материала шипового кольца.

На рис. 741, VI—VIII показаны способы уплотнения, основанные на пластической деформации резьбы корпуса. В конструкции на рис. 741, VI резьба на ввертной детали выполнена со сбегом; при завертывании детали неполные витки резьбы сминают витки резьбы в корпусе, обеспечивая герметичность соединения. В конструкции на рис. 741, VII резьба на ввертной детали переходит в конус; при завертывании конус сминает входные витки отверстия, обеспечивая уплотнение и в то же время наглухо стопоря соединение. В конструкции на рис. 741, VIII те же функции выполняет цилиндрический поясок на резьбе ввертной детали. Соединения, приведенные на рис. 741, VII, VIII, — неразъемные.

Глухие резьбовые соединении. На рис. 742 показаны способы герметизации глухих резьбовых соединений большого диаметра, работающих при высоких температурах и высоких внутренних давлениях. Соединения такого типа выполняют по посадкам с натягом и свинчивают, предварительно подогрев охватывающую деталь или охладив охватываемую деталь.

Резьбу выполняют с высокой степенью точности фрезерованием или шлифованием. Перед свертыванием резьбу смазывают герметизирующими мазями. При необходимости улучшить теплопередачу в состав мазей вводят металлические наполнители (алюминиевую, бронзовую или цинковую пудру).

Кроме того, герметичность обеспечивают рядом дополнительных мер: упором соединительных деталей в торец непосредственно (рис. 742, I) или через прокладки (рис. 742, II, III) из пластичных металлов (свинца, красной меди, алюминия), кольцевыми шинами (рис. 742, IV—VI), посадкой на точно обработанных цилиндрических поясках (рис. 742, VII, VIII), затяжкой на конус (рис. 742, IX— XI). В конструкции на рис. 742, XII резьба охватываемой детали на участке (а) срезана на конус; соответствующий участок на охватывающей детали — гладкий.

При ввертывании охватываемая деталь нарезает на этом участке резьбу.

Надежность описанных уплотнений возрастает, если уплотняющие элементы расположить не внутри соединения, как показано на рис. 742, I—XII, где они подвержены действию высокого давления, а снаружи, куда давление доходит только при прорыве уплотняемой жидкости или газов через витки резьбы, и то значительно ослабленным в результате дросселирования в витках резьбы. На рис. 742, XIII—XVIII изображены такие конструкции с уплотнением прокладками (рис. 742, XIII, XIV), конусами (рис. 742, XV), кольцевыми шипами (рис. 742, XVI), пружинными кольцами (рис. 742, XVII), резьбовой со сбегом (рис. 742, XVIII).

В конструкциях на рис. 742, XIX—XXII уплотнение достигается обжатием крайних витков охватывающей детали коническими кольцами и гайками. В конструкциях на рис. 742, XXIII, XXIV обжатие осуществляется напрессовкой бандажей на охватывающую деталь. Иногда обжатие осуществляют затяжкой охватывающей детали хомутом.

Торцевые уплотнения. Материалы колец пары трения

История развития уплотнений валов неразрывно связана с ростом промышленного производства центробежных насосов и компрессоров. С расширением их областей применения стало очевидным ограничения по использованию сальниковой набивки. В начале 20-го века появились механические торцевые уплотнения, которые в отличие от сальниковой набивки, не изнашивали вал, обладали большей степенью геметичности и не требовали периодического обслуживания. Главными преимуществами такого технического решения явились изменение действующих нагрузок уплотнительного узла и возможность поиска и применения необходимых материалов для колец пары трения. За период с конца 50-х годов по 80-е годы прошлого столетия произошел быстрый рост популярности торцевых уплотнений и новых композиционных износостойких материалов. Большинство из этих материалов, используемых на сегодняшний день, были разработаны в течение этого периода времени. Научные исследования и испытания в области материаловедения и триботехники стали основой развития и применения новых технологий и материалов для современных прецизионных уплотнительных устройств.

Графит и углеграфит

Эти "мягкие" материалы начали применяться с середины прошлого века в уплотнениях благодаря эффекту "самосмазывания". Развитие аэрокосмической и атомной промышленности обусловило появление новых типов графитовых материалов с лучшими характеристиками, успешно используемыми для работы с жидкостями, имеющими плохие смазочные способности. С целью устранения пористости графит стали пропитывать смолами, металлами, неорганическими солями и другими составами.

Графитовые материалы с пропиткой смолами обладают умеренной твердостью, хорошей химической стойкостью и достаточно высокой температурной стойкостью [которая зависит от характеристик пропитывающего состава]. Все эти свойства позволяют их применять в различных областях промышленности.
Пропитка углеграфитов металлами способствует повышению прочностных показателей и теплопроводности. Мягкие баббиты, такие как бронза, медь, никель, сурьма и олово, применяются в качестве альтернативных материалов для пропитки углеграфитовых колец. Температура плавления пропитывающего металла ограничивает область применения таких уплотнений.

Другие "мягкие" материалы

Для некоторых областей применения используются альтернативные "мягкие" материалы, например, такие как оловянистая бронза, преимуществами которой по сравнению с графитами является повышение прочности, твердости и теплопроводности. Несмотря на эти очевидные положительные характеристики эти материалы не обладают эффектом "самосмазывания", по этой и другим причинам спектр применения таких материалов ограничен и положительные качества не перевешивают их недостатки. Пластики типа капролона или фторопластовые композиции на основе PTFE, имеют ограниченный диапазон использования в связи с невысокой температурой плавления, низкой теплопроводностью и малым модулем упругости.

