Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» icon

Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність»




НазваКонспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність»
Сторінка3/4
Дата25.05.2013
Розмір0.55 Mb.
ТипКонспект
1   2   3   4

^ 2.4 Деформації ущільнювальних кілець


Досвід експлуатації торцевих ущільнень показує, що через кутові деформації кілець зношення контактних поверхонь по радіусу відбувається нерівномірно. Деформації в першому наближенні можна розглядати як поворот поперечного перетину кільця без зміни його форми та не враховувати взаємодії між кільцевими волокнами, тобто вважати напружений стан одноосним, що дозволяє порівняно легко обчислити кут повороту кільця [15]:


(38)

де (рис. 12) ус - радіус центра ваги перерізу; Іу - момент інерції перерізу відносно осі Оу, що проходить через центр ваги та перпендикулярної до осі кільця; Е - модуль пружності матеріалу кільця; Mt, Мр - моменти сил відносно осі Оу, обумовлених нерівномірністю полів температур та тиску.



Рисунок 12 – До розрахунку деформацій кільця


Момент, обумовлений зміною температури по довжині кільця, визначається інтегралом [15]


(39)

тобто зменшення температурного моменту можна досягти, використовуючи складених кільця: контактне кільце з антифрикційного матеріалу з низьким модулем пружності та коефіцієнтом лінійного розширення закріплюється в сталевому бандажному кільці. При цьому зменшуються складові температурного моменту, які відповідають ділянкам перетину, найбільш віддаленим від осі Оу та схильним до дії великих градієнтів температур (рис. 11 в).

Для кільця, показаного на рисунку 12, поворот перетину внаслідок температурних деформацій відбувається проти годинникової стрілки, отже, температурний момент додатними Mt > 0.

Якщо перетин кільця близький до прямокутної форми - рис. 12), то Іу=bl3/12, dS=bdx, уc=0,5(r1+r2) та при постійному по перерізу модулю пружності та коефіцієнті лінійного розширення температурна складова кута повороту перетину


(40)


а з урахуванням виразу (41) для розподілу температури по довжині кільця


(41)


Останньою формулою можна користуватися для орієнтовної оцінки температурної деформації. У [1] наведена формула, одержана з (40) у припущенні, що температура по довжині кільця змінюється лінійно. При цьому деформації виявляються істотно заниженими.

Момент Мr відносно осі Оу радіальних сил тиску, що діють на циліндрову поверхню з радіусом r2, і завдовжки l1, одержимо, якщо підсумуємо моменти проекцій елементарних сил тиску (рис. 12) на площину .

Сумарний момент по двох циліндрових поверхнях дорівнює


(42)


Якщо при обчисленні моментів радіальних сил змінюються проекції елементарних сил тиску, то при обчисленні моменту осьових сил змінним є плече елементарної сили:





Враховуючи, що рс = kр1, k = S/Sc = b1rp/bcrc,


(43)


З формули (43) видно, що момент осьових сил залежить від коефіцієнта навантаження: для розвантажених (рис. 7) ущільнень ; для нерозвантажених - . Якщо k = 1, то . Таким чином, модуль моменту осьових сил тим більший, чим більше коефіцієнт навантаження відрізняється від одиниці.

Для зменшення моменту радіальних сил необхідно підбирати кільце так, щоб зміщення х1 основного радіального навантаження відносно центра ваги перерізу було мінімальним [16].

Сумарний кут повороту перерізу (38) визначається алгебраїчною сумою моментів або алгебраїчною сумою відповідних складових кута повороту . Завдяки цьому можливості зменшення сумарних деформацій кілець розширяються: температурні деформації можна компенсувати силовими. За сумарним кутом повороту перерізу можна визначити зсув зовнішніх точок контактної поверхні відносно внутрішніх:


. (44)


На підставі багаторічного досвіду розроблення та експлуатації торцевих ущільнень у нарізноманітніщих умовах [1] рекомендується як гранично допустиме значення брати Додатним зсувам відповідає розкриття торцевого зазора з боку більшого радіуса re контактної поверхні.

