Технические науки. №3.

Абрамова Л.Н.

Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск

Повышение работоспособности уплотнительных устройств в металлургических машинах

Современные металлургические машины оснащаются гидросистемами, включающими гидроцилиндры, гидромоторы, гидроаппаратуру, гидролинии. Чаще всего применяется масляный гидропривод, отличающийся надежностью, долговечностью, наличием серийно выпускаемой гидроапаратуры, насосов. Принципиальной особенностью гидропривода, работающего на минеральных маслах, являются высокие требования к уплотнительным устройствам, предотвращающим утечки масла в окружающее пространство. По данным некоторых исследователей [1, с.174] неисправности гидравлических устройств из-за потери герметичности составляют в %: насосы, 50; фильтры, до 23; силовые цилиндры, до 42; шланги, до 68; гидроаппаратура контрольно-распределительная, до 26; арматура, до 17. Эти данные доказывают актуальность работ, направленных на повышение надежности уплотнительных устройств, особенно на подвижных цилиндрических сопряжениях – штоках, поршнях, плунжерах гидравлических цилиндров, насосах, гидромоторах и т.п.

Уплотнения, применяемые в гидропневмосистемах металлургических машин, характеризуются большим разнообразием. Они отличаются по видам применения в оборудовании (разъемные, неразъемные, подвижные, неподвижные, уплотнения вращательного, возвратно-поступательного, сложного винтового движения), по применяемым материалам (металлические, эластичные, металлокерамические, композитные и т.п.). Наиболее общими признаками классификации уплотнений можно выделить два типа (по характеру уплотняемых поверхностей): уплотнения торцовые и цилиндрические. Торцовые уплотнения выполняются по плоской, конической, сферической и другим поверхностям, и их действие основано на прижатии уплотняемых поверхностей, внедрении одной поверхности в другую (врезание, местное смятие), создании гидродинамического эффекта при вращении элементов уплотнений.

Наибольшее применение имеют уплотнения цилиндрических поверхностей. Их действие основано на создание минимально возможного зазора между уплотняемыми поверхностями (притирка в золотниках, поршнях и плунжерах насосов и гидромоторов) или заполнении зазора различного типа эластичного материала (резины, полиуретаны, пластмассы, сальниковые набивки, кожа и т.п.). Для повышения работоспособности уплотнений создают комбинированные уплотнения, состоящие из уплотнений нескольких типов.

Следует отметить, что для обеспечения нормальной работоспособности цилиндрических уплотнений в большинстве машин допускается определенная, желательно контролируемая протечка жидкости через уплотнение, что обеспечивает смазку трущихся поверхностей, снижение их температуры, защиту от попадания абразивов, некоторую компенсацию эксцентричного нагружения штоков цилиндров.

Поэтому одним из перспективных цилиндрических уплотнений можно считать гидродинамические уплотнения с деформируемой втулкой и частичным отводом жидкости [2, с.158]. Такие уплотнения предназначены для запирания жидкости давление до 100 МПа в подвижных соединениях при длительной непрерывной работе, что характерно для многих металлургических машин. Через гидродинамическое уплотнение заранее предусматривается протекание малого объема жидкости, которое отводится в бак гидросистемы. В уплотнении для регулирования объема утечки жидкости используется разность наружного (постоянного) и внутреннего (переменного по длине) давлений на поверхностях металлической втулки (грундбуксы). Величина давления на внешней поверхности определяется отверстием в стенке втулки. Отверстие размещается на расстоянии 2/3 – 3/4 общей длины втулки от торца, где действует рабочее давление. Уплотнение испытано, исследовано для уплотнения штоков и поршней гидроцилиндров [2, с. 170].

Недостатком такого уплотнения является невозможность регулировки давления на внешнюю поверхность втулки в процессе работы уплотнения, что необходимо для: регулирования утечек жидкости в связи с ее нагревом и снижением вязкости; возможности применения жидкости, отличающейся по вязкости от первоначально предполагаемой; компенсации износа внутренней поверхности втулки и увеличении зазора. Другим недостатком является невозможность обеспечения давления жидкости на внешнюю поверхность втулки большего по величине, чем рабочее давление в гидросистеме. Регулировка давления на внешнюю поверхность втулки в широком диапазоне позволяет обеспечить больший начальный зазор между уплотняемыми поверхностями (сейчас он рекомендуется около 0,05 мм на диаметрах до 75 мм), что снижает стоимость изготовления и дает возможность применять подобные уплотнения на больших диаметрах.

Разработаны схемы и конструкции устройств для регулирования давления на внешнюю поверхность уплотняющей втулки, методики расчета управляющего давления, схемы автоматического регулирования величины утечек и подачи скорректированного давления на внешнюю поверхность уплотняющей втулки.

Расчет деформации втулки, нагруженной постоянным внешним и переменным по длине втулки внутренним давлением, приводится в [2,с.168] по формулам Ляме, при этом получены довольно сложные зависимости между параметрами втулки. В данной работе зависимости упрощены и доведены до вида, удобного для использования, в том числе и для расчетов на ПЭВМ. Например, величина предельного давления (Р_пред) на внешнюю поверхность втулки, при котором зазор между втулкой и плунжером становится равным 0, имеет вид:

где d₀ - начальный зазор между плунжером и втулкой;

Е - модуль упругости материала втулки;

К ¢ - коэффициент, учитывающий влияние возможного эксцентриситета, на основании опытных данных К¢»0,5 [2,с.168];

здесь r_н - наружный диаметр втулки;

r_в - внутренний диаметр втулки (наружный диаметр плунжера).

Составлена программа расчета утечек жидкости (минерального масла и воды для различных диаметров плунжеров от 10 до 2000 мм) при различных величинах зазоров и программа определения величин зазоров при различных значениях давления жидкости на внешнюю поверхность уплотняющей втулки. Величина предельного давления, при котором зазор между плунжером и втулкой становиться равным 0, зависит от соотношения ее радиальных размеров, материала втулки и начального зазора между втулкой и плунжером.

Разработанная методика и конструктивные схемы позволяют проектировать высоконадежные уплотнительные устройства подвижных цилиндрических пар для гидравлических устройств металлургического и другого оборудования.

Перечень ссылок

1. Комаров А.А. Надежность гидравлических систем. – М.: Машиностроение,

1969. – 235 с.

2. Макаров Г.В. Уплотнительные устройства. – Л.: Машиностроение, 1973.-

232с.