Материалы с высокой твердостью и износостойкостью

С целью расширения спектра областей применения торцевых уплотнений было разработано значительное количество твердых износостойких материалов, а также керамических композиций, используемых в парах трения этих прецизионных изделий. Эти материалы обладают хорошими трибологическими показателями при работе в паре с графитовыми и углеграфитовыми материалами.

Покрытия и напыления

Разработанная и представленная в конце 70-х годов прошлого века технология нанесения оксида хрома толщиной около 0,2. 0,3 мм в качестве покрытия рабочих колец пары трения позволила повысить твёрдость рабочей поверхности до 54 HRC. В дальнейшем технология газопламенного напыления карбида вольфрама, карбида хрома и титана позволила улучшить устойчивость к износу [твердость поверхности до 65. 72 HRC], коррозионную стойкость, стойкость к ударным нагрузкам.

В середине 80-х годов прошлого столетия была разработана и нашла в последствии практическое применение технология покрытия колец пары трения тонким слоем оксида алюминия ["микродуговое оксидирование"]. Кольца пар трения с таким покрытием обладали непревзойденными для того времени твердостью и химической стойкостью по сравнению с твердыми материалами на основе металлов. Несмотря на очевидные преимущества повышения твердости рабочих поверхностей, недостатками применения таких технологий и материалов являются: высокая вероятность терморастрескивания и возможная потеря плоскостности в связи с разными физическими свойствами покрытия и базового материала, что сужает область применения торцевых уплотнений малыми значениями PV и невысокими перепадами температур.

Керамика на основе оксида алюминия

Керамика на основе оксида алюминия стала применяться в торцевых уплотнениях с 1960-х годов, обладала исключительными для того времени твердостью и химической стойкостью, однако, в то же время имеет низкую теплопроводность и плохие трибологические показатели.
Кроме того, такая керамика склонна к разрушению в результате "термического шока". Несмотря на это неперспективный материал все ещё используется для колец пар трения ввиду относительно низкой себестоимости изготовления, в основном, для уплотнений с низкими значениями PV и невысокими скоростями скольжения.

Карбид кремния и его композиции

Впервые карбид кремния начал использоваться в качестве покрытия на графитовых деталях уплотнений в 1970-х годах, в последствии нашла применение форма реакционно-спечённого карбида кремния.
Реакционно-спечённый карбид кремния ReSiC благодаря наличию свободного кремния имеет низкий коэффициент трения, но ограниченную химическую стойкость в концентрированных кислотах и щелочах. С целью улучшения химической стойкости в начале 1980-х годов была разработана технология изготовления карбидокремниевого материала SSiC [DSSiС] без свободного кремния. Оба материала обладают непревзойденной твердостью, и находят очень широкое применение в уплотнительной технике даже спустя 35 лет. Высокая твердость наделяет карбидокремниевые композиции механически стойкими к износу и абразивным включениям. С конца 80-х годов прошлого века были разработаны технологии изготовления композиций с включениями углерода. Материалы представляют собой гетерогенную смесь свободного графита и реакционно-спечённого карбида кремния или чистого карбида кремния. Неоспоримыми преимуществами таких карбидокремниевых композиций с включениями графита является пониженный коэффициент трения, высокая теплопроводность, что позволяет изготавливать кольца пар трения торцевых уплотнений для работы в особых условиях эксплуатации.

Силицированный графит

В Советском Союзе были разработаны и освоены технологии промышленного серийного производства перспективного материала - силицированного графита марок СГ-Т, СГ-П и СГ-М, путём пропитки исходного графита по всему объёму жидким кремнием. Материал обладает уникальными свойствами: высоким показателем PV, низким коэффициентом трения, более стоек к перепадам температур по сравнению с карбидокремниевой керамикой. Однако наличие свободного кремния не позволяет его использовать при работе в щелочах.

Нитрид кремния

В середине 1990-х - начале 2000-х годов были разработаны и освоены промышленные технологии производства нового перспективного материала - нитрида кремния Si₃N₄. Преимуществами которого является более высокая усталостная трещиностойкость по сравнению с карбидокремниевой керамикой. Эти качества обуславливают применение нитрида кремния для колец пар трения специальных торцевых уплотнений, обладающих высокой надежностью в эксплуатации.

Карбид вольфрама

Применение карбида вольфрама со cвязкой кобальта и никеля в качестве нового материала для уплотнений началось с 1970-х годов: первоначально в виде покрытия на нержавеющих стальных деталях ввиду дешевизны изготовления. В дальнейшем закрепилось применение этого материала в цельноспеченых кольцах пары трения, которые обладают очень высоким модулем упругости, износостойкостью, теплопроводностью и прочностными показателями в 3. 5 раз выше карбида кремния и керамики на основе оксида алюминия, а также высокой стойкостью к термическим нагрузкам.
Несмотря на значительные преимущества, этот материал не работает в условиях сухого трения и имеет ограниченную химическую стойкость связки никеля или кобальта в концентрированных кислотах и щелочах.

Рациональный выбор материалов

Рациональный выбор материалов для колец пар трения торцевых уплотнений основывается на инженерных расчетах и анализе опыта эксплуатации. Не существует единственного универсального сочетания материалов для работы в любых условиях. Поэтому когда некоторые поставщики предлагают одно и то же торцевое уплотнение, например, Джон Крейн 2100 с материалами BR1C1 или GR1C1 для применения в любых условиях: холодной и горячей воде, сахарных сиропах, майонезах, кетчупах, соках, для молока и сметаны. и т.п, то это означает полный непрофессионализм и техническую малограмотность специалистов и менеджеров по продажам, они занимаются не своим делом, фактически обманывая клиентов и впаривая им неперспективные материалы 60-х годов прошлого века.

Читайте также: