Теоретические предпосылки влияния режима работы сальника на герметичность уплотнения

УДК 629.113.004.67

А.С. Денисов, И.Г. Иванов ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ САЛЬНИКА

НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ УПЛОТНЕНИЯ

Рассмотрены теоретические предпосылки влияния режима работы сальника на герметичность уплотнения. Зависимость расхода жидкости через сальник от давления жидкости можно принять линейной до критического состояния, обусловленного потерей маслом смазочной способности, изменением эластичности и отрывом уплотняющей кромки от поверхности вала.

Теоретические предпосылки, режим работы, сальник, герметичность

A.S. Denisov, I.G. Ivanov

THEORETICAL BACKGROUND OF INFLUENCE OF MODE APPENDAGE

OF THE TIGHT SEAL

This article describes the theoretical background influence on the mode of packing sealing gaskets. Dependence offluid flow through the gland from the fluid pressure can be taken linear to a critical state due to loss of oil lubricating capacity, changes in elasticity and separation of the sealing edge of the shaft surface.

Theoretical background, mode of operation, gasket, sealing

Свойства сальников во многом определяют ремонтопригодность агрегатов машин.

Несмотря на относительно малую стоимость сальников, затраты на восстановление

герметичности сопряжения (замену сальника) во много раз превышают его стоимость.

Поэтому задача обеспечения требуемых свойств сальника при эксплуатации актуальна.

Рассмотрим наиболее распространённую

конструкцию уплотнения (рис. 1). При установке сальника его герметизирующая кромка деформируется, обеспечивая давление в зоне контакта.

На манжету, установленную на валу машины, в статическом состоянии (вал не вращается) в общем случае действуют силы, обусловленные деформацией

герметизирующего эластичного элемента при монтаже манжеты с натягом, растяжением кольцевой пружины и избыточным давлением герметизируемой среды [1].

/ Эти силы прижимают эластичный элемент манжеты

к валу, что приводит к формированию поверхностей контакта - номинальной Аа = 2тггва (где гв - радиус вала, а - ширина зоны контакта манжеты с валом) и фактической

Аг.

Таким образом, статическая составляющая

Рис.1. Гидродинамическое манжетное устройство:

1 - манжета; 2 - арматура; 3 - пружина; 4 - вал

контактного давления qcr, представляющая собой радиальное усилие Рст, приходящееся на единицу номинальной поверхности контакта, может быть представлена в следующем виде:

qст = q упр+qпр + qдавл,

где qyпр, qпр, qдаBJl -составляющие контактного давления, обусловленные наличием предварительного натяга в манжеты на валу, воздействием пружины и давления среды.

При работе машины в манжетном узле происходят процессы, которые чаще всего являются нежелательными:

1) физико-механические и химические процессы взаимодействия и изменения поверхностей при трении;

2) коррозия поверхности вала в зоне расположения резиноармированной манжеты в присутствии рабочей жидкости, атмосферной влаги [1, 8];

3) изменение механических свойств материала под влиянием температуры, герметизируемой среды, кислорода и озона воздуха, радиации и т.д.;

4) развитие во времени деформационных процессов в резине (например, для формирования фактической и номинальной поверхности контакта необходимо определенное время, происходят реологические явления в материале манжеты - релаксация напряжения и ползучесть [5];

5) колебания эластичного герметизирующего элемента манжеты, которые стимулируют усталостные процессы в ней, приводят к увеличению износа, способствуют повышению температуры за счет гистерезисного тепловыделения в резине [1, 2].

При высокой частоте вращения вала (2000-5000 мин-1 для коленчатого вала автотракторных двигателей) уплотнения в зоне контакта работают в режиме гидродинамической смазки. Этот режим описывается комплексной характеристикой X [4]:

д Г' П

л=-р-

где п - динамическая вязкость масла; п - частота вращения вала; Р - среднее давление.

Критической характеристикой режима называют значение 1, при котором минимальная толщина масляного слоя уменьшается настолько, что наступает соприкосновение микронеровностей вала и подшипника, и коэффициент трения резко возрастает. Толщину масляного слоя, при которой возникает полужидкостная смазка, называют критической и обозначают ккр. Величина ккр для хорошо выполненных гладких и жестких подшипников и валов составляет в среднем 3-10 мкм [3].

Коэффициент полужидкостного трения значительно выше, чем жидкостного (рис. 2), тепловыделение в зоне трения больше, поэтому возникновение полужидкостного трения сопряжено с опасностью перегрева и выхода сальника из строя.

Эти процессы носят вероятностный характер, однако можно обосновать детерминирующую составляющую угловых колебаний сальника. При повышении давления в зоне трения повышается вероятность перехода из области 1 (рис. 2) в область 2 или даже 3 (в соответствии с формулой 2). Поскольку кромка сальника представляет упругий элемент, то при контакте микронеровностей начинаются угловые колебания кромки. Частота этих колебаний зависит от частоты вращения вала, упругости сальника, шероховатости поверхностей трения, температуры.

Для манжетных герметизаторов общего машиностроения установлено, что в отдельные моменты времени между манжетой и валом имеется плёнка жидкости. Толщина масляной плёнки изменяется обратно пропорционально нагрузке [6]. Увеличение контактного давления способствует улучшению герметичности до достижения критической температуры для материала манжеты. Непосредственные измерения показали, что толщина масляной плёнки при работе манжеты в масляной среде составила около 2,5 мкм [3, 6]. Трение при такой плёнке не является граничным.

Однако условия трения, которые преобладают в контакте вала и манжеты, существенно отличаются от обычного гидродинамического трения (при толщине плёнки около 10 мкм). В манжете не может быть такой масляной плёнки, но могут образовываться мельчайшие масляные гидродинамические клинья на поверхностных неровностях [2, 6, 7].

X

Н

К

К

к

(Ъ

о

Вязкость п х Скорость и

Нагрузка Р

Рис. 2. Кривая Штрибека и режимы смазки (схема) [4]

Экспериментально были обнаружены, кроме радиальных вынужденных колебаний под влиянием биения вала, колебания трёх видов [2].

1. Продольные колебания губки в направлении вращения, амплитуда которых несколько меньше, чем эксцентриситет вала, а частота равна угловой частоте вала [2].

2. Поперечные колебания лежащей на валу губки манжеты с частотой, совпадающей с частотой вращения вала.

3. Высокочастотные колебания губки манжеты, не зависящие от скорости вала. Наибольшее влияние на утечки оказывают колебания первого вида. Динамическая

нестабильность плёнки жидкости была обнаружена Стефенсом непосредственными наблюдениями стробоскопическим способом с использованием прозрачного вала [9]. Процесс начинается при относительно толстой плёнке, затем она становится тоньше и наконец исчезает. Резина уплотнения контактирует с валом, «подпрыгивает», и масляная плёнка появляется вновь.

Результатом такого «подпрыгивания» является значительное увеличение утечек (расхода) жидкости через сальник. Поэтому в качестве первого допущения при обосновании расхода жидкости через сальник можно принять прямую пропорциональность между расходом б и коэффициентом трения f в виде:

б = с/,

где с - коэффициент пропорциональности.

Поскольку в комплексной характеристике X давление р находится в знаменателе,

форма зависимости коэффициента трения и расхода от давления будет аналогичной кривой

Герси-Штрибека, но с обратным направлением. Её до критического давления можно описать линейной зависимостью:

б=бо +ЬР,

где b - повышение расхода на единицу давления; Q0 - расход при отсутствии давления жидкости (Р=0).

Параметр b будет постоянным до критического давления Ркр, при котором гидродинамическая смазка переходит в граничную. Затем параметр b значительно возрастает. Это критическое состояние обусловлено в основном потерей маслом смазочной способности, а также изменением эластичности уплотняющей кромки и отрывом её от поверхности вала («подпрыгиванием»).

