Повышение герметизирующей способности манжет комбинированием с магнитожидкостным уплотнением

Развитие современного машиностроения предъявляет все более жесткие требования к различным устройствам как в новых областях техники (атомная энергетика, космонавтика), так и в традиционных (автотранспортное машиностроение, станкостроение и др.).

В последние двадцать лет практический интерес вызывают исследования технических устройств с применением нетрадиционных уплотнительно - смазочных материалов, таких как магнитные жидкости (МЖ). манжетный уплотнение герметичный смазочный

МЖ состоит из коллоидных частиц магнетита, теоретически имеющих шарообразную форму (диаметр ), покрытых слоем поверхностно-активного вещества (ПАВ) толщиной (олеиновая, ундециловая и другие виды кислот) и находящихся в жидкости-носителе (конденсаторное, турбинное и другие масла).

МЖ обладают способностью концентрироваться, удерживаться и изменять вязкость в местах повышенной напряженности магнитных полей, а именно в зазорах соединений, что и делает их перспективными рабочими телами, смазочными и технологическими средами [1].

Примером использования МЖ в зазоре соединения может являться комбинация стандартной манжеты с магнитожидкостным уплотнением (МЖУ), представленная на рис. 1 в. В этой комбинации МЖУ выполнено в виде постоянного кольцевого магнита и двух полюсных наконечников, под которыми находится МЖ, а манжета установлена последовательно. Такое комбинированное уплотнение позволяет повысить долговечность узла трения машины в среднем в 2…2,5 раза.

При рассмотрении принципа действия соединения стандартной манжеты и вала можно установить режимы работы уплотнения при различных частотах вращения вала: статический (вал не вращается), переходный (момент запуска или начало вращения вала) и динамический (вал вращается).

При статическом режиме кромка губки манжеты вследствие конвективного теплообмена принимает температуру окружающей среды, которая определяется климатическим районом, ГОСТ 16350-80 или условиями внутрипроизводственного помещения. Агрессивное воздействие окружающей среды приводит к изменению физико-механических свойств манжеты. Кроме того, при низких температурах происходит отверждение и объемное сужение материала манжеты, что приводит ее в напряженное состояние. При этом кромка губки находится в состоянии адгезии (прилипания) к поверхности вала (рис.1 а).

При переходном режиме работы уплотнения возникает зазор между кромкой губки манжеты и поверхностью вала (рис.1 б). Запуск при таких условиях эксплуатации приводит к срезу гребней кромки губки манжеты, абразивному износу, что соответствует второму или третьему классу негерметичности. При этом повышается вероятность попадания в зону контакта кварцевых частиц из окружающей среды и утечек рабочей жидкости из уплотняемой полости.

При динамическом режиме и номинальной частоте вращения вала (окружная скорость вращения вала ниже 20 м/c) температура кромки губки манжеты достигает 140...150 ⁰С. Такой режим обеспечивает хорошую эластичность резины и способствует копированию кромкой губки манжеты микрорельефа поверхности вала. В этом случае обеспечивается нормальная герметичность по вращающемуся валу (рис.1 а). Однако работа манжеты при частоте вращения вала выше номинального значения (окружная скорость вращения вала выше 20 м/c) приводит к возникновению зазора в соединении «вал - манжета» из-за инерционности восстановления формы кромки губки манжеты (рис.1 б).

Анализ режимов работы соединения «вал - манжета» показал, что наиболее неблагоприятными режимами являются переходный и динамический при частоте вращения вала выше номинального значения, когда нарушается герметичность соединения. Повысить герметичность при таких режимах работы возможно применением МЖУ, установленного в комбинации с манжетой (рис.1 в).

Наличие магнитной жидкости под рабочей кромкой манжеты предохраняет её от факторов агрессивности окружающей среды в статическом, переходном и динамическом режимах, уменьшает интенсивность изнашивания и повышает работоспособность уплотнения в целом. МЖ, концентрируясь в местах повышенной напряженности магнитного поля, заполняет зазор соединения «вал - манжета» и микронеровности - как поверхности вала, так и кромки губки манжеты [2].

