Xreferat.com » Рефераты по промышленности и производству » Розрахунок торцевих ущільнень

Розрахунок торцевих ущільнень

1 Контактний тиск у контактній парі


Умова осьової рівноваги аксіально рухомого кільця торцевого ущільнення (рис.1) має вигляд


Розрахунок торцевих ущільнень, (3)


де Fn – сила пружного елемента; Fs - сила, що обумовлена гідростатичним тиском ps у торцевому зазорі; Fc=pcSc - сила контактного тиску; Fm – сила тертя по вторинному ущільненню, яка перешкоджає зміщенню аксіально рухомого кільця в той або інший бік; F – осьова сила тиску, яка притискає аксіально рухоме кільце до опорної поверхні


F=p1S1+p2S2,


Розрахунок торцевих ущільнень

Рисунок 1 - Схема сил, діючих на аксіально рухоме кільце торцевого ущільнення


Знаки площ S1 та S2 вважатимемо додатними, якщо сили тиску, що на них виникають, збільшують контактний тиск у парі тертя (рис. 7), та від’ємними, якщо відповідні сили тиску розкривають торцевий стик. З урахуванням прийнятого правила знаків Sc = S1 + S2, а вираз для сили F можна записати у вигляді

Розрахунок торцевих ущільнень, (4)

Розрахунок торцевих ущільнень

де Розрахунок торцевих ущільнень - ущільнювальний перепад тиску;

k - коефіцієнт навантаження. Якщо S2 > 0, то k < 1 (ущільнення розвантажене), якщо S2 < 0, то k > 1 (ущільнення навантажене). Якщо протитиск не дорівнює нулю (р2 >0), то в якості ефективного коефіцієнта навантаження потрібно брати kэ = k + p2/Розрахунок торцевих ущільненьp.


Розрахунок торцевих ущільнень

Рисунок 7 - До визначення коефіцієнта навантаження


Сила гідростатичного тиску, що розкриває торцевий стик, визначається розподілом тиску у зазорі та може бути одержана підсумовуванням елементарних сил тиску за всією контактною площею Sc:


Розрахунок торцевих ущільнень,


де усереднений по зазору гідростатичний тиск

Розрахунок торцевих ущільнень

Торцевий зазор порівнюється з величиною мікронерівностей контактних поверхонь, тому теоретично визначити розподіл тиску в зазорі поки не вдається. Лише при порівняно великих зазорах Розрахунок торцевих ущільнень, відповідних рідинному змащенню та характерних для гідростатичних ущільнень, тиск у плоскому каналі змінюється від вхідного перетину до вихідного згідно із законом, близьким до лінійного:


Розрахунок торцевих ущільнень


При цьому


Розрахунок торцевих ущільнень (5)


З урахуванням гідравлічних сил рівняння рівноваги (3) можна записати у вигляді


Розрахунок торцевих ущільнень


звідки


Розрахунок торцевих ущільнень (6)


Знак сили тертя прийнятий виходячи з того, що при навантаженні вона перешкоджає зближенню контактних поверхонь. Силу пружного елемента звичайно приймають декілька більшою сили тертя, тому останній доданок у рівності (6) малий і ним, як правило, можна нехтувати. Для режиму рідинного тертя (5)

Розрахунок торцевих ущільнень (7)


тобто контактний тиск повністю визначається коефіцієнтом навантаження k та ущільнювальним перепадом тиску Розрахунок торцевих ущільнень. З останньої рівності видно, що при k < 0,5 існує небезпека розкриття торцевого стику. У зв'язку з цим для розвантажених ущільнень беруть k = 0,55-0,85, а для навантажених k = 1,1-1,2.

Для ущільнень з краплинними витоками Е. Майєр [1] на підставі узагальнення експериментальних результатів наводить діаграму (рис. 8), що характеризує якісну залежність гідростатичного тиску від середнього зазора h між мікронерівностями контактних поверхонь та від коефіцієнта навантаження за умови, що між поверхнями існують плями контакту, а сумарні деформації кілець, які вимірюються кутом Розрахунок торцевих ущільнень повороту їх перерізів, не перевищують значень Розрахунок торцевих ущільнень

Через відсутність точніших методів оцінки тиску в зазорі надалі користуватимемося діаграмою (рис. 8). В області X (область граничного тертя) Розрахунок торцевих ущільнень та


Розрахунок торцевих ущільнень (8)


В областях змішаного тертя (Y, Z) Розрахунок торцевих ущільнень будемо визначати за формулою (5), а контактний тиск - за формулою (7).


Розрахунок торцевих ущільнень

Рисунок 8 - Залежність гідростатичного тиску від величини торцевого зазору та коефіцієнта навантаження:

Х- область граничного тертя; Y, Z - області змішаного тертя

Середній зазор між шорсткими поверхнями за наявності плям контакту (рс> 0,15 МПа) можна оцінювати за формулою [1]


Розрахунок торцевих ущільнень

Розрахунок торцевих ущільнень, (9)


де К1,2 - коефіцієнти повноти або гладкості; у більшості випадків для торцевих ущільнень Розрахунок торцевих ущільнень. Індекси 1,2 відносять відповідно до поверхонь аксіально рухомого та опорного кілець. При великому контактному тиску, коли спостерігається взаємне проникнення нерівностей, точніші значення для зазорів дає формула


Розрахунок торцевих ущільнень (10)


Таким чином, за середньою шорсткістю можна визначити зазор, потім за діаграмою рисунка 8 - гідростатичний тиск, а за формулами (7) та (8) - контактний тиск.

Якщо нехтувати різницею Розрахунок торцевих ущільнень, то для режиму граничного тертя при р2=0 з формули (8) випливає, що


Розрахунок торцевих ущільнень


тобто коефіцієнт навантаження дорівнює відношенню середнього контактного тиску до ущільнювального.

2 Обчислення витоків та втрат потужності на тертя


Витоки через гідравлічно гладкий зазор h0 між двома плоскими кільцевими пластинами при ламінарній течії визначаються виразом [4]


Розрахунок торцевих ущільнень (11)


якщо Розрахунок торцевих ущільнень. Для механічних торцевих ущільнень наведену формулу не можна використовувати, оскільки значення шорсткості порівняне з невідомим середнім зазором h; крім того, на витоки впливає колова швидкість кільця, що обертається. Тому за формулою (11) можна оцінювати витоки тільки в гідростатичних торцевих ущільненнях з гарантованим саморегульованим зазором, значення якого визначається з умови осьової рівноваги кільця.

Для ущільнень, що працюють в оптимальному режимі граничного змащення (область X на рисунку 8), запропонована формула [1]


Розрахунок торцевих ущільнень


яка виправдала себе в різноманітних умовах. Коефіцієнт Розрахунок торцевих ущільнень залежить від середньої колової швидкості Розрахунок торцевих ущільнень та визначається за графіком рисунка 9. Зазор між шорсткими поверхнями необхідно обчислювати за формулами (9) або (10).

Сила тертя на поверхнях торців дорівнює fpcSc, а втрати потужності на тертя


Розрахунок торцевих ущільнень (13).

Розрахунок торцевих ущільнень

Рисунок 9 - Функція q(v)


Для режиму рідинного змащення коефіцієнт тертя визначається за (2), а втрати потужності на тертя


Розрахунок торцевих ущільнень (14)


У режимі граничного змащення коефіцієнт тертя можна визначити лише експериментально для кожної пари матеріалів та умов роботи. За даними [1], одержаними у результаті випробувань декількох сотень пар тертя при контактному тиску 0,15-20 МПа та колових швидкостях 0,01-50 м/с, коефіцієнт тертя різко зменшується при зростанні контактного тиску від 0,15 до 0,65 МПа. Для значень рс > 0,65 МПа коефіцієнт тертя даної пари матеріалів стає постійним та не залежить від колової швидкості, тиску, ширини контактних поверхонь за умови, що деформації ущільнювальних кілець малі Розрахунок торцевих ущільнень та температура в контакті не перевищує температури випаровування граничної плівки, тобто зберігаються умови граничного змащення. При цьому для різних пар матеріалів та властивостей ущільнювальної рідини стале значення коефіцієнта тертя знаходиться в межах 0,03-0,15.

У роботі [8] подібні результати одержані для силіційованого графіту СГ-Т: при збільшенні контактного тиску до 0,9 МПа коефіцієнт тертя зменшується, а потім стабілізується у межах Розрахунок торцевих ущільнень, до того ж ці значення зберігаються не тільки для пари СГ-Т по СГ-Т, але і для металокерамічного твердого сплаву ВК-4, мінералокераміки ЦН-332 та сталі 9X18, що працюють у парі з графітом СГ-Т.

На жаль, поки доводиться обмежуватися лише цими загальними зауваженнями про коефіцієнт тертя та за відсутності для кожного окремого випадку точніших експериментальних даних використовувати наближені значення із вказаного діапазону або проводити оціночні розрахунки витрат на тертя для граничних значень Розрахунок торцевих ущільнень та Розрахунок торцевих ущільнень, якщо забезпечуються умови граничного змащення.

Сумарна потужність, що витрачається на роботу ущільнень, збільшується за рахунок втрат, пов'язаних з витоками рідини Розрахунок торцевих ущільнень, та за рахунок втрат на дискове тертя. Якщо витоки відводять частину тепла від контактних поверхонь, то дискові втрати підвищують температуру рідини в камері ущільнення і тим самим збільшують загальну теплову напруженість вузла. Потужність рідинного тертя торцевої поверхні та циліндрової поверхні, що обертаються, виразимо через коефіцієнти дискового тертя [9]


Розрахунок торцевих ущільнень (15)


де R1, l - радіус та довжина циліндра; R2, R1 - зовнішній та внутрішній радіуси диска; Розрахунок торцевих ущільнень - густина рідини; c1 та с2 – коефіцієнти дискового тертя, формули для обчислення яких наведені в таблиці 4.

Коефіцієнти тертя для диска в кожусі менші, ніж для вільного диска, оскільки ядро рідини між диском та кожухом обертається з частотою, приблизно в два рази меншою, ніж частота обертання диска. Відповідно за наявності кожуха менше градієнт швидкості та сили тертя. При малій ширині торцевої камери, коли прилеглі шари на диску та кожусі стуляються, втрати на тертя збільшуються із зменшенням зазору.

Коефіцієнт втрат на тертя циліндра, що співвісно обертається усередині нерухомого циліндрового кожуха, при ламінарній течії визначається формулою Н.П. Петрова, з якої як окремий випадок можна одержати відповідні формули для малого радіального зазору та для вільного циліндра. Для циліндрів, що швидко обертаються, коли перебіг рідини навколо них стає турбулентним, значення дотичних напруг та відповідно коефіцієнтів втрат на тертя можна отримати, використовуючи закон ступені 1/7 або універсальний закон розподілу швидкостей у прилеглому шарі.

Слід зазначити, що втрати потужності на дискове тертя (15) пропорційні кубу частоти обертання ротора та при низьких частотах (до 3000 об/хв) вимірюються частками кіловата, тому облік цих втрат необхідний перш за все для високообертових машин.


Таблиця 4

Розрахунок торцевих ущільнень

3 Розрахунок теплового стану ущільнення


Потужність тертя в ущільнювальному зазорі перетвориться в тепло, яке через контактні торцеві поверхні поширюється по ущільнювальним кільцям, створюючи нерівномірне температурне поле. Нагрів контактних поверхонь істотно впливає на режим тертя: по-перше, змінюються механічні та фізичні характеристики матеріалів тіл, що труться, та відокремлювального шару ущільнювальної рідини, по-друге, кільця піддаються температурним деформаціям, що порушують рівномірність контакту в парі тертя. Надмірний нагрів приводить до випаровування рідинного шару та різкого підвищення коефіцієнта тертя, температури та зношування або до термічного розтріскування кілець та втрати герметичності.


Розрахунок торцевих ущільнень


Рисунок 10 - Теплові потоки в ущільненні


Основними задачами теплового розрахунку є оцінки максимальних температур у парі тертя та температурних деформацій кілець для того, щоб у конструкції забезпечити такі умови, при яких температури та деформації не перевищували б допустимих значень.

Розрахунок теплового стану ґрунтується на рівняннях теплового балансу, причому з рівності сумарного потоку тепла, що виділяється при роботі ущільнення, та конвективного відведення від його корпусу
(рис. 10) визначається середня температура рідини в камері ущільнення. Рівняння теплового балансу має вигляд

Nc+N1+N2=Nk+Np, (16)


де тепловідведення від корпусу


Розрахунок торцевих ущільнень (17)


а тепловідведення за рахунок витоків Q через ущільнення


Розрахунок торцевих ущільнень (18)


Тут Sk - приведена площа корпусу ущільнення, від якої відбувається тепловіддача в зовнішнє середовище; Розрахунок торцевих ущільнень - коефіцієнт тепловіддачі; с - питома теплоємність ущільнювальної рідини;

Розрахунок торцевих ущільнень - приріст її температури за рахунок тепла, що відводиться;

t1 - температура рідини усередині корпусу ущільнення;

t2 - температура зовнішнього середовища. Якщо ущільнення забезпечене примусовим охолоджуванням, то в правій частині рівняння (16) необхідно додати відповідний тепловий потік. При нормальній роботі ущільнення витоки малі (біля 10 см3/год), тому їх впливом на тепловий стан, як правило, можна знехтувати Розрахунок торцевих ущільнень

Оцінки температури в парі тертя ґрунтуються на рівнянні теплового балансу для ущільнювальних кілець та оточуючої їх ущільнювальної рідини та зовнішнього середовища (рис. 10)


Розрахунок торцевих ущільнень (19)


де Na та Nb - теплові потоки, що відводяться від кільця А, що обертається, та опорного кільця В відповідно (див. рис. 10).

Температурне поле ущільнювальних кілець у загальному випадку описується нелінійним диференціальним рівнянням другого порядку в частині похідної параболічного типу. Якщо розглядати сталий тепловий процес та не враховувати слабку залежність коефіцієнта теплопровідності від температури, то температурне поле описується рівнянням Лапласа зі складними граничними умовами. Навіть у цьому випадку чисельне розв’язання задачі для кілець складної геометричної форми пов'язане із значними труднощами, тому ефективними є методи електричного моделювання теплового стану ущільнення.

Для орієнтовної оцінки температури на контактних торцевих поверхнях спростимо задачу, взявши як розрахункову модель кілець порожнисті циліндри (рис. 11 а) з рівномірно розподіленим на контактній поверхні тепловим потоком Розрахунок торцевих ущільненьта постійними по довжині коефіцієнтами тепловіддачі циліндрових поверхонь, що омиваються ущільнювальною рідиною або зовнішнім середовищем. Слідуючи роботі [10], розглядатимемо усереднену по товщині циліндра температуру t(x). Тоді зміна температури уздовж кільця описується звичайним диференціальним рівнянням


Розрахунок торцевих ущільнень (20)


при граничних умовах


Розрахунок торцевих ущільнень Розрахунок торцевих ущільнень


де Розрахунок торцевих ущільнень Розрахунок торцевих ущільнень t2 - температура навколишнього середовища; Розрахунок торцевих ущільнень - коефіцієнт теплопровідності матеріалу кільця;

Розрахунок торцевих
    <div class=

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: