автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование конструкций и методики расчета торцово-сальниковых уплотнений химического оборудования

На правах рукописи

фоь^

ФОКИНА Мария Сергеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТОРЦОВО-САЛЬНИКОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ ХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.02.13 — Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

1 О !ХН 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569959

Тамбов-2015

005569959

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» на кафедре «Инженерная экология и альтернативная энергетика».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Божко Григорий Вячеславович,

доктор технических наук

Гриб Владимир Васильевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», профессор кафедры «Детали машин и теория механизмов»

Гончаров Григорий Михайлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технологические машины и оборудование»

ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Защита диссертации состоится 2 июля 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

Электронная почта диссертационного совета: d.sov21202@tstu.ru; факс: 8(4752)632024.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ», с авторефератом диссертации — на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ»: http://www.tstu.ni и ВАК Минобрнауки РФ: http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан _2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент Ц 0^.1/ Василий Михайлович Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Уплотнение оборудования химической промышленности — устройство для разделения сред с допускаемой их утечкой через разъемные соединения (РС) химических насосов, реакторов и др. От их работы зависит качество оборудования, получаемых химических веществ и безопасность производства. Поэтому важным направлением является создание новых уплотнений для РС в соответствии с требованиями, предъявляемыми к современному химическому оборудованию. В связи с этим совершенствование конструкций торцово-сальниковых уплотнений и разработка методики расчета для их конструирования и эксплуатации является актуальным.

Целью диссертационной работы является разработка новых конструкций, методики расчета и рекомендаций по эксплуатации и ремонту одно-, двух-, многокамерных и бескамерных торцово-сальниковых уплотнений с уплотнителями, размещенными попарно и последовательно вдоль оси вала (далее ТСУ).

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать условия герметичности при работе ТСУ с уплотнителями, размещенными попарно и последовательно вдоль оси вала.

2. Определить потери мощности от работы исследуемого ТСУ.

3. Определить распределение осевой силы самоуплотнения от давления рабочей среды между деталями уплотнения.

Научная новизна:

- предложены расчетные соотношения для определения силовых нагрузок на детали ТСУ, потерь мощности на трение уплотнителей о замыкающие их поверхности в рабочих условиях в зависимости от конструкции, давления, температуры и свойств среды, материала набивки и силы предварительного нагружения;

- установлены условия герметичности работы данного ТСУ в зависимости от давления и свойств среды, материала набивки и силы его предварительного нагружения для современных набивок на основе терморасширенного графита ГРАФЛЕКС Н1100, Н1200, Н1201;

- получены экспериментальные зависимости и выражение для определения утечки уплотняемой среды от ее давления и удельной нагрузки в исследованных ТСУ для набивок (ГРАФЛЕКС Н1100, Н1200, Н1201).

Практическая значимость:

- разработана методика расчета многокамерного ТСУ с учетом давления и свойств среды, материала набивки и силы его предварительного нагружения;

- из экспериментальных данных получены уравнения для определения потерь мощности привода рассматриваемого ТСУ от давления среды и силы его затяжки с набивками Н1100, Н1200, Н1201;

- разработаны новые конструкции уплотнения — бескамерное ТСУ и сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидального сечения (Патент РФ на полезную модель № 151887 от 18.09.2014 г.);

- разработаны рекомендации по монтажу и ремонту данного ТСУ для повышения его герметичности за счет подбора материала уплотнителей, а также по выбору их числа и порядка размещения в зависимости от условий эксплуатации;

- результаты работы внедрены в ОАО «ИркутскНИИхиммаш» в качестве руководящего технического материала для проектирования многокамерных торцово-сальниковых уплотнений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на V и VI международных симпозиумах молодых ученых, аспирантов и студентов в г. Москве, в МГУИЭ, 2002 и 2003 гг.; на Международной научно-практической конференции в г. Москве, в МГУИЭ, 2009 г.; на 3-й Международной научно-технической конференции «Нестационарные энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии» (НЭРПО-2013) в г. Москве, в МГОУ им. В. С. Черномырдина 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из которых 3 -в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, тезисы 4 докладов на двух международных симпозиумах и двух научно-технических конференциях. Получен Патент РФ на Полезную модель № 151887 от 18.09.2014.

Структура и объем работы. Содержание диссертации изложено на 135 страницах основного текста, содержит 54 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 107 наименований. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована проблема герметичности разъемных соединений, изложена актуальность, цель и основные задачи диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ существующих конструкций подвижных уплотнений PC, дана их классификация и методы расчета. Наиболее часто применяемые сальниковые и торцовые уплотнения относятся к контактным, где уплотнитель прижат к поверхности уплотняемой детали определенной нагрузкой, зависящей от давления и свойств среды, допускаемой утечки и др.

В сальниковых используют набивку для уплотнения вала или штока, материал которой должен быть пластичным и упругим, химически и износостойким, иметь низкий коэффициент трения. Желательно, чтобы материалы деталей уплотнения имели близкие значения коэффициента температурного расширения. Торцовые уплотнения работают по принципу упорного подшипника скольжения. Выбор уплотнений обусловлен с условиями эксплуатации. Первые просты в работе, но требуют периодической подтяжки, вторые - частично самоуплотняющиеся и более надежны, но требуют высокой точности изготовления. В торцово-сальниковых уплотнениях, применяются оба принципа работы.

Торцово-сальниковое уплотнение для вращающихся валов, использующее положительные качества торцевого и сальникового уплотнений, представлено на рис. 1. Уплотнительные элементы а, б, в и г, выполненные из материала, применяемого как набивка размещенными попарпо и последовательно вдоль оси вала сальникового уплотнения,

размещены попарно и последовательно вдоль оси вала 7, имеют такой же, как в торцовом уплотнении, динамический контакт с вращающимся со скоростью вала со кольцом 4, поджимаемым с помощью стопора со шпонкой б, и пружины 5. Уплотнение имеет также кольцо 3, нажимную крышку 1, соединенную с корпусом шпильками 2. В условиях эксплуатации давление рабочей среды увеличивает нагрузку на сальниковую набивку, нажимной фланец и шпильки, создавая нагрузку от самоуплотнения.

Идея, заложенная в данной конструкции, позволяет провести дальнейшее ее совершенствование с получением новых типов уплотнений. В работе представлены разработанные и исследованные нами новые типы ТСУ. Они могут работать в большом диапазоне давлений рабочей среды, так как в них возможно размещение необходимого количества пар уплотнительных элементов и колец 3, установленных в одну камеру. В этом случае ТСУ становится одно-, двух-, многокамерного типа или бескамерное.

Осевая сила самоуплотнения во всех этих ТСУ позволяет снизить нагрузку на них при сборке соединения, и, тем самым, уменьшает энергетические затраты на их работу, а также материалоемкость всего соединения, что в совокупности приводит к снижению их стоимости.

Данная диссертация посвящена разработке новых конструкций, методики расчета и рекомендаций по эксплуатации и ремонту одно-, двух-, многокамерных и бескамерных торцово-салышковых уплотнений с уплотнителями, размещенными попарно и последовательно вдоль оси вала (далее ТСУ).

Во второй главе проводится аналитическое исследование работы одной камеры ТСУ с двумя уплотнительными элементами.

В рассматриваемых конструкциях ТСУ одно-, двух-, многокамерного и бескамерного типов используются одни и те же элементы, работающие в одинаковых условиях. Поэтому для упрощения анализа этих конструкций нами проводятся исследования работы одного элемента - одной камеры, с дальнейшим использованием полученных данных при рассмотрении работы ТСУ одно-, двух-, многокамерного типа и бескамерного.

Рассмотрим ТСУ с одной камерой (рис. 2), содержащее одну пару уплотнительных элементов а и г, которые нагружаются при сборке с помощью нажимной крышки 1 и шпилек 2, аксиально подвижного кольца 4, вращающегося вместе с валом 7, и упругого элемента 5 - пружины, упертой в выступ вала (см. рис. 2). В рабочих условиях сила затяжки, усилие Опр пружины 5 и осевая сила р давления рабочей среды будут одинаково восприниматься элементами г и а. Уплотнительный элемент г вращается со скоростью вала - со, уплотнительный элемент а - неподвижен.