Комбинация манжеты с МЖУ обеспечивает не только герметизацию соединения, но и смазку поверхностей трущихся деталей (динамический режим). Процесс смазки магнитной жидкостью трущихся поверхностей манжеты и вала основан на втягивании части МЖ a зону трения при действии магнитного поля постоянного магнита. При таких условиях протекания процесса виды смазки зависят от условий контакта кромки губки манжеты и поверхности вала.

При номинальной частоте вращения вала обеспечивается эластогидродинамическая смазка - смазка, при которой трение и толщина пленки МЖ между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов манжеты и вала, а также реологическими свойствами МЖ.

При частоте вращения вала выше номинального значения и частоте, соответствующей переходному режиму, обеспечивается гидростатическая смазка - жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения, находящихся в относительном движении, осуществляется МЖ, поступающей в зазор между поверхностями под действием внешнего магнитного поля постоянного магнита. Коэффициент трения в этих условиях очень мал и определяется лишь вязкостью несущей жидкости [2], а изнашивание контактирующих поверхностей практически исключается.

Для практического применения комбинации МЖУ с манжетой для узлов трения машин с учетом уплотнительно-смазочного действия МЖ необходимо проведение предварительных расчетов на герметичность, которые сводятся к определению общего критического перепада давлений для двух различных типов уплотнений. Общий критический перепад давлений есть разность давлений с противоположных сторон от комбинированного уплотнения, взятых по модулю:

,

где - внешнее давление (атмосферное давление), МПа; - внутреннее давление (давление внутри герметизируемого узла), МПа.

Если учесть совместное действие двух установленных последовательно уплотнений (комбинация МЖУ с манжетой), то общий критический перепад давлений может быть определен как

,

где - перепад давлений для манжетного уплотнения, МПа; - перепад давлений для МЖУ, МПа; k = 0,85…0,95 - экспериментальный коэффициент, учитывающий совместное действие МЖУ и манжеты.

Приближенное значение критического перепада давлений при среднем контактном давлении на кромке для манжеты

,

где - максимальное допустимое давление внутри герметизируемого узла, МПа;

,

где - среднее контактное давление на кромке губки манжеты, МПа; =0,7…1,5 МПа - допустимое давление, МПа; =10…5 - коэффициент, зависящий от величины среднего контактного давления на кромке губки манжеты (уменьшается с увеличением ).

Среднее контактное давление на кромке губки манжеты

,

где - удельное усилие на кромке манжеты, Н/мм; а - ширина контактной поверхности, мм; - составляющие удельной силы контакта: от растяжения губки манжеты; деформации изгиба губки вследствие эксцентричной посадки манжеты относительно вала; растяжения пружины; перепада давлений на профиль губки, Н/мм.

При удельных усилиях >0,4 Н/мм не обеспечивается достаточная смазка уплотняющей кромки при работе манжет, что создает условия сухого трения и приводит к возрастанию нагрева и износа. Значения уточняют экспериментально для конкретных случаев; оно может составлять 0,1…0,6 Н/мм, но наиболее благоприятные варианты 0,25…0,5 Н/мм (для валов диаметром до 30 мм), 0,18…0,3 Н/мм (для валов диаметром 30…80 мм) и 0,15…0,25 Н/мм (для валов большого диаметра) [2].

Критический перепад давлений для МЖУ, имеющего два полюсных наконечника (рис. 1 в), определяют по формуле

,

где - связующий коэффициент между давлением и магнитной энергией, МПа/Дж; - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; В - магнитная индукция, Тл; H - напряженность магнитного поля на поверхности вала, кА/м; - осевая длина слоя МЖ, мм; - половина высоты слоя МЖ, мм.

Представленная методика расчета общего критического перепада давлений подтверждается экспериментальными данными. Наличие МЖ под кромкой губки манжеты, как показали исследования, способствует не только увеличению герметичности уплотнения. Это дает возможность уменьшить величину удельного усилия на кромке губки манжеты на 5…10 % при неизменной величине общего критического перепада давлений, тем самым снизить силу трения, температуру и изнашивание соединения.

