ТОРЦОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
Торцовые уплотнения принадлежат к числу контактных уплотнений. Схема торцового уплотнения изображена на рис. 654,/. На валу установлен диск а, которому не дают вращаться относительно вала торцовые зубья 6. Диск постоянно прижимается пружиной к укрепленной на корпусе неподвижной шайбе в.

 
Уплотняемая среда (жидкость, газ) может просачиваться через уплотнение в двух направлениях (указаны на рисунке стрелками): через торец диска и через кольцевой зазор между диском и валом. Просачиванию через торец диска препятствует уплотнение контактом между деталями айв; просачиванию через зазор — уплотнение резиновыми кольцами г.
Очевидно, торцовое уплотнение должно состоять из двух уплотнений: торцового и радиального.
Радиальное уплотнение работает в гораздо более легких условиях, чем торцовое, так как диск имеет крайне незначительные перемещения вдоль вала. Здесь пригодно любое уплотнение — резиновыми кольцами, разрезными пружинными кольцами, сальниками, манжетами и т. д. Просачивание через радиальный зазор можно исключить полностью, уплотнив зазор мембраной, сильфоном и т. п. (ом. рис. 658, 659).

В инвертированной схеме торцового уплотнения (см. рис. 654,11) диск а зафиксирован от вращения относительно корпуса Q помощью торцовых зубьев б. Диск постоянно прижимается пружиной к диску в, укрепленному на валу. Торцовое уплотнение достигается контактом между дисками айв, радиальное — кольцами г.
Основное достоинство торцовых уплотнений заключается в том, что износ трущихся поверхностей компенсируется перемещением уплотняющего диска в осевом направлении под действием пружины. Торцовое уплотнение обладает свойством самонрирабатываемости; при правильном выборе материала трущихся поверхностей и подводе незначительного количества смазки уплотнение может работать в течение долгого времени при хорошем состоянии поверхностей контакта, обеспечивающем надежное уплотнение.
При наличии давления в уплотняемой полости контактирующие поверхности нагружены не только силой пружины, но и силами давления. В специальных случаях используют системы, разгруженные от сил давления.
Для поверхностей трения применяют антифрикционные пары: сталь — баббит, закаленная или азотированная сталь — бронза, графитовые и угольные композиции, пластики.

В наиболее ответственных случаях применяют твердые сплавы (литые и металлокерамиче-ские) в паре друг с другом или с более мягкими материалами из числа указанных выше. Поверхности трения обрабатывают до шероховатости Ra = 0,16 -г 0,32 мкм.
Для улучшения уплотнения на поверхностях трения иногда выполняют мелкие кольцевые канавки (см. рис. 662).
Подвижные уплотняющие диски должны быть хорошо направлены по цилиндрическим поверхностям, причем должны быть обеспечены строгая перпендикулярность торцовой поверхности относительно цилиндрической направляющей поверхности, а также параллельность торцов подвижного и неподвижного дисков. Применяемая система самоустанавливающихся подвижных дисков обеспечивает более надежный контакт между уплотняющими поверхностями.

На рис. 655 изображены распространенные виды торцовых уплотнений с уплотнением радиального зазора резиновыми манжетами. В конструкции на рис. 655, / подвижный диск а зафиксирован от поворота относительно вала торцовыми зубьями промежуточной втулки б. На наружную поверхность втулки б плотно посажена резиновая манжета в, осуществляющая радиальное уплотнение; торец манжеты прижат пружиной через металлическую шайбу г к торцу диска а. Осевые перемещения диска а обеспечиваются силами упругости манжеты. Диск — самоустанавливающийся.
На рис. 655,11 приведено аналогичное уплотнение с втулкой б другой конструкции.
В инвертированной схеме (рис. 655,111) уплотняющий диск зафиксирован относительно корпуса. В случае, изображенном на рис. 655, IV, введение зегера а превращает уплотнение в самостоятельный узел (агрегати-рованный), который можно целиком установить в корпусе. На рис. 656 показано компактное агрегатированное уплотнение с применением конической витой пружины.
На рис. 657 изображены торцовые уплотнения с полной герметизацией радиального зазора с помощью резиновой гофрированной манжеты. Конструкция применима при отсутствии давления в уплотняемой полости.
 
На рис. 658 приведены торцовые уплотнения с герметизацией радиального зазора сильфо-нами; в уплотняющие диски встроены вставки из синтетического материала. Уплотнения агрегатированы: уплотнение / — установкой кольцевого стопора а, уплотнение // — ограничительного штифта а, входящего в прорезь на диске. Концы сильфона заделывают обычными способами — с помощью колец б.
На рис. 659 показано мембранное торцовое уплотнение агрегатированного типа; на рис. 660, 661 — торцовые уплотнения с герметизацией радиального зазора сальниками.
В конструкции на рис. 660 сальники работают в незатянутом состоянии. Совершеннее конструкции с сальниками, постоянно затягиваемыми пружиной (рис. 661,/, Я).
В конструкции на рис. 662, /, // герметизация радиального зазора достигается с помощью манжет.
На рис. 663,1,11 показано уплотнение с герметизацией радиального зазора резиновыми кольцами, на рис. 664 — разрезными пружинными кольцами. На рис. 665 изображено торцовое уплотнение с разгрузкой диска от сил давления в уплотняемой полости. Конструкция требует применения ступенчатого вала; наружный и внутренний диаметры ступеньки должны быть соответственно равны наружному и внутреннему диаметрам уплотняющей поверхности.
В ряде случаев достаточно применения простейших торцовых уплотнений в виде пластмассового диска, устанавливаемого в замкнутой кольцевой полости и прижимаемого к стенкам полости действием разности давлений по обе стороны уплотнения (рис. 666,1,11) или пружины (рис. 666,111). На рис. 667 изоб-
 
ражены многодисковые уплотнения /, II подобного типа со сжатием дисков пружинами.
В торцовом уплотнении (рис. 668) с зафиксированной в корпусе втулкой а, нагруженной пружинами, радиальное уплотнение обеспечивается кольцевыми канавками на наружной и внутренней поверхностях втулки.
В конструкции на рис. 669 уплотнение осуществляется двумя втулками, разжимаемыми пружинами. Втулки зафиксированы друг относительно друга штифтами и свободно «плавают» на валу. Лучше конструкция, показанная на рис. 670, где втулки смонтированы в кольцевом неподвижном корпусе; уплотнение по валу осуществляется цилиндрическими поверхностями втулок. К правой втулке подводится давление, более низкое по сравнению с давлением перед уплотнением.
В конструкции на рис. 671 втулки разжимаются браслетной пружиной, действующей на конические наружные поверхности втулок.

КОМБИНИРОВАННЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Для повышения надежности устанавливают последовательно два (и более) уплотнения разного вида. Некоторые виды уплотнений хорошо взаимосвязываются друг с другом и встраиваются в один узел без значительного увеличения габаритов.
Часто применяют сочетание отражательного диска с маслоотгонной резьбой (рис. 672) или с разрезными пружинными кольцами (рис. 673). Целесообразно сочетание маслоуло-вительных устройств на внутренней стороне уплотнения и фетрового кольца (рис. 674, 675) или манжеты (рис. 676) на наружной. Первые улавливают масло, вторые предупреждают проникновение пыли и грязи извне. Даже простая защитная шайба (рис. 677) увеличивает надежность уплотнения и повышает срок его службы.

На рис. 678 показано сочетание отражательного диска с манжетой. Особенность конструкции состоит в том, что манжета смонтирована на отражательном диске и вращается с ним; гребешок манжеты работает по неподвижной втулке корпуса маслоуловителя. Конструкция обеспечивает надежное уплотнение во время работы и остановки машины: во время остановки уплотнение осуществляется манжетой, при пуске машины — отражательным диском, манжета под действием центробежных сил отходит от втулки и практически не работает.

УПЛОТНЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ КАМЕРОЙ

Уплотнение масляных полостей вызывает большие трудности в случае, когда давление в полости значительно превышает давление за уплотнением (например, уплотнение коробки приводов, примыкающей к всасывающей полости центробежного компрессора). В этих условиях уплотнения, даже контактные, не могут часто остановить просачивание масла из полости высокого давления в полость низкого
 
давления. Масло проникает в полость в виде масляного тумана, проходящего вместе с воздухом через уплотнение.
Радикальным средством является применение двойных уплотнений, разделенных промежуточной камерой, в которую подводится воздух (суфлер ные уплотнения).

На рис. 679 показаны варианты применения этого способа.
На рис. 679, / приведена исходная схема. Давление в полости А превышает давление в смежной полости Б. Под действием разности давлений воздух перетекает из полости А в полость Б, увлекая за собой масло. Эпюр давлений вдоль уплотнения изображен в нижней части рисунка.
В схеме на рис. 619,11 в промежуточную камеру между уплотнениями подведен воздух под давлением рд, равным давлению в уплотняемой полости А. Если в полости А давление атмосферное (а в полости Б — вакуум), то достаточно сообщить промежуточную полость с атмосферой. Очевидно, в этом случае перетекание воздуха через левое уплотнение прекращается. При ртсутствии разности давления любое уплотнение (контактное или бесконтактное) предупреждает проникновение масла в промежуточную полость. Хотя и имеет место перетекание через правое уплотнение, но здесь из промежуточной камеры в полость Б поступает чистый воздух без масла.
Еще более эффективно действует уплотнение, если в промежуточную камеру подвести воздух под давлением pg, превышающим давление в полости А (рис. 619,111). В данном случае воздух перетекает из промежуточной камеры в полость А навстречу направлению возможного проникновения масла. В полость Б через правое уплотнение перетекает чистый воздух. Проникновение масла через уплотнение совершенно исключается. Однакоэтот способ требует постороннего источника повышенного давления.
На рис. 680, 681 представлены примеры суфлерных уплотнений.

Логическим следствием способа уплотнения подводом атмосферного воздуха является полное разделение уплотняемых полостей воздушным промежутком. Этот способ широко применяют для подшипниковых узлов, расположенных в непосредственной близости от полостей, находящихся под вакуумом. Подшипники в отдельных корпусах устанавливают на большем или меньшем расстоянии от вакуумной полости, уплотняя с одной стороны корпус подшипника, а с другой — вакуумную полость обычными уплотнениями контактного или бесконтактного типа.

ЛАБИРИНТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Лабиринтные уплотнения применяют для уплотнения полостей, заполненных газом и паром. Действие их основано на торможении (завихрении) газа в узкой кольцевой щели с последующим расширением в смежной кольцевой камере большого объема. В кольцевой щели давление преобразуется в скоростной напор; по выходе газа из щели давление восстанавливается, но только частично; часть давления расходуется на необратимые потери при завихрении-расширении. Чем больше эти потери (т. е. чем меньше сечение щели и острее образующие ее кромки), тем меньшая доля давления восстанавливается в камере и, следовательно, тем эффективнее работает уплотнение.
Последовательной установкой ряда камер, разделенных узкими щелями, достигают существенного уменьшения перетекания.
 
Лабиринтные уплотнения применяют при" высоких окружных скоростях и температурах, когда исключена возможность установки контактных уплотнений. Лабиринтные уплотнения могут работать практически при любых скоростях и высоких температурах.
Схема действия лабиринтного уплотнения показана на рис. 682. Лабиринтное уплотнение отделяет полость А с повышенным давлением Рд от полости Б с пониженным давлением pg.
 