Рассмотрим распределение нагрузки в одной камере.

При сборке соединения шпильками создается сила затяжки — 0„ которая одинаково сжимает кольца а и г и преодолевает суммарную силу трения в сопряжении кольца а со стенкой камеры и кольца г с валом Г, , (¡' - а или г) и сжимает пружину на величину Опр:

4 а

Рис. 2. Конструктивная схема ТСУ с одной камерой

бз=!>,+&Р'

(о

¿=1

отсюда От =<2а + (2, и 0пр =<2->-{Та + Тг), где

(Та+Тг) = 0,5<231? + 0,5()3У. (2)

В выражении (2) £ - среднее значение коэффициентов бокового давления набивки по внешнему и внутреннему контуру. Принимаем однозначность произведения коэффициентов к и/для элементов а иг, тогда

впр=в3-& ¥ = а(1-¥)- (3)

В рабочем состоянии уплотняемая среда создает осевую силу самоуплотнения £)д, часть которой идет на уплотнители и шпильки а другая часть - на разгрузку пружины А()пр.

На рисунке 3 представлена силовая диаграмма нагрузок на элементы уплотнения. При сборке шпильки и уплотнительные элементы нагружены усилием затяжки , пружина — усилием При повышении давления среды нагрузка на пружину падает (прямая 1), на шпильки (прямая 2) и уплотнительные элементы (прямая 3) растет. Считаем, что при полной разгрузке пружины, из-

за реверса сил трения, эти силы в зоне контакта уплотнителей равны нулю, и вся сила давления среды будет восприниматься шпильками и уплотнительными элементами одинаково (прямая 4).

При силе давления среды < ()а1 с использованием выражения (3)

еу=о*+о-а)ед=&(1-*/")+0-а)ед; (4)

Д0у = (1-а)<2д1

абд1

Рис. 3. Силовая диаграмма нагрузок элементов соединения в работе:

1 - 0ФД =Шх); 2-0ш =/(бд); 3-(2У =/(&); 4 - 0Ш.У =/(&)

бпрД=а, - «ед=ао ■- ¥)- аед,

где а = 1§(упр) - коэффициент жесткости и (1 - а) = tg(yy); (Эпрд под давлением. Нагрузка на шпильки

а,=&+ед ['-«/О-*/)]■

При силе давления среды (?д = 2дЬ пружина полностью разгружена и

депр=аеД1=епр-

(5)

нагрузка на пружину

(6)

(7)

Следовательно, пружина разгрузится при силе давления среды

Подставив выражения (7 и 8) в уравнение (4), с учетом (3) получим значение нагрузки на уплотнительные элементы и шпильки — выражение (9):

еу=а, = 0Д1=ар/а=е3а - ¥)/«.

(9)

При силе давления среды Ол > Од] нагрузка на пружину равна ()пр = 0, а податливость пружины = со. Следовательно, коэффициент жесткости будет равен 0 и выражение (4) примет вид

б, = &, = &, при е» еу = = Од = = 0,785/,(о2 - с12). (10)

Выше даны зависимости силовых параметров от давления и конструкции. Вместе с тем, на них оказывает значение температу ра и время эксплуатации.

При изменении температуры при работе, после сборки соединения, изменение осевой нагрузки на прокладку определяют по выражению

да

}=1 )/ и=1

(П)

где индексы п относятся к прокладке, а м> и у - к охватывающим деталям соединения соответственно; Р — коэффициент термического расширения.

Заменяя И„ = ДА,, Еп I ц\\ Хп = Д/г„ / (£^„), выражение (11) примет вид

Щ={сх1Ч-с2)1(съ+сА1Ч), (12)

УУ УУ

где с, = р„ДАп£иДг/; с2 jlгjAtj ; с3 ; =А1'п/!7п ■

М М

Дифференцируем выражение (12)

Ай + су/)2 . (13)

Интегрируя уравнение (13), получим зависимость температурной нагрузки на прокладку от (¡:

да

рДО,= |[(С2С4-С1ез)/(С4+Сз<7)2]^; (14)

о <7/70

Д£>, =[(с2с4 -схсгУд,и -9„о)]/Кс4 -сз9ио)(с4 -сз</«()]- (15)

