» » Уплотнения из полимерных материалов

Уплотнения из полимерных материалов

30.08.2016

Долговечность и КПД центробежных насосов во многом зависят от конструктивного исполнения и материала поверхности трения межсекционных уплотнений 4,5 (см. рис. 11.5). В настоящее время межсекционные уплотнения для шахтных насосов изготавливаются главным образом из чугуна и представляют собой кольцо с буртом (рис. 11.8, а), запрессовываемое по наружному диаметру в корпусную деталь, а по внутреннему обеспечивающее скольжение по валу ротора (см. рис. 11.5). Внутренняя поверхность уплотнения является наиболее изнашиваемой, определяющей техническое состояние насоса. Применение износостойких пластмасс для изготовления таких уплотнений может значительно повысить технико-экономические характеристики насосов.
Применяемые уплотнения

Кольцевые уплотнения в виде жестких (чугунных или стальных) колец допускают значительный радиальный зазор — до 0,15—0,2 мм, который должен предотвратить металлический контакт с поверхностью вала из-за возможного эксцентриситета ротора в расточках или его биения при динамической неуравновешенности. При сохранении таких зазоров величину утечки можно значительно уменьшить при помощи различных конструктивных мероприятий: применением многощелевых уплотнений, нарезанием на поверхностях уплотнений или вала специальных спиральных канавок, применением лабиринтных или с плавающим кольцом уплотнений и др. Однако в таких случаях возрастают потери мощности, т. е. теряется экономическая целесообразность.
Уплотнения из полимерных материалов

Эффект от применения уплотнения должен складываться из суммы эффективности отдельных показателей, главными из которых являются стоимость изготовления, надежность в работе и выигрыш в гидродинамике.
Уплотнения в виде жестких стальных или чугунных колец имеют, как было указано, значительные начальные зазоры, что ухудшает характеристики насосов. Кроме того, они не отличаются коррозионной стойкостью и срок их службы, особенно при работе насосов на кислотных водах, оказывается невысоким. В последних случаях задача повышения долговечности уплотнений не решается экономически эффективно даже за счет применения хромоникелевых сталей или гуммирования слоем резины, как это делается для тех насосов 5МС-7, которые предназначены работать на откачке кислотных вод.
Изготовление уплотнений из коррозиестойкого материала АГ-4В путем его горячего прессования также не оправдано, так как такие материалы имеют невысокую стойкость к гидроабразивному износу и кавитации.
Новые конструкции и технология изготовления уплотнений из полимеров

В процессе изыскания разработано и исследовано несколько видов уплотнений как целиком из полимерных материалов (рис. 11.8, а), так и основанных на сочетании стальных колец с полимерной облицовкой (металлополимерные уплотнения, рис. 11.8, б — д).
Для металлополимерных уплотнений харктерно наличие наружной металлической обоймы 1 с буртом, которая запрессовывается в корпусную деталь насоса. Рабочий слой 5 износостойкого полимера (полиэтилен, полиуретан, резина) закреплен на несущей обойме при помощи сквозных отверстий 3 в последней, которые соединяют рабочий слой с опорным слоем полимера 2, расположенным в кольцевой канавке на наружной поверхности обоймы. Кроме того, несущая обойма снабжена торцевыми проточками 4, предупреждающими отслаивание периферийных областей полимера.
Кольца типов а—б предназначены для замены существующих и имеют аналогичные конструктивные размеры. Толщина рабочего слоя не превышает здесь 1,5—2 мм. Основное назначение этого типа колец — повышение долговечности уплотнительного узла шахтного насоса. Такие кольца предназначены в качестве запасных частей к насосам, находящимся в эксплуатации.
Кольца типов в—д устанавливаются на насосы с радиальными зазорами 0,04—0,07 мм. Их назначение — повысить характеристики насоса за счет резкого снижения переточек между ступенями и служить дополнительными упругими опорами роторов многосекционных высокооборотных насосов. Кольца типов в—д снабжены, кроме того, промежуточными металлическими втулками 7 с радиальными сквозными отверстиями и торцевыми проточками. Втулки являются армировкой рабочего слоя полимера толщиной 1,5—2 мм. Кольцо типа д обладает высокой радиальной и осевой податливостью за счет наличия упругой диафрагмы 6. Для уменьшения концентрации напряжений полимера на кромках сквозных отверстий и предупреждения щелей из-за отслаивания полимера в результате усадки от стенок обоймы и втулки часть диафрагмы заполняет кольцевые проточки 2.
Металлополимерные уплотнительные кольца изготавливаются методом литья под давлением, что многократно сокращает технологический цикл по сравнению с методом гуммирования, а также увеличивает надежность крепления слоя полимера на металлической подложке. Специально разработанная универсальная литьевая форма дает возможность изготавливать кольца для всех типов выпускающихся промышленностью шахтных насосов главного и участкового водоотлива. Матрица этой формы имеет кольцевую камеру, дающую возможность размещения колец с наружным диаметром до 250 мм и внутренним диаметром до 35 мм; ширина колец может достигать 45 мм.
В разработанной форме можно изготавливать также полностью полимерные уплотнения, без жесткого армирования в виде стальных колец. Метод изготовления таких колец двухоперационный.
Первая операция — изготовление предварительной заготовки, которая представляет собой уплотнение с минусовым (по сечению) допуском (около 0,5 мм на сторону). Такое промежуточное уплотнение после изготовления литьем из термопластов в значительной степени теряет свою форму и точность размеров из-за усадки материала. Вторая операция — окончательное изготовление уплотнения, которое получается допрессовкой материала на заготовку. В связи с незначительной толщиной дополнительного слоя абсолютная усадка на этот размер получается незначительной, а относительная — на всю площадь сечения — пренебрежимо малой и вполне допускаемой для обеспечения назначенных допусков по размерам и форме поверхности.
Основным достоинством цельнополимерных уплотнений является технологичность их изготовления, обусловленная главным образом отсутствием операций, связанных с предварительным изготовлением металлических колец. Именно этот фактор стал решающим при выборе новой долговечной конструкции уплотнения для шахтных центробежных насосов.
Металлополимерные уплотнения типов в—д, помимо своего основного назначения, могут также выполнять функции подшипников скольжения; действительно, в данном случае, как и в подшипниках, имеют место вращения вала во втулке с малыми радиальными зазорами, которые заполнены жидкостью, прокачиваемой между герметизируемыми камерами. Работоспособность таких подшипников определяется в основном удельной нагрузкой, допустимая величина которой зависит от скорости вращения, величины биения ротора, жесткости (податливости) опор, типа смазки, величины радиального зазора, материала поверхностей трения.
В рассматриваемом случае наиболее благоприятные условия возникают при наличии минимального зазора, что объясняется уменьшением размера фракции твердых частиц, а следовательно, и абразивного износа. Кроме того, в связи с малой вязкостью воды создание гидродинамического клина эффективнее при малых зазорах.
Благодаря сравнительно малому модулю упругости полимерные материалы допускают значительное перемещение вала под нагрузкой при значительных по сравнению с их пределом прочности напряжениях. При этом подшипники хорошо работают даже в условиях недостаточной смазки (полусухое трение), а их работоспособность определяется прочностью пластмассового вкладыша в заданных условиях эксплуатации.
Помимо суммарного эффекта, получаемого от уменьшения зазора, полимерные и металлополимерные уплотнения дают возможность варьирования жесткостью упругой опоры. Поскольку нагрузка на подшипник зависит от податливости опоры, последнее обстоятельство можно использовать для повышения работоспособности пары трения. Кроме того, возможность варьирования упругостью опор позволяет улучшить динамическое состояние вала ротора, в частности для насосов с гибкими валами (типа 4МС-10) перейти в зарезонансный режим.
Использование уплотнений в качестве промежуточных упругих опор позволяет также избежать вредных последствий вибрации, возникающих в условиях эксплуатации насосов вследствие дисбаланса и других явлений. В некоторых случаях упругие дополнительные опоры могут также играть роль демпфера для гашения случайных колебаний, которые могут возникать при разгоне машины или неблагоприятном изменении режима работы насоса. Эффект применения «демпферных опор» сложной конструкции известен по применению, например, в газовых турбинах.
Рассмотрев различные виды полимерных и металлополимерных уплотнений, можно считать, что лучшее уплотнение зазора и повышение работоспособности ротора обеспечивают элементы с «жестким центром» — типов в—д (рис. 11.8). Наличие внутренней армирующей втулки в этих уплотнениях способствует нагружению упругого элемента без существенного изменения зазора, что предохраняет трущиеся поверхности колеса и уплотнительного кольца от попадания в них абразивных частиц. Поэтому, несмотря на несколько большую нагруженность пары трения за счет уменьшения угла контакта и увеличения радиальной жесткости опоры в целом, применение упругих уплотнений является мерой рациональной, обеспечивающей необходимую работоспособность соответствующих узлов шахтных центробежных насосов.