Интенсификации процесса изнашивания соединения «вал - манжета» при эксплуатации может способствовать возникновение различных дефектов, например отклонения от перпендикулярности уплотняющей кромки к оси вала (рис.2). При этом дефекте поверхность вала на его передней половине движется относительно перекошенной кромки таким образом, что пленка жидкости увлекается валом из зазора наружу. На обратной половине вала пленка засасывается валом под кромку [3,4]. В результате работы уплотнения возможно попадание под кромку губки манжеты загрязнений (кварцевых частиц) из окружающей среды или удаление смазочного материала из уплотняемого узла трения.

При использовании манжетного уплотнения в комбинации с МЖУ (рис.1 в) представленный дефект компенсируется тем, что МЖ, как смазка, обладающая магнитными свойствами, способна стабильно возвращаться в зону трения под действием магнитного поля, а следовательно, манжета может иметь небольшое отклонение от перпендикулярности уплотняющей кромки к оси вала, так как оно неизбежно возникает как в условиях эксплуатации, так и при производстве.

Следующим наиболее распространенным дефектом соединения «вал - манжета» является наличие статического и динамического эксцентриситетов вала. Первый вызывает неравномерность распределения по окружности кромки, чем способствует негерметичности. Динамический эксцентриситет (рис.3 а) вызывает радиальное перемещение точек уплотняющей кромки (биение) при вращении. Для обеспечения герметичности при динамическом режиме и частоте вращения вала выше номинального значения необходимо, чтобы кромка не отставала от вала и обеспечивала восстановление формы со скоростью >, - угловая скорость вращения вала, рад/с.

Наиболее интенсивно влияние динамического эксцентриситета проявляется при отрицательных температурах. Так, при температуре, приближающейся к температуре стеклования резины (-35…-40 ⁰С), релаксационные процессы резко интенсифицируются, и скорость восстановления значительно уменьшается. Фактически при такой температуре влияние релаксации резины проявляется уже при >0,1 рад/с.

Совместное влияние, таких факторов как температура, частота вращения и биение вала при наличии динамического эксцентриситета, вызывает развитие инерционных воздействий на кромке манжеты, что и приводит к разуплотнению вала [3,4].

При работе комбинации манжеты с МЖУ разуплотнения вала при описанных условиях можно избежать, так как в качестве смазочного материала применяется МЖ.

МЖ будет надежно перекрывать зазоры между кромкой манжеты и поверхностью вала магнитожидкостным валиком, а также обеспечивать герметичность при перепадах давлений до 0,15 МПа.

Значительное влияние на качество соединения «вал - манжета» оказывают отклонения формы поверхности вала (рис.3 б), к которым относятся шероховатость, волнистость и некруглость. Поэтому поверхности валов, на которые устанавливают манжеты, рекомендуется обрабатывать врезным шлифованием, образующим изолированные впадины вдоль окружности. Валы обрабатывают в местах контакта с манжетами, обеспечивая Ra=0,32...0,63 мкм при окружной скорости вращения вала < 5 м/с и Ra=0,16...0,32 мкм при > 5 м/с. Только для тихоходных валов назначают Ra =1,25...2,5 мкм [3,4].

Применение МЖ в качестве уплотнительно-смазочного материала в сочетании с манжетой показало, что влияние отклонения формы поверхности и точности изготовления вала на герметичность в определенной степени снижается, так как МЖ способна перекрывать возникающие в соединении зазоры не только на отдельных участках, но и по всей окружности вала, уплотняемой манжетой. Следовательно, надежность работы комбинации манжетного уплотнения с МЖ обеспечивается тем, что уникальные свойства МЖ способны компенсировать недостатки манжетного уплотнения и наоборот.

Список литературы

1. Орлов, Д.В. Магнитные жидкости в машиностроении/ Д.В. Орлов, Ю.О. Михалев, Н.К. Мышкин, В.В. Подгорков, А.П. Сизов. - М.: Машиностроение, 1993. - 272 с.

2. Шец, С.П. Применение магнитной жидкости в качестве смазочного материала в манжетах/ С.П. Шец // Надёжность и эффективность работы двигателей и автомобилей: сб. науч. тр.- Брянск., БГТУ, 1999. - С. 47-52.

3. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник/ Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев [и др.]; под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994. - 448 с.

4. Кондаков, Л.А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем/ Л.А. Кондаков. - М.: Машиностроение, 1982. - 216 с.

Размещено на Allbest.ru