Со временем происходит релаксация нагрузки в нагруженных узлах. Скорость ее в элементах соединения оценивается по выражению

Здесь п - общее число деталей; В„(т) и т - коэффициент и показатель ползуче-

п

сти материала прокладки. При с5=Вп(т), с6 = ^ к, /)., из уравнения (16)

/=1

да =с5(/™те6. (17)

В уравнении (17) АОг является функцией двух переменных: д и т. Частные производные от этих переменных: ЗД2т/3<7 = с=>с(зтцт 'т = Л ; 5ЛОт/сЭт = = /? и

52 ДО, = дА/дх + дВ/дд = 2с5с6тдт~1. (18)

Интегрируя выражение (18), |--(¡с/с!х = И ^2с5с6тдт~1с1д 1<Л, получим

* <?.- т № ; Дй =2с5с640т-<?тт). (19)

Определенные по выражениям (15, 19) значения Д(Э, и Д0Х необходимо учитывать при расчете требуемой силы затяжки соединения по уравнению (1):

п

Q3=YT■+^пр+А&-Л»- (2°)

(=1

По уравнению (20) можно определить время работы соединения до допускаемой величины удельной нагрузки на прокладку или оценить требуемую силу затяжки шпилек при заданном времени эксплуатации.

Для определения потерь мощности на трение уплотнительных элементов а с кольцом 4 и г с нажимной втулкой 1 (рис. 2) и валом 7, находящихся под нагрузкой 0,5£?у> определяем их крутящие моменты М:

А/в= 0,2503,/^; (21)

М г = 0,250у(/дс/ср + к/с1). (22)

Сумма моментов выражения (21 и 22):

М = 0,250,, {Щ + /дс/ср + /дОср ). (23)

Потеря мощности определяется по выражению N = Л/со . (24) Подставив выражение (23) в уравнение (24), получим выражение (25):

N = 0,026и0у + /д4р + /дОср), (25)

где 0у определяется из выражений (4 или 9); / и - коэффициенты трения уплотнительных элементов по валу и кольцу -/, имеющих разную обработку.

Сальниковые набивки в основном — пористые материалы, для которых неизбежны утечки уплотняемой среды из-за проницаемости набивки. Поэтому одной из определяющих характеристик герметизирующей способности набивки является ее пористость или проницаемость.

Утечка среды и через набивку сечением (м2) носит фильтрационный характер и может быть оценена законом фильтрации Дарен.

и = KFdpl(\idh), (м3/с), (26)

где h - высота сальниковой набивки, м; ц - коэффициент динамической вязкости среды, Па с; К-опытный коэффициент проницаемости, ,\Г.

Для определения коэффициента проницаемости К исследованных нами материалов уплотнителей были использованы известные из технической литературы уравнения.

Утечку среды через один элемент ТСУ можно определить, проинтегрировав выражение (26),

U = KpF/(hvB), (27)

где р„ = 0,5810-3 Пас - коэффициент динамической вязкости воды при определенных температуре и давлении.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям работы ТСУ с одной камерой.

Опытная модель (рис. 4) состоит из нажимного фланца 1 с крепежными шпильками 2, аксиально-подвижного кольца 4, пружины 5, уплотнительных элементов а иг, фиксатора окружного смещения 6, вала 7, упора 8 для упругого элемента 5 с гайкой 9, фланца 10, закрепленного на станине установки, с приваренным к нему корпусом 11. Крепежные шпильки 2 установлены в тонкостенных втулках 12, на которых закреплены тензодатчики 13, соединенные с тензометрическим мостом 14. В дне корпуса 11 размещены отверстия для датчика температуры корпуса, подвода и отвода в соединение рабочей среды.