Оцінимо деформацію аксіально-рухомого кільця з перерізом прямокутної форми у розглянутому вище прикладі (рис. 11). Додаткові дані для розрахунку: Е = 1,4·104 МПа, =2,5·10-6 1/ºС, ºC; ус = 4,7·10-2 м, ri =3,75·10-2 м, re = 4,05·10-2 м,
rc = 3,9·10-2 м, rp = 3,95·10-2 м, l1 =2,5·10-2 м, . За формулою (41) знаходимо м-1) За формулами (42) та (43)
Мr = -20,6Н·м, Ма= 0,079 Н·м. За формулою (38) знаходимо кут повороту від моменту сил тиску Мр = Мr+ Мa= -20,5Н·м: Сумарний кут повороту = 1,23·10-4, а зсув = 0,369·10-6 м. Відносний зсув = 9,1·10-4, що значно менше допустимого значення (< 1,2·10-4).

Аналогічно оцінюють деформації опорного кільця, причому результуюча зміна форми торцевого зазора визначається підсумовуванням деформацій обох кілець.


^ 2.5 Знос контактних поверхонь

Процес зношування змащених поверхонь, що труться, настільки складний, що до цього часу немає надійних методів його прогнозування. Навіть для одних і тих самих матеріалів інтенсивність зношування може змінюватися на декілька порядків при зміні режиму експлуатації: при зміні тиску ущільнювальної рідини, колової швидкості, температури, осьових та кутових вібрацій. Поки що оцінки показників зносу базуються на досвіді експлуатації і від них не можна вимагати великої міри достовірності. Найбільш обґрунтовані та прийнятні для інженерних розрахунків формули для інтенсивності зношування наиведені у фундаментальному довіднику [5], проте спеціальні фізико-механічні характеристики, що входять до цих формул (параметр кривої фрикційної втомленості; поправковий коефіцієнт до числа циклів, відповідних відділенню частинки зносу; коефіцієнт, що характеризує напружений стан на плямі контакту, та ін.) частково систематизовані лише для деяких найпоширеніших конструкційних матеріалів в умовах сухого тертя. Для антифрикційних матеріалів пар тертя торцевих ущільнень за наявності проміжної плівки ущільнювальної рідини таких характеристик поки що немає.

У літературі наводяться і простіші степеневі [17] та лінійні [1, 18] залежності швидкості зносу від контактного тиску та швидкості ковзання. Наприклад, в [19] аналізується формула Арчарда




де ^ Н - твердість поверхні, що визначається методом вдавлювання;
k0 - коефіцієнт зносу, який потрібно визначати експериментально для кожного поєднання матеріалів пар тертя та ущільнювальної рідини, а також для конкретних умов експлуатації, включаючи режим тертя, температуру, наявність вібрацій, абразивних частинок і т.д. Таким чином, зовнішня простота формули досягнута ціною втрати її загальності: для визначення коефіцієнта зносу потрібно експериментально заміряти швидкість зносу, а якщо швидкість зносу визначена, то формула стає непотрібною.

Поки що єдиний шлях прогнозування зносу проектованих ущільнень - використовування результатів, одержаних для близьких за конструкцією прототипів, що працюють у схожих умовах. Задача полегшується лише тим, що знос є інтегральною середньостатистичною характеристикою, порівняно мало чутливою до випадкових змін окремих параметрів, від сукупності яких вона залежить. Завдяки цьому в [1] на підставі широких досліджень наведена швидкість зношування (рис. 13) залежно від режиму (коефіцієнта) тертя пари углеграфіт-метал для ущільнень перших двох груп таблиці 1. У монографії А.І. Голубєва [4] наведені дані щодо зносу всіх чотирьох груп ущільнень, причому швидкість зношування пар силіційованого графіту по силіційованому графіту для четвертої групи ущільнень не перевищує 0,001 мкм/год. На рисунку 14 наведені дані Вільямса, що ілюструють залежність коефіцієнта тертя та швидкості зношування від ущільнювального тиску в ущільненнях живильних насосів теплових та атомних електростанцій.




Рисунок 13 - Швидкість зношування пар тертя вуглеграфіт-метал




Рисунок 14 - Залежність коефіцієнта тертя та швидкості зношування

від тиску ущільнювальної рідини (пара углеграфіт-металл,

ущільнювальна рідина - вода, колова швидкість ^ 5 м/с)

Таким чином, якщо заданий гранично допустимий знос контактних поверхонь U*, то за середньою швидкістю зношування можна оцінити ресурс ущільнення Т = U*/. Наприклад, якщо
U* = 2 мм, а середня швидкість зношування = 0,1 мкм/год, то
Т = 2·104год, тобто навіть для порівняно великої швидкості зношування ресурс пари тертя настільки великий, що надійність вузла може бути обмежена вторинним ущільненням, повідцями та натискними елементами. В усякому разі досвід показує, що при правильному виборі матеріалів пар тертя та конструкції можна забезпечити достатньо високий ресурс механічних торцевих ущільнень, якщо ступінь експлуатаційного навантаження рlv < 100 МПа·м/с. Для вищих параметрів необхідно застосувати термогідродинамічні ущільнення, запропоновані Є. Майєром [1], або гідростатичні ущільнення з гарантованим саморегульованим торцевим зазором.