Рис.    682.    Схема    действия    лабиринтного уплотнения
При перетекании газа через первую кольцевую щель возникает большая скорость, которая в кольцевой камере падает почти до нуля. В камере устанавливается давление, пониженное по сравнению с давлением в полости А в результате потерь на вихреобразование в зазоре. Так как удельный объем газа в камере больше удельного объема в полости А, а количество перетекающего в единицу временигаза в силу неразрывности потока такое же, то скорость во второй кольцевой щели должна быть выше, чем в первой, а в каждой последующей щели выше, чем в предыдущей. Вследствие этого перепад давления между смежными камерами возрастает от ступени к ступени.
При высоких перепадах давления и большом числе ступеней в одной из щелей может установиться критический перепад давления; скорость газа достигает скорости звука. Все последующие ступени в таком уплотнении излишни, так как они не уменьшают критической величины истечения, равной произведению скорости звука на площадь сечения щели. Число ступеней лабиринтного уплотнения определяется термодинамическим расчетом.
Лабиринтное уплотнение не может полностью исключить истечение газа. Напротив, непрерывное движение газа вдоль лабиринта лежит в основе принципа действия лабиринта и является непременным условием его функционирования. Лабиринт может только ослабить поток газа через уплотнение.
Исключение представляет случай, когда давление в уплотняемой полости циклически колеблется от максимума до нуля. В данном случае волна газа, устремляющаяся в уплотнение, обладает ограниченным запасом энергии, который может быть полностью рассеян в уплотнении. В этих условиях лабиринтные уплотнения могут обеспечить практически полную герметичность.
На рис. 683 изображены (в порядке возрастающей эффективности) формы лабиринтных
уплотнений.

На рис. 683,/ показана простая гладкая щель; введение выступов (рис. 683, II —IV) значительно (в 2 — 3 раза) снижает расход газа при той же длине уплотнения и при том же минимальном зазоре s.
В лабиринтах на рис. 683, II — IV невыгодно используются осевые габариты. Предпочтительнее применять вместо выступов тонкие и высокие гребешки, позволяющие разместить на единицу длины уплотнения большее число камер нужного объема. Кроме того, тонкие перегородки с острыми кромками, вызывая увеличение потерь при завихрении газа, способствуют повышению эффективности уплотнения.
На рис. 683, К изображены гребешки, выполненные в корпусе, на рис. 683, VI — на валу. Кромки гребешков заостряют фаской, направленной навстречу потоку газа; на рис. 683, VII показаны гребешки е двойной фаской, приспособленные для двустороннего уплотнения. Дальнейшего повышения эффективности достигают наклоном гребешков навстречу потоку газа (рис. 683, VIII, IX). Конструкция с наклонными гребешками в корпусе (рис. 683,IX) обладает ценным свойством: при случайном касании о вал гребешки, нагреваясь, раскрываются, отходя от поверхности вала и тем самым предупреждая дальнейшее нарушение нормальной работы.
На рис. 683, X показана конструкция, в которой сочетаются гребешки и выступы. Эта конструкция применима при осевой и радиальной сборках. Радиальная сборка (с разъемом корпуса в меридиональной плоскости) значительно расширяет конструктивные возможности лабиринтных уплотнений. На рис. 683, XI показан лабиринт, у которого гребешки вала заходят в гребешки корпуса; здесь поток газа многократно меняет направление, отчего эффективность уплотнения увеличивается. На рис. 683,XII — XV показаны сложные лабиринты с радиальной сборкой.
При жестких требованиях к осевым габаритам лабиринты развивают в радиальном направлении', выполняя их из двух дисков, один из которых вращается, другой неподвижен; диски снабжают торцовыми гребешками, перекрывающими друг друга (рис. 684, /, Л). В конструкциях на рис. 684,111,1 V гребешки обладают свойством самораскрываться при нагреве. Уплотнение на рис. 684, V развито в радиальном и осевом направлениях. Косые лабиринты на рис. 684, VI—IX состоят из двух конических дисков с гребешками или ступеньками. В конструкциях на рис. 684, VII—IX гребешки — самораскрывающиеся.