5 6 4 2 1

Рис. 4. Опытная модель ТСУ с двумя уплотнителями

1 — оборотная емкости

2 - ^Ьигатыв

3 — уплотнителаныо уэел

4 — насос

3 — мернаа цилиндр

6,8,9,70 — термометра 7 — монометр А — подоча Сода Б — байпссная ¿цния В — слиВ

Рис. 5. Принципиальная схема экспериментального комплекса для исследования работы ТСУ

Для исследования нами был разработан экспериментальный комплекс, представленный на рис. 5. Опытная модель ТСУ с двумя уплотнителями (рис. 4) устанавливалась в экспериментальный комплекс, закреплялась на рабочем валу двигателя 2. Далее подсоединяли трубы подвода и отвода рабочей среды и закрепляли датчики температуры и давления. После сборки стенда от-тарировали тензодатчики.

Перед проведением эксперимента отмечались показания атмосферного давления, температуры и

тензодатчиков. Создавалась нагрузка на уплотнение и отмечались показания тензо-датчиков и1д. В полость модели подавалась вода до определенного давления и отмечались показания ее температуры на входе („ и выходе из модели и температура /с корпуса.

Включали электродвигатель 2 для вращения рабочего вала 7 (рис. 4), отмечая при этом время включения. Через каждые 5 минут работы, при установлении стабильных значений, записывались показания температур и тензостанции, замерялась величина утечки воды 1!\ через уплотнение. Далее давление увеличивалось и повторялись указанные операции. При большом значении утечки жидкости иь не останавливая электродвигатель, подтягивались гайки на шпильках, и эксперимент повторялся.

Эксперименты проводились в диапазоне нагрузок на шпильки от 1360 до 2600 Н, давления уплотняемой среды от 0,02 до 0,42 МПа. Исследовались сальниковые набивки из ТРГ: Н1200 (армированная стеклонитью), Н1201 (с пропиткой из фторопластовой суспензии) и Н1100 (армированная х/б нитью).

Оценка герметичности сводилась к определению величины утечки воды в единицу времени в зависимости от ее давления р и усилия нагружения уплотнительных колец. Для каждого этапа исследования (постоянные п и р) прирост утечки на этапе делили на время продолжительности этапа.

Сравнение расчетных и опытных результатов показало расхождение значений утечки. Это объясняется тем, что расчет выполнен для неподвижного вала, а опыты проводились при его вращении со скоростью 1355 оборотов в минуту, т.е. расчет учитывает утечку только через пористую набивку, а в эксперименте утечка складывается из проницаемости через пористое тело набивки и через кольцевой зазор между валом и набивкой.

Из результатов также следует, что отношение интенсивностей роста утечки опытных и расчетных кривых примерно одинаково для всех набивок и равно для дан-

ных условий исследований в среднем 3,1. Учитывая это обстоятельство, в уравнение (27) вводим коэффициент к = 3,1:

С/ = 3,1^/(Ацв). (28)

В качестве примера, на рис. 6, 7 представлено сравнение расчетных (линия) и экспериментальных (точки) данных по утечке от давления среды для набивки Н1100 (рис. 6) и набивок Н1200 и Н1201 (рис. 7) при нагрузке 1930 Н.

и, [см3/с]

Рис. 6. Сравнение расчетных (линия) и экспериментальных (точки) данных по утечке от давления среды:

При усилии затяжки £>,= 1930 Н: 1 - Н1100

и, [см3/с]

Рис. 7. Сравнение расчетных (линии) и экспериментальных (точки) данных по утечке от давления среды:

При усилии затяжки О, = 1930 Н: 2 - Н1200; 3- Н1201

Потеря мощности определялась известным механическим способом, для чего электродвигатель, вращающий модель уплотнения, располагали с возможностью свободного осевого вращения. Фиксировался момент вращения двигателя без нагрузки и под нагрузкой — при подсоединенной опытной модели ТСУ с двумя уплотнителями. Мощность, потребляемую двигателем, определяли по моменту, умножая его на угловую скорость вращения.

Эксперимент проводился на отсоединенном от установки двигателе (получали Мв0, Nо) и с нагрузкой при работе разных уплотнителей (получали Мв, и Щ. Разность этих величин и есть, соответственно, момент и затраты мощности на трение уплотнителей. Опыты проводились при разных усилиях затяжки и давлении воды.