Таким образом, по результатам теоретического приближённого анализа можно сделать следующие выводы:

1. При работе машины в манжетном узле происходят процессы, которые чаще всего являются нежелательными: физико-механические и химические процессы взаимодействия и изменения поверхностей при трении; изменение механических свойств материала под влиянием температуры; развитие во времени деформационных процессов в резине; колебания эластичного герметизирующего элемента манжеты, которые стимулируют усталостные процессы в ней, приводят к увеличению износа.

2. При высокой частоте вращения вала (2000-5000 мин-1 для коленчатого вала автотракторных двигателей) уплотнения в зоне контакта работают в режиме гидродинамической смазки.

3. Кроме радиальных вынужденных колебаний под влиянием биения вала, существуют колебания трёх видов: продольные колебания губки в направлении вращения; поперечные колебания лежащей на валу губки манжеты с частотой, совпадающей с частотой вращения вала; высокочастотные колебания губки манжеты, не зависящие от скорости вала. Наибольшее влияние на утечки оказывают колебания первого вида.

4. Зависимость расхода жидкости через сальник от давления жидкости можно принять линейной (4) до критического состояния, обусловленного потерей маслом смазочной способности, изменением эластичности и отрывом уплотняющей кромки от поверхности вала. По величине критического давления можно оценивать качество сальников, а также ограничивать давление в герметизируемом пространстве (например, давление газов в картере двигателя внутреннего сгорания).

ЛИТЕРАТУРА

1. Голубев Г. А., Кукин Г.М. Уплотнения вращающихся валов. М.: Наука, 1966. 99 с.

2. Голубев Г. А. О динамических эффектах, возникающих в манжетных уплотнительных узлах быстровращающихся валов // Вопросы трения и проблемы смазки: сб. науч. тр. М.: Наука, 1968. С. 36-43.

3. Джаггер Е.Т. Изучение смазки сальника из синтетической резины, уплотняющего вращающийся вал // Новые работы по трению и износу: сб. науч. тр. М.: Иностр. лит., 1959. С. 129-136.

4. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник / Л. А. Кондаков, А.И. Голубев,

В.Б. Овандер, В.В. Гордеев, Б.А. Фурманов, Б.В. Кармунгин. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

5. Константинова Н.А., Лаврентьев В.В., Бартенев Г.М. О формировании площади фактического контакта высокоэластичных материалов с твердой гладкой поверхностью // Механика полимеров. 1966. № 2. С. 263-268.

6. Садило М.В., Удовенко А.А. Гидродинамическая смазка манжетных уплотнений валов // Труды Новочеркасского политехнического института. 1971. Вып. 263. С. 124-127.

7. Селедков Ю.Г., Бирюков Б.Н. Исследование характера движения и момента трения свободно плавающей армированной манжеты при уплотнении вращающихся валов // Каучук и резина. 1969. № 1. С. 37-38.

8. Symons J.D. Engineering Facts about Lip Seals // SAE Transactions. 1963. №71. P. 614650.

9. Stephens C.A. Oil Seals and Lubricants // Agrigation Engineering. 1965. Vol. 46. P. 264268.

Денисов Александр Сергеевич - Denisov Aleksandr Sergeevich -

доктор технических наук, Doctor of Technical Sciences,

профессор, Professor,

заведующий кафедрой «Автомобили Chair «Automobiles and automobile и автомобильное хозяйство» sector», Saratov State Technical University

Саратовского государственного технического университета

Иванов Иван Г еннадьевич - Ivanov Ivan Gennadievich -

аспирант кафедры «Автомобили Post-graduate student of the

и автомобильное хозяйство» «Automobiles

Саратовского государственного and automobile sector», Saratov State

технического университета Technical University

Статья поступила в редакцию 19.05.2011, принята к опубликованию 29.05.2011