Для увеличения эффективности уплотнения зазор между гребешками и валом должен быть минимальным, однако он не может быть меньше суммы, полученной при сложении радиального зазора в подшипниках вала, отклонений поверхности вала от геометрического
 номинала, отклонении от соосности подшипников вала и корпуса уплотнения, а также упругого прогиба вала при работе. Практически радиальный зазор в уплотнениях малого и среднего диаметров делается равным 0,05-0,20 мм.
Возможность повреждения при касании неподвижных и вращающихся элементов уплотнения при радиальной сборке предупреждают приемом, показанным на рис. 685. Неподвижная часть лабиринта состоит из нескольких секторов с Т-образным шипом, вводимым в кольцевой паз корпуса; секторы прижимаются к цилиндрической поверхности паза пластинчатыми пружинами а. При «цепляний» за вал секторы, преодолевая сопротивление пружины, несколько отходят в радиальном направлении, предупреждая повреждение гребешков.
Иногда кромки гребешков выполняют очень тонкими (толщиной 0,1—0,2 мм) и делают зазор в уплотнении заведомо уменьшенным с тем, чтобы в эксплуатации минимальный зазор устанавливался сам собой в результате обминания и подгорания кромок гребешков от соприкосновения с вращающимся валом. Если гребешки достаточно тонкие и выполнены из мягкого металла, а поверхность вала имеет повышенную твердость, то при этом процессе не повреждается вал. Зато в уплотнении автоматически устанавливается минимальный зазор, какой только допускается фактическими условиями работы.
На рис. 686 представлены способы крепления гребешков в корпусах. В конструкциях на рис. 686,/,// гребешки с промежуточными втулками и Г-образные гребешки завальцо-ваны в корпус (уплотнение предназначено для осевой сборки); в конструкции на рис. 686,111 полукольцевые гребешки с шипами вмонтированы в кольцевые канавки разъемного корпуса. На рис. 686, IV показано крепление гребешков в корпусе из пластичного металла развальцовкой материала корпуса; на рис. 686, V, VI — развальцовкой кольцевых или сегментных вставок из мягкого металла; на рис. 686, VII, VIII — крепление штампованных гребешков развальцовкой проволоки из мягкого металла (уплотнения на рис. 686, Ш - VIII предназначены для радиальной сборки).
   

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Гидравлическое центробежное уплотнение (рис. 687) состоит из крыльчатки, вращающейся в замкнутой кольцевой полости, в которую залита уплотняющая жидкость (масло, вода и т. д.). Центробежной силой жидкость прижимается к периферии полости. Если с одной стороны на уплотнение действует давление, то
 
жидкость занимает в полости положение, показанное на рис. 687. Разность центробежных сил, действующих на жидкость с одной и с другой стороны крыльчатки, определяет давление (МПа), которое держит уплотнение:

где о) - угловая скорость крыльчатки, рад/с; р - плотность жидкости, кг/м3; D2 и £>, -диаметры колец жидкости по одну и другую сторону крыльчатки, мм.
Максимальное давление, удерживаемое уплотнением (предельный случай, когда почти вся жидкость переходит на одну сторону крыльчатки),
 
где   D0   и   d0 — соответственно   наружный   и внутренний диаметры крыльчатки, мм.
 
где Ъ — ширина лопаток крыльчатки, мм. Следовательно,
 
Минимальный необходимый  объем жидкости, который должен быть залит в уплотнение,

Гидравлические уплотнения могут выдерживать довольно значительные давления. Например, уплотнение с крыльчаткой диаметром около 200 мм при частоте вращения 2000 об/мин (уплотняющая жидкость — масло) выдерживает избыточное давление около 0,3 МПа. Применяя тяжелые жидкости, например ртуть, можно довести давление в рассматриваемом случае до 5 МПа.
В конструкции гидравлического уплотнения должна быть предусмотрена циркуляция уплотняющей жидкости с отводом теплоты, выделяющейся при вращении крыльчатки. В противном случае уплотняющая жидкость перегревается через короткое время работы.

УПЛОТНЕНИЕ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНО ДВИЖУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ

Уплотнение штоков
 
Рис. 688. Уплотнение штока сальником
Возвратно-поступательно движущиеся поршневые штоки, скалки насосов и т. д. уплотняют чаще всего сальниками (рис. 688, а также см. рис. 609) с набивкой из материала, соответствующего условиям работы уплотнения.

Рис.    690.    Сальник,   с    металлическими    пружинно-затяжными кольцами
При невысоких давлениях и температурах (штоки гидравлических, пневматических и вакуумных цилиндров) применяют уплотнение резиновыми кольцами, устанавливаемыми в выточки корпуса (рис. 689).
В условиях высоких давлений и температур применяют сальники с металлическими пружинно-затяжными кольцами (рис. 690). Уплотнение состоит из набора чередующихся конических и обратно-конических колец. При затяжке наружные кольца упруго расширяются, прилегая к поверхности корпуса, внутренние кольца сжимаются, уплотняя поверхность вала.
Наружные кольца должны быть менее жесткими, чем внутренние, и прилегать при затяжке к поверхности корпуса ранее, чем выберется зазор между внутренними кольцами и валом. Зазор между внутренними кольцами и валом регулируют затяжкой. При неосторожном обращении уплотнение легко перетянуть до полного заклинивания штока.
Угол а наклона образующих конической поверхности (рис. 691) должен быть больше угла трения во избежание самозаклинивания колец. В существующих конструкциях а составляет 12-20°.
На рис. 692, / - III показаны различные формы колец. Кольца на рис. 692,111 отличаются повышенной податливостью. Для увеличения податливости кольца иногда делают разрезными, однако эффективность уплотнения при этом снижается.
Кольца изготовляют из пружинной стали и подвергают закалке и среднему отпуску. В ответственных случаях кольца изготовляют из бериллиевой бронзы.
 

Уплотнение сегментными кольцами. Сегментные металлические кольца — это кольца, разделенные в радиальном направлении на несколько частей (обычно на три). Такое уплотнение сложно в изготовлении и требует тщательного монтажа, но оно надежно и способно выдерживать весьма высокие давления и работать при высоких температурах.
Кольцо (рис. 693) состоит из трех частей, соединенных друг с другом в паз и стягиваемых браслетной пружиной. Кольцо в сборе заключают в кольцевой корпус и устанавливают на вал. Под действием давления в уплотняемой полости кольцо прижимается одной стороной к стенке корпуса; рациональное уплотнение достигается стяжкой кольца на валу браслетной пружиной. Для улучшения уплотнения на внутренней поверхности колец проделывают лабиринтные канавки. Кольца обычно применяют в многорядной установке.
 
Рис.    693.    Уплотнение    сегментными    кольцами    со стяжкой кольца браслетной пружиной
На рис. 694 изображена парная установка колец в общем корпусе. Кольца зафиксированы относительно друг друга штифтами так, что стыки одного кольца приходятся против целых участков другого; кроме тою, кольца зафиксированы от вращения в корпусе (такую установку колец применяют также для уплотнения вращающихся валов).
В случае, приведенном на рис. 695, кольца зафиксированы штифтами относительно друг друга и могут свободно вращаться в корпусе; торцовое уплотнение достигается прижимом колец к стенкам корпуса действием разжимных пружин. Парные блоки, подобные изображенным на рис. 694, 695, могут выдерживать избыточное давление 1,0—1,5 МПа.
В конструкции на рис. 696 разрезному кольцу придана коническая форма; кольцо установлено в -двух обоймах и прижимается к валу торцовыми пружинами.

На рис. 697 показана парная, а на рис. 698 — строенная установка колец. В конструкции на рис. 699 разрезные конические кольца а, 6 заключены в разрезное кольцо в Т-образного сечения; блок колец сжимается коническими обоймами г, д. Многорядные установки таких блоков могут выдерживать давление в несколько десятков МПа.
Кольца выполняют из кованой бронзы, иногда с заливкой баббитом. Поверхности вала и корпусов должны быть закалены или азотированы. Шероховатость трущихся поверхностей не более Ra = 0,63 -f- 1,25 мкм. Следует обязательно подводить к трущимся поверхностям небольшое количество смазки.

Текст сканировал и распознавал Mr.Stitch

Картинки фоткал на цифру Magnum