^ 3. Рекомендацій щодо конструювання

3.1 Охолоджування ущільнень

Найважливішим показником, що обмежує ресурс ущільнення, є втрати потужності на тертя, які приводять до підвищення температури у торцевому зазорі, руйнування змащувальної плівки, температурних деформацій і в результаті до інтенсивного зносу контактних поверхонь. Тому при проектуванні ущільнень необхідно вживати всі доступні заходи щодо зменшення втрат потужності на тертя, перш за все за рахунок гідравлічного розвантаження (коефіцієнт навантаження k = 0,55-0,85) і вибору антифрикційних матеріалів для пари тертя. Якщо ці заходи є недостатніми для забезпечення задовільного теплового стану, необхідно збільшувати тепловідведення. Для ущільнень на високі параметри
1v > 100 МПа м/с) потрібно створювати умови рідинного або напіврідинного змащення за рахунок гідро- та термогідродинамічних ефектів або переходити до гідростатичних ущільнень.

Збільшення тепловідведення досягається за допомогою спеціальних систем охолоджування (рис. 15). У системі І відведення тепла з камери збільшується за рахунок циркуляції ущільнювальної рідини під дією тиску, що розвивається самим насосом. Така система ефективна, якщо насос перекачує холодну воду. Для насосів, що працюють на гарячій воді, система охолоджування доповнюється виносним теплообмінником, який вимагає додаткового джерела холодної води.

Системи із внутрішнім холодильником для охолоджування пари тертя (ІІ) можуть працювати за рахунок циркуляції перекачуваної рідини аналогічно системі І, якщо насос працює на холодній воді. Інакше потрібна додаткова зовнішня система прокачування холодної води. На гарячих насосах вбудовані холодильники використовуються як термобар’єр (ІІІ) для охолоджування ущільнювальної рідини в камері ущільнення. Щоб підвищити ефективність вбудованих холодильників, їм надають геометричні форми з розвиненими поверхнями тепловіддачі.



Рисунок 15 - Системи охолоджування торцевих ущільнень

Значного поширення набули системи охолоджування з виносним теплообмінником та вбудованим лабіринтово-гвинтовим насосом (рис. 16), що розвиває тиск, достатній для забезпечення необхідної витрати ущільнювальної рідини через холодильник. Як правило [1], примусова циркуляція від вбудованого насоса доповнюється термосифонною системою, яка являє собою піднятий на висоту не менше двох метрів теплообмінник, природна циркуляція в якому відбувається завдяки різній густині гарячої води на вході та охолодженої на виході.

Найефективнішим способом охолоджування (рис. 17 а, б) є підведення в камеру ущільнення холодної замикаючої води під тиском, що дещо перевищує тиск ущільнювальної рідини (гідрозатвор). Найчастіше системи замикання поєднуються з подвійними торцевими ущільненнями
(рис. 17 б); при цьому внутрішнє обмежує перетікання замикаючої рідини в порожнину насоса під дією невеликого перепаду тиску, а зовнішнє ущільнює вихід запірної рідини назовні з насоса та сприймає повний тиск гідрозатвора. Такі системи охолодження повністю виключають зовнішні витоки рідини, що перекачується насосом, тому застосовуються у всіх насосах першого контуру. Системи з гідрозатвором, окрім теплообмінників та фільтрів, вимагають додаткового насоса високого тиску та автоматичних регуляторів перепаду тиску замикаючої і ущільнювальної рідин. Необхідний тиск у контурі циркуляції замикаючої води можна підтримувати газовою подушкою, утворюваною при підключенні до теплообмінника через редукційний клапан балона з рідким азотом. При цьому неминучі втрати замикаючої води, тому періодично необхідно заповнювати підживлюваним насосом.



Рисунок 16 - Система охолоджування з виносним

теплообмінником та вбудованим лабіринто-гвинтовим насосом




Рисунок 17 - Системи охолоджування з гідрозатвором

з одинарним (а) та з подвійним (б) торцевим ущільненням


^ 3.2 Термогідродинамічні торцеві ущільнення


Особливість таких ущільнень (рис. 18 а) - серпоподібні канавки 2 на одній з контактних поверхонь 1. Ці ущільнення характеризуються тим, що коефіцієнт тертя в них зменшується із зростанням ущільнювального тиску (рис. 18 б) та колової швидкості. Пояснюється це тим, що в зоні канавок умови охолоджування кращі, ніж на віддалених від них ділянках контактної поверхні. У результаті осесиметричне температурне поле кільця змінюється хвилеподібно від канавки до канавки, викликаючи відповідні температурні мікродеформації. Завдяки цьому торцевий зазор по периметру змінюється згідно із законом, близьким до гармонійного, і при ковзанні контактних поверхонь відносно один одного в місцях зменшення зазора виникають гідродинамічні мікроклини з підвищеним тиском. Таким чином, температурні деформації збільшують розклинюючу гідродинамічну силу та зменшують контактний тиск поверхонь та втрати потужності на тертя. Термогідродинамічні ущільнення мають здатність до саморегулювання втрат потужності на тертя: зростання контактного тиску веде до збільшення температурних ефектів, які зменшують стале значення втрат потужності. На жаль, зворотний зв'язок щодо температури пари тертя порівняно слабкий та не піддається прогнозуванню. Тому успіхи, досягнуті в області термогідродинамічних ущільнень, базуються на практичному досвіді та на інженерних пошуках оптимальних конструкцій [1, 20]. Такі ущільнення є проміжним ступенем між традиційними механічними торцевими ущільненнями та гідростатичними ущільненнями з саморегульованим зазором.




Рисунок 18 - Термогідродинамічне торцеве ущільнення:

а – поверхня тертя; б – залежність коефіцієнта тертя

від параметрів серпоподібні канавки


^ 3.3 Матеріали пар тертя на основі вуглецю


Надійність та ресурс контактних ущільнень визначається головним чином фізико-механічними властивостями матеріалів пар тертя. Пари тертя повинні мати мінімальний коефіцієнт тертя та низьку швидкість зношування, високу теплопровідність і термоміцність, низький температурний коефіцієнт лінійного розширення, стійкість проти задирання, схоплювання та корозії. Перелічені вимоги значною мірою задовольняють антифрикційні матеріали на основі вуглецю. Коефіцієнт теплопровідності цих матеріалів в 2-4 рази більше, а коефіцієнт лінійного розширення в
2-3 рази менше, ніж у чорних металів; вони легко переносять термічні удари, здатні до самозмащування та мають низький коефіцієнт тертя.

Для торцевих ущільнень в основному використовують штучні вуглеграфітові матеріали, які одержують з нафтового коксу шляхом термообробки, подрібнення та пресування. Використовують також антрацит, пековий кокс та сажу. В якості зв'язувального матеріалу застосовують кам'яновугільний пек та смоли. Для підвищення антифрикційних властивостей додають природний очищений графіт [21].

Після випалення (1200-1300°С) пресованих заготовок кілець одержують обпалений вуглець (АО - антифрикційний обпалений вуглеграфіт). При випаленні випаровуються леткі складові пеку та утворюються пори, об'єм яких досягає 20-40 % об'єму матеріалу; розміри пор 0,01-5мкм. Додаткове випалення заготовок при температурі 2300-2600°С викликає рекристалізацію вуглецю та переводить частину аморфного вугілля в графіт, у результаті одержують графітірований вуглеграфіт (АГ).

Для зменшення пористості та підвищення експлуатаційних якостей вуглеграфітів їх просочують металами, термостійкими смолами, кремнієм, фторопластами і т.д. Випалені та графітизовані вуглеграфіти АО-1500-СО5 та АГ-1500-СО5 просочені сплавом свинцю (95 %) та олова (5 %), а АГ-1500-Б83 та АГ-1500-Б83 - бабітом. Гранично допустимі температури в зоні тертя 300 та 200 °С відповідно для просочень СО5 та Б83. Перевищення цих температур приводить до виплавлянню металу, просочення та порушенню герметичності. Обпалений вуглеграфіт 2П-1000-Ф просочений фенолформальдегідною смолою (допустима температура 140°С). Просочення синтетичною смолою зменшує небезпеку задирання при підвищеному контактному тиску. Обпалений антифрикційний матеріал химаніт-Т виготовляють методом суміщеного пресування та випалення з подальшим просоченням фурфуриловим спиртом та термообробкою при 300°С. Матеріал має високу термостійкість (до 300°С) та малий коефіцієнтом тертя, що забезпечує його працездатність при швидкостях ковзання до 25 м/с і контактному тиску до 8 МПа [11].

Для ущільнень з високим та надвисоким ступенем навантаження (табл. 1) частіше за все використовують силіційований графіт [22], який одержують просоченням пористого графіту розплавленим кремнієм. У процесі просочення у результаті взаємодії кремнію з вуглецем утворюється карбід кремнію. Частина кремнію та графіту залишається не зв'язаною, тому силіційований графіт являє собою трикомпонентну систему. Фаза карбіду обумовлює високі фізико-механічні показники та хімічну стійкість, а вільний графіт - антифрикційні властивості [23]. Силіційовані графіти СГ-М, СГ-П, СГ-Т розрізняються змістом фази карбіду (у порядку зростання) та відповідно твердістю і зносостійкістю. Недоліком цих матеріалів є крихкість (зростає із збільшенням твердості), а також те, що вони піддаються обробці тільки алмазним кругом на шліфувальних верстатах.

Менш крихкі боросиліційовані графіти БСГ-30 та БСГ-60, що розрізняються пористістю початкового графіту ПРОГ-2400: 30 % для БСГ-30 та 60 % для БСГ-60. Ці графіти також обробляються лише шліфуванням алмазним кругом.

Кращим з силіційованих графітів є алюмокарбідкремнієвий графіт ГАКК 55/40, який обробляється на металорізальних верстатах твердосплавними різцями. Матеріал допускає короткочасну роботу насухо, коефіцієнт сухого тертя 0,05-0,1.

Поверхні тертя ущільнювальних кілець з вуглецевих матеріалів доводять на скляних та чавунних притирах алмазними пастами, алмазними порошками або порошками карбіду бору. Шорсткість контактних поверхонь після доведення Ra = 0,025-0,1 мкм, неплощинність не більше 0,9 мкм.

Основні фізико-механічні характеристики антифрикційних вуглецевих матеріалів наведені в таблиці 8.

1   2   3   4

Схожі:

Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconКонспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність»
«Гермомеханіка»: конспект лекцій. Розділ “Автоматичні врівноважувальні пристрої як безконтактні ущільнення” / Укладачі
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconКонспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність»
Конспект лекцій з курсу «Гермомеханіка». Розділ “ Теорія І конструкції механічних торцевих ущільнень” / Укладачі
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconКонспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність»
Конспект лекцій з курсу «Гермомеханіка». Розділ “Ущільнення роторів насосів атомних електростанцій” / Укладачі: В. А. Марцинковський,...
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconКонспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність»
Конспект лекцій з курсу «Гермомеханіка». Розділ “Ущільнення роторів насосів атомних електростанцій” / Укладачі: В. А. Марцинковський,...
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconНавчальний посібник для студентів спеціальності 080303 "Динаміка і міцність"
Охватывает диапазон изменения скорости роста трещины от нуля до критического значения, соответствующего окончательному разрушению...
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconМ. Г. Шульженко, С. О. Закурдай динаміка рухомого складу конспект лекцій
Динаміка рухомого складу. Конспект лекцій /для студентів 4 курсу денної форми навчання напряму підготовки 0922 050702 – «електромеханіка»...
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconКонспект лекцій з дисципліни " Вступ до спеціальності"
Конспект лекцій з дисципліни «Вступ до спеціальності» (для студентів 1 курсу спеціальності 050100 "Економіка підприємства") Авт....
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconПаспорт спеціальності 05. 02. 09 Динаміка та міцність машин
Методи дослідження та розрахунку динамічних процесів у машинах, приладах та апаратах
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconКонспект лекцій для студентів спеціальності 050104 "Фінанси"
Міжнародний менеджмент: Конспект лекцій / Укладач К. В. Савченко. Суми: Вид-во СумДУ, 2009. 154с
Конспект лекцій для студентів спеціальності 080303 «динаміка І міцність» iconКонспект лекцій для студентів спеціальності 050104 "Фінанси"
Фінансовий менеджмент: конспект лекцій / укладачі: О. О. Захаркін, Л. С. Захаркіна. – Суми: Вид-во СумДУ, 2010.– 156с
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи