Материал: Магнитожидкостные уплотнения

Магнитожидкостные уплотнения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Современные приборы, использующиеся в военной технике, должны обладать высокими эксплуатационными характеристиками. Поэтому к ним предъявляются высокие требования по герметичности, а традиционные герметизаторы вводов вращения уже не могут их обеспечить. Появилась необходимость в современном способе герметизации зазоров между подвижными частями приборов.

Магнитожидкостные уплотнения (МЖУ) относятся к наукоёмкой высокотехнологичной продукции, поэтому создание новых конструкций магнитожидкостного уплотнения при заданных требованиях связаны с глубокой проработкой магнитной системы, распределением магнитного поля, технологических вопросов изготовления МЖУ, синтезом магнитной жидкости с заданными свойствами.

Цель работы: исследование и разработка МЖУ ведется для повышения надежности и технических характеристик оптических приборов.

Задачами настоящей работы являются:

1) анализ литературы и определение существующего состояния вопроса;

2)      поиск проблем, которые могут возникнуть при проектировании МЖУ;

)        разработка методики исследования;

)        проведение эксперимента и определение зависимости качества уплотнения от параметров различных конструктивных элементов;

)        установление закономерностей;

)        выбор оптимальной конфигурации элементов конструкции.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Виды уплотнений

Уплотнения необходимы для герметизации входных и выходных валов различных машин. Уплотнения предотвращают утечку масла из корпуса механизмов и защищают внутренние полости корпуса от воздействия (проникновения пыли, грязи и влаги), герметизируют полости в машинах с вакуумом или, содержащих газы и жидкости под давлением. Разными типами уплотнений возможно уплотнять вращающиеся валы и роторы в роторных машинах и детали, движущиеся возвратно-поступательно в поршневых машинах [33].

Уплотнения бывают контактные и бесконтактные. В первом случае уплотнение происходит из-за непосредственного соприкосновения подвижной и неподвижной частей уплотнений. К контактным уплотнениям относятся сальники, манжеты, разрезные пружинные кольца, торцовые уплотнения. В бесконтактных уплотнениях отсутствует контакт между подвижными частями уплотнения. Уплотнительный эффект достигается с помощью центробежных сил и гидродинамических явлений. К числу этих уплотнений относят лабиринтные уплотнения, отгонные резьбы, отражательные диски, ловушки.

Контактные уплотнения могут работать при более высоких давлениях и обеспечивают лучшую герметичность соединений, но имеют ряд недостатков:

1) ограничена допустимая скорость движения уплотняемых деталей;

) износ из-за трения и потеря уплотнительных свойств.

У бесконтактных уплотнений также имеются следующие недостатки:

) более низкие уплотнительные свойства;

) не обеспечивают полной герметизации. необходимо применять дополнительные устройства.

Но при этом они не имеют пределов по скорости относительного движения и срок службы практически не ограничен.

Контактные уплотнения

Сальник (рисунок 1.1) представляет собой кольцевую полость вокруг вала, набитую уплотняющим материалом, в качестве которых могут применяться хлопчатобумажные ткани, вываренные в масле шнуры, фетр, асбест и подобные материалы. Также добавляют различные самосмазывающиеся вещества, например, порошки свинца, баббита, графита, дисульфида молибдена и других. Главный недостаток сальниковых уплотнений это повышенный износ, и неприспособленность к высоким окружным скоростям.

Рисунок 1.1 - Сальниковое уплотнительное кольцо

Для компенсации осуществляют затяжку набивки. Надёжность сальника резко возрастает при подводе смазки. При смазке уменьшается коэффициент трения, тепловыделение и повышается герметичность. Периодическая подтяжка требует внимания обслуживающего персонала. Перетяжка сальника приводит к перегреву и выходу уплотнения из строя. Применение улучшенных материалов для набивки также могут повысить качество уплотнения. Так, например, войлочными кольцами возможно уплотнять валы, вращающиеся с окружной скоростью не более 2 м/с, а кольца из тонкошерстного войлока позволяют увеличить эту скорость до 5 м/с.

Сальникoвые уплотнения не обеспечивают полную герметизацию механизма и выходит из строя при температуре выше 90 С. рекомендуется применять в ответственных конструкциях и в условиях повышенной загрязненности окружающей среды.

Несмотря на недостатки, сальниковые уплотнения находят применение часто вместе с другими видами уплотнений и дополнительными устройствами. При работе сальниковых колец в среде, вызывающей повышенный износ валов, рекомендуется устанавливать на вал защитные втулки. Cальниковые уплотнения в сочетании с канавочными уплотнениями, лабиринтными или с лабиринтно-канавочными уплотнениями часто применяют в условиях сильной загрязненности и влажности.

Более лучшими характеристиками обладают манжетные уплотнения. Они представляют собой кольцо из упругого и мягкого материала с воротником, который обхватывает вал (рисунок 1.2). Манжета лучше работает при разности давлений в уплотняемой области, так как воротник манжеты избыточным давлением плотно прижимается к валу с силой, пропорциональной давлению. Поэтому, для того, чтобы давление не отжимало воротник манжеты, ее следует устанавливать воротником навстречу уплотняемому давлению. Если нужно уплотнить вал с двух сторон, можно установить две направленные в разные стороны манжеты. Наружная часть манжеты закрепляется на корпусе.

Материалом для изготовления манжет чаще всего являются пластмассы, такие как поливинилхлорид или фторопласт. Полихлорвиниловые манжеты выдерживают температуру до 80 °С. Манжетное уплотнение выдерживают разницу давлений до 50 МПа, окружная скорость вращающегося вала может достигать до 20 м/с, и может работать при температуре от -50 до +100 °С. Рабочая температура зависит от материала манжеты. Манжеты из ПВХ работают при температурах до 80 °С, а из фторопласта могут работать при температурах до 300 °С. Количество манжет зависит от диаметра и давления.

Форма манжет в поперечном сечении может быть U образной и V образной (шевронной) (рисунок 1.3). U образные манжеты применяются при давлении рабочей среды только до 35 МПа, а шевронные могут выдержать давление до 50 МПа и выше. Чтобы в процессе эксплуатации манжета не потеряла свою форму, в конструкции уплотнения предусмотрены фасонные опорные 1 и распорные 2 кольца (манжетодержатели) из металла или текстолита.

Рисунок 1.2 - Схема действия манжетного уплотнения: а - манжета до монтажа; б - манжета в смонтированном виде без давления жидкости; в - манжета под давлением

Рисунок 1.3 - Типовые формы манжет

Наиболее широко используются армированные манжеты. Конструкция отличается от обычной пружины тем, что воротник дополнительно прижимается к валу кольцевой витой пружиной. Сила прижатия строго регламентирована.

Армированные манжеты изготовляют из эластичных, износостойких, термо- и химически стойких резин литьем или опрессовкой внутренних металлических элементов. Браслетные пружины делают из пружинной проволоки с последующим средним отпуском, покрывают кадмием или цинком. Твердость уплотняемой поверхности вала должна быть не менее HRC 45, а шероховатость не более Ra = 0,16-0,32 мкм.

Способ герметизации вращающихся валов армированными манжетами представлен на рисунке 1.4. Наружная часть манжеты 2 также усиливается металлическим каркасом 1, браслетная пружина 3 обеспечивает дополнительное прижатие манжеты к валу.

Рисунок 1.4 - Манжеты для уплотнения вращающихся валов: 1 - металлический каркас; 2 - манжета; 3 - пружина

От перепада давлений в механизме, рабочей температуры, скорости движения соединяемых деталей и типа рабочей жидкости зависит выбор конструкции и материала манжеты.

Для уплотнения деталей, движущихся возвратно-поступательно, используют разрезные пружинные кольца, которые вставляются в канавки корпуса с осевым зазором 0,005-0,020 мм. Такое уплотнение надёжно, достаточно долговечно и способно работать при больших перепадах давления. Материалами изготовления пружинных колец чаще всего являются перлитные чугуны, легированные стали и деформируемые бронзы. Корпус, в который вставляются кольца, должен обладать твёрдостью не менее HRC 40-45. Наружная деталь уплотнения должна иметь еще большую твердость, для этого ее изготовляют из стали, поверхность которой цементируют или азотируют. К стенкам канавок корпуса кольца прижимаются торцами под действием избыточного давления. Для эффективной работы уплотнения в конструкции устанавливают несколько колец. В зависимости от рабочего давления их число может доходить шести.

В многокольцевых уплотнениях наибольшую нагрузку испытывает первое со стороны герметизируемой полости кольцо. Со временем на торцевoй поверхности колец образуется ступенчатая выработка - результат прижатия кольца к стенке канавки. Для равномерного распределения нагрузки между кольцами и для подвода масла к трущимся поверхностям (при уплотнении маслосодержащих полостей) в первом (или в нескольких кольцах) выполняют разгрузочные отверстия.

Уплотнение металлическими кольцами - одно из самых простых и долговечных уплотнений. Материал колец - серый чугун, бронза, текстолит, графит и металлoграфитовая масса. Стыки колец (рисунок 1.5) могут быть прямыми (при Р 5 МПа), косыми (при Р 20 МПа) и ступенчатыми (при Р>20 МПа). В ступенчатом замке часто одну из сопряженных поверхностей выполняют плоской, а вторую - несколько выпуклой, благодаря чему повышается удельное давление в стыке колец, способствующее повышению герметичности. Форма поперечного сечения прямоугoльная. Число колец в уплотнении колеблется от 2 до 9, в зависимости от перепада давлений. Расстояние между кольцами на качество уплотнения не влияет.

магнитожидкостный уплотнение поворотный контактный

Рисунок 1.5- Типы стыковых замков металлических колец

К недостаткам уплотнения металлическими кольцами относится необходимость точного изготoвления деталей соединения, т.к. кольца не компенсируют микронеровности, овальность, конусность и т.п. Уплотнение из колец создает дополнительную силу трения. Уплотнение не является абсолютно герметичным и определяется как и при щелевом уплотнении.

Уплотнение резинoвыми кольцами, вводимыми в канавки вала или промежуточной втулки, имеет ограниченное применение. Кольца выполняют из мягких сортов маслостойкой и термостойкой синтетической резины. Недостатки уплотнений резиновыми кольцами - ненадёжность работы, быстрый износ резины в процессе эксплуатации, неопределённость сил прижатия. Чаще применяют резиновые кольца в установках с возвратно-поступательным движением вала.

Уплотнение резиновыми кольцами является простым, компактным и достаточно надежным. Уплотнение применяется при неподвижных (при Р 30 МПа) и подвижных соединениях (при Р 20 МПа). Диапазон температур -50…+100 С. Герметичность достигается за счет монтажного сжатия резины и ее плотного прилегания к поверхности деталей (рисунок 1.6). Материал - маслостойкая резина. Форма поперечного сечения круглая (предпочтительно) или прямоугольная (может скручиваться и вдавливаться в зазор). При уплотнении резиновыми кольцами утечки практически отсутствуют. На рисунке 1.6 показана схема уплотнений резиновых кольцом круглого сечения. Размеры колец и канавок подбирают таким образом, чтобы при монтаже кольца в канавке (при нулевом обжатии) был сохранен боковой зазор (а - d) = 0,2…0,25 мм. При монтажном сжатии кольцо поджимается на величину k = d - b. При наличии давления кольцо под его действием деформируется у внешней стороны канавки и создает плотный контакт с уплотняемыми поверхностями.

Рисунок 1.6 - Схемы уплотнений резиновым кольцом круглого сечения

Торцевые уплотнения (рисунок 1.7) принадлежат к числу контактных уплотнений. На валу устанавливается диск, фиксирующийся от вращения относительно вала. Диск постоянно прижимается пружиной к укрепленной на корпусе неподвижной шайбе. Уплотняемая среда (жидкость, газ) может просачиваться через уплотнение в двух направлениях: через торец диска и через кольцевой зазор между диском и валом.

Торцевое уплотнение состоит из двух уплотнений: торцевого и радиального. Радиальное уплотнение работает в более лёгких условиях, чем торцевое, так как диск имеет незначительные перемещения вдоль вала. Здесь пригодно любое уплотнение - резиновыми кольцами, разрезными пружинными кольцами, сальниками, манжетами. Просачивание через радиальный зазор можно исключить полностью, уплотнив зазор мембраной, сильфоном.

Рисунок 1.7 - Торцовые уплотнения и посадочные места для них

Основное достоинство торцевых уплотнений заключается в том, что износ трущихся поверхностей компенсируется перемещением уплотняющего диска в осевом направлении под действием пружины. Торцевое уплотнение обладает свойством самоприрабатываемости; при правильном выборе материала трущихся поверхностей и подводе незначительного количества смазки уплотнение может работать в течение долгого времени при хорошем состоянии поверхностей контакта, обеспечивающем надёжное уплотнение.

Для поверхностей трения применяют антифрикционные пары: сталь-баббит, закалённая или азотированная сталь-бронза, графитовые и угольные композиции, пластики. В наиболее ответственных случаях применяют твёрдые сплавы (литые и металлокерамические) в паре друг с другом или с более мягкими материалами из числа указанных выше. Поверхности трения обрабатывают до шероховатости Ra = 0,16-0,32 мкм. Подвижные уплотняющие диски должны обеспечивать строгую перпендикулярность торцевой поверхности относительно цилиндрической поверхности, а также параллельность торцов подвижного и неподвижного дисков.

Торцовые уплотнения служат для предотвращения или уменьшения потери рабочей жидкости из рабочей зоны.

Рассмотрим бесконтактные уплотнения. Щелевые уплотнения. Наиболее простой вид бесконтактного уплотнения - кольцевая щель между валом и корпусом. Уплотняющая способность кольцевой щели пропорциональна длине и обратно пропорциональна величине зазора. При практически осуществимых длинах щели и величинах зазора уплотнение это малоэффективно.

Щелевое уплотнение (рисунок 1.8) распространено во многих гидроагрегатах (насосы, распределители и т.д.). Снижение утечек достигается за счет уменьшения зазора s между подвижными деталями. Утечки неизбежны и заранее определяются для цилиндрических деталей по формуле (1.1).

, л                                                                     (1.1)

где d - диаметр уплотняемого соединения, мм;- зазор между деталями соединения, мм;- длина уплотнения, мм;

υ - относительная скорость перемещения деталей, м/с;

μ - динамический коэффициент вязкости жидкости.

Рисунок 1.8 - Схемы уплотнений: а - щелевого; б, в - лабиринтного

Для повышения сопротивления щели при высоких Re, соответствующих турбулентному режиму течения на одной или обеих (рисунок 1.8) поверхностях, образующих щель, выполняют лабиринтные канавки, которые вследствие чередующегося изменения сечения щели повышают ее сопротивление.