Потери мощности по уравнению (25) есть потери на трение сухой сальниковой набивки. При использовании в качестве уплотняемой среды воды значение коэффициента, как известно из литературы, уменьшается на 40%. Поэтому выражение (25) нужно умножить на коэффициент т) = 0,6. Кроме того, в выражении (25) не учитывается КПД муфты, возможность несоосности валов и другие неточности сборки, поэтому полученное значение по выражению (25) надо еще умножить на коэффициент 1/т|1 = 1,2. Подставляя эти коэффициенты в уравнение (25), с учетом уравнения (4) получаем

N = 0,026л'/л! "[а (" - У) + (1 )рР]{Щ + /ас1ср + /д£ср). (29)

В качестве примера на рис. 8 для сравнения представлены экспериментальные данные и данные по потере мощности в ТСУ с одной камерой, полученные экспериментально и по аналитическому выражению (29). Расхождение результатов составляет до 10%.

N. Вт

Рис. 8. Сравнение расчетных (линии) и экспериментальных (точки) данных по потере мощности от давления среды:

При усилии затяжки = 1930 Н: О -Н1100; А -Н1200; в-Н1201

При определении прироста нагрузки на шпильки 2 от осевой силы самоуплотнения их нагружали определенным усилием затяжки, затем подавали воду под определенным давлением и включали двигатель. После установившегося режима работы

определяли нагрузку на крепежных шпильках 2. Далее увеличивали давление воды и снова определяли нагрузку на шпильках 2. Испытания повторялись многократно и принималось среднее значение прироста нагрузки на шпильки.

Аналитически прирост нагрузки на шпильки от осевой силы самоуплотнения определяется по выражению

&=[1-<*/(1 -*г)\рр- (30)

Сравнение расчетных и опытных данных показало некоторое расхождение значений части осевой силы самоуплотнения, идущей на увеличение нагрузки на шпильки. Расхождение связано с расчетами, которые проводились без учета влияния реверса сил трения уплотнителей о замыкающие их поверхности, возникающего при изменении направления движения уплотнителей, на что расходуется часть осевой силы давления среды. Для учета этого влияния необходимо в выражение (30) ввести дополнительную нагрузку С, расходуемую на реверс сил трения при изменении направления движения уплотнителей:

Л2сш = [1-а/(1 -к/Ж-С. (31)

Для диапазона нагрузок от 1360 до 2600 Н принимаем С = 30...35 Н.

На рисунке 9 представлены зависимости увеличения нагрузки на шпильки от силы самоуплотнения давления рабочей среды, полученные экспериментально и расчетным путем с использованием выражения (31).

Рис. 9. Сравнение опытной (точки) и расчетной (линия) зависимости увеличения нагрузки на шпильки от осевой составляющей силы самоуплотнения: О -Н1100; А -Н1200; • -Н1201

Четвертая глава посвящена анализу работы многокамерного ТСУ.

Герметичность сальникового уплотнения с мягкой набивкой будет обеспечена при нагрузке на первое от уплотняемой среды уплотняющее кольцо не меньше, чем ее давление р, что при самоуплотнении обеспечивается всегда. Следовательно, силу затяжки набивки следует создать минимальной, но обеспечивающей полный контакт колец 3 и 4, нажимной крышки (рис. 1) с уплотнителями и поджатие пружины 5 и

равной на первом от давления среды уплотнителе, например, q. = 0,1р. Тогда в рабочих условиях qz = 1,1 р. Силы трения, возникающие при затяжке крепежных шпилек q0 и давлении уплотняемой среды р, имеют противоположные направления, но изменяются по длине набивки (увеличиваясь или уменьшаясь) на одну и ту же величину. Поэтому сумма этих сил по длине набивки z будет постоянной и минимальной, так же как и удельные осевая и радиальная нагрузки. Усилие затяжки будет

q0=0,lpexp{2KJL/b). (32)

Рассмотрим двухкамерное ТСУ. Силы трения, действующие на плавающее кольцо 3 от подвижных вала 7 и кольца 4, создают момент трения вращения Л/в, а от неподвижной стенки сальниковой камеры — момент трения торможения А/т. Скорость вращения кольца 3 спт зависит от соотношения этих моментов: со = сов (1 - Л/т/А/в). При Мт = 0, шт = со„; при Л/т > А/в, сот = 0.

Момент трения вращения при числе камер 2 и при минимальной постоянной удельной осевой нагрузке q, на набивку квадратного сечения со стороной Ь:

MB=nbq2[d2W + fa0,5{dtp+Dl)]. (33)

Момент торможения

Мт = nbqz [D2kf + 0,5/д (ос2р + с/с2р )]. (34)

Из анализа отношения Мт / Л/в следует, что оно всегда будет больше единицы, поэтому плавающее кольцо 3 не вращается, как и элементы а, б, в. Это же подтвердили и специально проведенные опыты.

Для многокамерного ТСУ при числе камер m > 2, это условие также соблюдается. Остаются неизменными концевые участки уплотнения: неподвижные нажимной фланец и стенка камеры сальника и вращающиеся кольцо 4 и вал 7 (рис. 1). Торцевые нагрузки не меняются, а радиальные одинаково изменяют и момент вращения, и момент торможения. При числе камер m больше 2, момент вращения определяется по выражению

А/в = Kbq: ¡O,5 md2Kf + /д 0,5(¿)2p + ¿c2p)]. (35)

При одинаковой удельной нагрузке осевая сила трения уплотнителей в текущей ;-й камере:

T¡ = nbq,¡kf{D + d). (36)

Тогда

Q3 -0,025рп(в2-d^mTi. (37)

При числе камер - от, уплотняющих элементов будет 2т, а колец - 3 - (т - 1).

Требуемая суммарная осевая нагрузка на нажимной фланец при сборке соединения согласно выражению (32) при общей длине набивки L = mi

Q3 = 0,025пр(в2-d2)exp(2kfL/b). (38)

Зная число камер т, по выражениям (38) можно определить Q3.

В рабочих условиях при любом числе камер qz = 1,1 р = q<¡, следовательно, осевая нагрузка на шпильках, на нажимной крышке и на последнем от нажимной крышки уплотнительном кольце будет одинаковой и равной

Qm = 0,275лр(д2 — í/2)= 0,025лр(/)2 -í/2) exp(2&/L/¿>). (39)

Утечка рабочей среды в многокамерном ТСУ определяется по полученному нами выражению (28).

В данной главе разработана и представлена методика расчета многокамерного ТСУ на основе полученных соотношений.

Пятая глава посвящена сравнению существующих подвижных уплотнений и новых типов ТСУ, при выполнении которых требования к работе пары трения упрощаются, так как одна из трущихся поверхностей - мягкая набивка из терморасширенного графита, что существенно понижает требования к точности изготовления деталей. Не требуется узел подвода смазочной жидкости, так как сама набивка обладает прекрасным смазывающим свойством с низким коэффициентом трения. Межремонтный ресурс работы новых типов ТСУ выше за счет того, что в процессе эксплуатации набивка может подтягиваться и заменяться целиком без разборки всего узла. Кроме того, сила самоуплотнения от давления среды используется в полном объеме. Все это позволяет снизить нагрузку при сборке уплотнения и обеспечить достаточно равномерную как осевую, так и радиальную нагрузку на уплотнители.

На основании проведенных исследований работы многокамерного ТСУ и полученных результатов была разработана новая конструкция уплотнения для подвижных соединений — бескамерное торцово-сальниковое уплотнение, расчет которого представлен в диссертации.

Даны рекомендации по монтажу, эксплуатации и ремонту новых типов ТСУ, где описаны последовательность подготовки уплотнительных элементов и требовательность к их материалам. В некоторых случаях уплотнители устанавливаются с натягом по внутреннему или внешнему их контуру, что влияет на усилие затяжки. Расчет натяга представлен в диссертации. При сборке уплотнения необходимо обеспечить определенное расстояние от нажимной крышки до корпуса уплотнения, так как при его сборке произойдет сжатие набивки и пружины, и на эту суммарную величину крышка сблизится с корпусом. Кроме того, надо учесть определенное расстояние между ними на подтяжку уплотнения во время эксплуатации. Здесь же даны рекомендации по выбору и материала колец, и последовательности их установки в связи с разным коэффициентом бокового давления.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ работы многокамерного торцово-сальникового уплотнения. На основе анализа установлены расчетные соотношения для определения силовых нагрузок на детали ТСУ, потерь мощности на трешге уплотнителей о замыкающие их поверхности в рабочих условиях в зависимости от конструкции, давления, температуры и свойств среды, материала набивки и силы его предварительного нагружения.

2. На основании современного представления о характере деформации кольцевых элементов под действием осевой нагрузки получены силовые зависимости для конструирования и эксплуатации ТСУ. Разработана методика расчета многокамерного ТСУ, которая используется при разработке химического оборудования в ОАО «ИркутскНИИхиммаш».

3. Установлены условия герметичности многокамерного ТСУ, получены экспериментальные зависимости и выражения для определения утечки уплотняемой среды в зависимости от ее давления и свойств, материала набивки и силы предварительного нагружения для современных набивок на основе терморасширенного графита (ТРГ) ГРАФЛЕКС Н1100, Н1200, Н1201.

Экспериментально получена зависимость прироста нагрузки на шплыш от осевой силы самоуплотнения.

4. Разработаны рекомендации по монтажу ТСУ, подбору и установке уплотни-тельных элементов в зависимости от их материала (коэффициента Пуассона) для повышения его герметичности. Для уменьшения трения кольца меньшего диаметра, контактирующие с уплотняемым валом должны иметь более низкий коэффициент трения, чем кольца большего диаметра. При увеличении числа пар уплотнительных элементов, потери мощности на трение уплотнительных элементов и снижение утечки среды происходят пропорционально числу их увеличения.

5. На основе проведенных исследований разработаны две новые конструкции уплотнений: бескамерное торцово-сальниковое уплотнение и сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидального сечения (патент РФ на полезную модель № 151887 от 18.09.2014 г.).

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Торцово-сальниковое уплотнение для вращающихся валов / В. Д. Продан, Г. Ф. Киселев, С. Д. Рязанов, М. С. Фокина // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - М., 2003.-№ 3-С. 19-21.

2. Продан, В. Д. Оценка герметичности торцово-сальникового уплотнения и трения его уплотняющих элементов / В. Д. Продан, Г. В. Божко, М. С. Фокина // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -М., 2013. -№ 3. - С. 31 - 34.

3. Фокина, М. С. Силовой анализ и методика расчета торцово-сальникового уплотнения / М. С. Фокина, Г. В. Божко // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2015. - Т. 21, № 1. - С. 156 - 165.

4. Фокина, М. С. Совершенствование уплотнений - путь к снижению выбросов в окружающую среду / М. С. Фокина, В. Д. Продан // Техника и технология экологически чистых производств : материалы V Международного симпозиума ученых, аспирантов и студентов. - М.: МГУИЭ, 2002. - С. 152 - 154.

5. Определение расчетных характеристик уплотнительных материалов / М. С. Фокина, В. Д. Продан и др. // Техника и технология экологически чистых производств : материалы VI Международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов. - М.: МГУИЭ, 2003. - С. 127-128.

6. Фокина, М. С. Исследование условий работы новой конструкции торцово-сальниковых уплотнений / М. С. Фокина, В. Д. Продан, Н. Е. Бородина // Экологические проблемы индустриальных мегаполисов : труды VI Международной научно-практической конференции. - М. : МГУИЭ, 2009. - С. 62 - 66.

7. Фокина, М. С. Оценка потерь на трение в торцово-сальниковом уплотнении / Г. В. Божко, М. С. Фокина // НЕРПО-2013 : 3-я Международная научно-техническая конференция. - М. : МГОУ им. В. С. Черномырдина, 2013. - С. 131- 134.

8. Пат. 151887 Российская Федерация. Сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидального сечения / Божко Г. В., Фокина М. С. и др. ; заявитель и патентообладатель Божко Г. В.; заявл. 18.09.2014 ; опубл. 20.04.2015, Бюл. №11.

9. Положительное решение по заявке на патент РФ на полезную модель №2014137802 от 18.09.2014 г. Фланцевое соединение / Божко Г. В., Фокина М. С. и др.

Подписано в печать 28.04.2015. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ 219

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14 Тел./факс (4752) 63-81-08, 63-81-33. E-mail: ¡zdatelstvo@admin.tstu.: