Исследование и разработка комбинированных магнитожидкостных уплотнений

РЕФЕРАТ
     
     Выпускная квалификационная работа (магистерская диссертация) содержит 80 страницах текстового документа формата А4, включающего 35рисуноков, 7 таблиц, 25 использованных источника. 
УПЛОТНЕНИЯ,МАНЖЕТЫ,КОМБИНИРОВАННЫЕ,КОНСТРУКЦИЯ,МАГНИТНАЯ, ЖИДКОСТЬ,ТРЕНИЕ,ПОДШИПНИК,ЗАЗОР,СТРУКТУРА,СВОЙСТВА, РАСЧЕТ, ХАРАКТЕРИСТИКА, ВАЛ
     Цель работы: исследование и разработка комбинированных магнитожидкостных уплотнений ведется для повышения надежности и технических характеристик установок в нефтегазовой промышленности.
     Объект исследования – манжетное комбинированное магнитожидкостное уплотнение.
     Задачами настоящей работы являются:
      анализ литературы и определение существующего состояния вопроса;
      поиск проблем, которые могут возникнуть при проектировании манжетного комбинированного магнитожидкостного уплотнения;
      разработка методики исследования;
      проведение эксперимента и определение зависимости качества уплотнения от параметров различных конструктивных элементов;
      выбор оптимальной конфигурации элементов конструкции.
      


      СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ	5
1 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ  УСТРОЙСТВ, АНАЛИЗ ИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ И РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК	7
1.1 Контактные уплотнения.	8
1.2 Бесконтактные уплотнения	19
1.3 Комбинированные уплотнения	23
1.4 Трение в паре резина-металл	29
1.5 Выводы к главе 1	36
2. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В КОМБИНИРОВАННЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ В КАЧЕСТВЕ СМАЗОЧНО –УПЛОТНЯЮЩЕЙ СРЕДЫ	39
2.1 Магнитные жидкости, структура, свойства	39
2.2 Механизм работы и процесс смазки трущихся элементов комбинированных манжетных – магнитожидкостных уплотнений	40
2.3 Определение скорости проникновения магнитной жидкости в зазор уплотнения	47
2.4 Измерение поверхностного натяжения магнитной жидкости	51
2.5 Результаты расчета скорости проникновения в микрощель магнитной жидкости	52
2.4 Выводы к главе 2	54
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТРЕНИЯ В КОМБИНИРОВАННЫХ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ УПЛОТНЕНИЯХ	55
3.1 Экспериментальное исследование смазочных свойств магнитной  жидкости. Исследование трения эластомерного материала по металлу	55
3.2 Выводы к главе 3	65
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ МАГНИТОЖИДКОСТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ	66
4.1 Исследование герметичности комбинированных магнитожидкостных уплотнений	66
4.2 Разработка конструкции комбинированных магнитожидкостных уплотнений	72
4.3 Выводы к главе 4	73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	77
     
     

    ВВЕДЕНИЕ
     
     Нефтегазовая отрасль – это обобщенное название комплекса промышленных предприятий по добыче, транспортировке, переработке и распределению конечных продуктов переработки нефти и газа. Это одна из мощнейших отраслей Российской Федерации, в значительной степени формирующая бюджет и платежный баланс страны, обеспечивающая валютные поступления и поддержание курса национальной валюты.
     Нефтегазовая промышленность постоянно развивается, встает проблема создания уплотнительных устройств для оборудования. Нефтегазовые уплотнения – это одна из составляющих частей всей нефтегазовой отрасли. В рамках развития технологических и инженерных производств. Отрасль уплотнительных соединений совершенствуется с добавлением новых технологий, материалов. Развитие инженерных задач по созданию эволюционных узлов соединений с применением модернизированной техники и усовершенствование материалов, приводит нефтегазовую отрасль в динамическое развитие. Повышение качества исходящего продукта а так же безопасность его производства.
     При герметизации вращающихся валов машин и устройств поднимается задача создания надежных и элементарных уплотнений. Долговечность работы уплотнения проявляет высокое воздействие на работоспособность узлов и агрегатов нефтегазовой техники. Так, например, по статистическим данным 90% случаев аварийных разрушений подшипниковых узлов вызвано неудовлетворительной работой уплотнений. Даже небольшое нарушение герметичности подшипниковых узлов в условиях эксплуатации машин понижает надежность их работы, увеличивает расход смазочных материалов и потребность в резервных частях, а так же необходимость выполнения внеплановых ремонтных работ и дополнительные трудовые ресурсы.
     Таким образом, повышение эксплуатационных параметров уплотнительных устройств, их безотказность и долговечность — один из путей увеличения надежности и долговечности нефтегазовой техники.
     Использование известных типов уплотнений часто не приводит к решению назначенных технических задач. Традиционные уплотнения (манжетные, торцевые, лабиринтные) не обеспечивают безусловную герметичность. Обширное использование магнитожидкостных уплотнений (МЖУ) ограничено низким рабочим перепадом давлений, при котором допускается их эксплуатация и интенсивным вымыванием магнитной жидкости из рабочего зазора при герметизации водянистых сред.
     Поэтому, в последний период получили распространение комбинированные магнитожидкостныс уплотнения (КМЖУ). В таких уплотнениях сочетаются совершенства традиционных и магнитожидкостных уплотнений и взаимокомпенсируются их недостатки.
     В большинстве случаев конструирование КМЖУ проводилось только на основе эксперимента и интуиции инженеров, использовавших при их разработке и общие методы проектирования деталей машин. Однако подобный подход не дозволяет получить КМЖУ, имеющие наиболее разумную конструкцию и добиться наилучших рабочих характеристик. Поскольку в уплотнениях данного типа магнитная жидкость может выступать не только в роли уплотняющей среды, но так же осуществлять другие функции, например смазки трущихся частей уплотнения, появляется необходимость изучения влияния магнитной жидкости на процесс трения.


1 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ  УСТРОЙСТВ, АНАЛИЗ ИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ И РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК
     
      При разделении сред в силовых агрегатах, передаточных механизмах, емкостях для хранения существует проблема герметизации соединений. Применение неразъемных соединений, получаемых сваркой, пайкой, запрессовкой часто недопустимо по условиям эксплуатации. В связи с этим в технике широко используются уплотнительные элементы и специальные устройства, а также особо точные методы обработки поверхностей и подгонка деталей, например в устройствах золотникового типа.
      Уплотнения используются в технике настолько широко и их выпуск настолько велик, что некоторые предприятия специализируются на выпуске только элементов уплотнительной техники, а сама уплотнительная техника стала существовать как отрасль науки и техники.
      Уплотнительное устройство, или уплотнение, – устройство для разделения сред, предотвращения или уменьшения до допускаемых пределов утечки сред через подвижные или разъемные неподвижные соединения.
      Общими элементами уплотнений различных типов являются уплотняемые поверхности стыка соединений и обеспечивающий герметичность уплотнитель. На работоспособность уплотнения влияют эксплуатационные, конструктивные, технологические, технико-экономические и экологические факторы. Важнейшими из них являются:
       свойства рабочей и окружающей сред;
       свойства материалов герметизируемого соединения и уплотнителя;
       режим работы;
       допускаемые пределы утечек;
       ресурс и общий срок эксплуатации;
       токсичность и химическая агрессивность сред.


     1.1 Контактные уплотнения.

     К контактным уплотнениям относятся сальники, манжеты, разрезные пружинные кольца, торцовые уплотнения.
     Контактные уплотнения могут функционировать при более высоких давлениях и обеспечивают лучшую герметичность соединений, но имеют ряд недостатков:
     1) ограничена допустимая скорость движения уплотняемых деталей;
     2) износ из-за трения и потеря уплотнительных свойств.
     
     1.1.1 Сальниковые уплотнения
      
     Сальник (рисунок 1.1) представляет собой кольцевую полость вокруг вала, набитую уплотняющим материалом, в качестве которых могут применяться хлопчатобумажные ткани, вываренные в масле шнуры, фетр, асбест и подобные материалы. Также добавляют различные самосмазывающиеся вещества, например, порошки свинца, баббита, графита, дисульфида молибдена и других. Главный недостаток сальниковых уплотнений это повышенный износ, и неприспособленность к высоким окружным скоростям.
     
     
     
     
     
     
     
     
    
     Рисунок 1.1  – Сальниковое уплотнительное кольцо


     Сальниковые уплотнения (сальник) – это уплотнение вращающегося вала в местах выхода его из неподвижного корпуса, выполненное из мягкой эластичной набивки. Использование сальников в качестве уплотнительного элемента – один из старейших способов герметизации подвижного соединения.
     В сальниковых уплотнениях в отсутствие принудительного поджатия сальниковая набивка укладывается в выточки на неподвижных и подвижных частях соединений. Применяется для герметизации подшипников поршней при малых скоростях перемещения и небольшом избыточном давлении.
     Сальниковые уплотнения с принудительным поджатием строятся по схеме, в которой герметизация достигается прижатием к валу набивки в результате сжимающего усилия.
     В большинстве устройств сальниковых уплотнений нажимные втулки и грундбуксы изготавливают с наклонной к оси вала плоскостью контакта, что позволяет усилить радиальное давление уплотнительного давления на вал. Тем не менее чрезмерное увеличение угла наклона приводит к возникновению высоких напряжений около нажимной втулки, в следствии чего растёт износ ближайших к втулке колец.
     Поднос воздуха в рабочую полость насоса исключается применением уплотнительного устройства с гидравлическим затвором. Жидкость под избыточным давлением подается в промежуточное кольцо 2. Может подаваться от автономного источника или отбираться из насоса. Таким образом создается гидравлический затвор, препятствующий не только проникновению наружного воздуха в насос, но и предотвращающий утечки перекачиваемой жидкости из насоса. Сальниковые уплотнения с гидравлическим затвором обеспечивают хорошую смазку уплотнительной набивки, сокращая потери на трение в узле и обеспечивая отвод тепла.
     Все рассмотренные выше уплотнительные устройства осуществляют поджатие мягкой набивки со стороны, противоположной действию давления перекачиваемой жидкости, т. е. создают максимальное радиальное давление уплотнительного элемента на вал там, где давление перекачиваемой жидкости минимальное.
     
     
Рисунок 1.2 –Сальникове уплотнение с поджатием набивки перекачиваемой жидкости: 1 – внутренняя втулка; 2 – уплотнительный элемент; 3 – подшипник; 4 – наружная втулка; 5 – вал
     
     Лучшие условия работы уплотнения могут быть получены, если обеспечить максимальное радиальное давление элемента на вал там, где давление перекачиваемой жидкости максимальное. Например, уплотняющие устройства, в которых набивка поджимается давлением перекачиваемой жидкости (рисунок 1.2). Поскольку площадь нажимной втулки со стороны жидкости больше, чем площадь со стороны поджатия набивки, создается напряжение, превышающее давление перекачиваемой среды. Такое уплотнение называется дифференциальным.
     
Рисунок 1.3 – Сальниковое уплотнение с радиальным поджатием: 1 – крышка; 2 – эластичная камера; 3 – уплотнительный элемент; 4 – корпус; 5 –грундбукса.
     
     Равномерного распределения давления набивки на вал можно добиться применением радиального поджатия набивки (рисунок 1.3). В уплотнении с радиальным поджатием набивки между корпусом 4 и уплотнительной набивкой 3 расположена эластичная камера 2, в которую через отверстие подается жидкость под избыточным давлением. Давление жидкости через эластичную камеру равномерно передается уплотнительному элементу, герметизируя соединение.
    
Рисунок 1.4 – Сальниковое уплотнение с гидравлическим затвором: 1 – корпус; 2 – промежуточное кольцо; 3 –сальниковая набивка; 4 – нажимная втулка
     
     Для повышения долговечности мягкой набивки отдельные ее кольца ограничивают шайбами, которые изготовляют из металла или пластмасс (рисунок 1.4). Уплотнение как бы разбивается на отдельные камеры. Кольца набивки защищены от преждевременного вытекания наполнителя, высыхания и быстрого износа, благодаря чему обеспечивается более длительный срок службы уплотнения.
     Основной элемент сальникового уплотнения – эластичная набивка. Материал набивки должен обладать достаточной механической прочностью и упругостью, высокой износостойкостью, непроницаемостью и хорошими антифрикционными свойствами. Согласно ГОСТ 5152-84 различают набивки трех типов: плетеные, скатанные и кольцевые.
     Плетеные набивки подразделяют на набивки сквозного плетения и плетения с оплеткой. Для набивки используются хлопчатобумажные, пеньковые, асбестовые, тальковые и синтетические нити. В насосах ЦНС для закачки воды в нефтенасосные пласты используется набивка АГ – плетеная из асбестовой нити пропитанная жировым составом с нанесением графитового порошка, АПР-31 – плетеная набивка из асбестовой нити армированная латунной проволокой пропитанная жировым составом. Ресурс работы таких набивок около 700 часов. Применяются и другие современные материалы с увеличенным сроком службы. Графитированнаянабивка НГ-Л изготавливается из
терморасширенного графита армированная лавсановой нитью. Ресурс работы до 10000 часов.

     1.1.2 Манжетные уплотнения

     Они представляют собой кольцо из упругого и мягкого материала с воротником, который обхватывает вал (рисунок 1.5). Манжета лучше работает при разности давлений в уплотняемой области, так как воротник манжеты избыточным давлением плотно прижимается к валу с силой, пропорциональной давлению. Поэтому, для того, чтобы давление не отжимало воротник манжеты, ее следует устанавливать воротником навстречу уплотняемому давлению. Если нужно уплотнить вал с двух сторон, можно установить две направленные в разные стороны манжеты. Наружная часть манжеты закрепляется на корпусе.
     Материалом для изготовления манжет чаще всего являются пластмассы, такие как поливинилхлорид или фторопласт. Полихлорвиниловые манжеты выдерживают температуру до 80 °С. Манжетное уплотнение выдерживают разницу давлений до 50 МПа, окружная скорость вращающегося вала может достигать до 20 м/с, и может работать при температуре от -50 до +100 °С. Рабочая температура зависит от материала манжеты. Манжеты из ПВХ работают при температурах до 80 °С, а из фторопласта могут работать при температурах до 300 °С. Количество манжет зависит от диаметра и давления.
     Форма манжет в поперечном сечении может быть U образной и V образной (шевронной) (рисунок 1.6). U образные манжеты применяются при давлении рабочей среды только до 35 МПа, а шевронные могут выдержать давление до 50 МПа и выше. Чтобы в процессе эксплуатации манжета не потеряла свою форму, в конструкции уплотнения предусмотрены фасонные опорные 1 и распорные 2 кольца (манжетодержатели) из металла или текстолита.
     
Рисунок 1.5 – Схема действия манжетного уплотнения: а – манжета до монтажа; б – манжета в смонтированном виде без давления жидкости; в– манжета под давлением
     
     
     Рисунок 1.6 – Типовые формы манжет
     
     Наиболее широко используются армированные манжеты. Конструкция отличается от обычной пружины тем, что воротник дополнительно прижимается к валу кольцевой витой пружиной. Сила прижатия строго регламентирована.
     Армированные манжеты изготовляют из эластичных, износостойких, термо- и химически стойких резин литьем или опрессовкой внутренних металлических элементов. Браслетные пружины делают из пружинной проволоки с последующим средним отпуском, покрывают кадмием или цинком. Твердость уплотняемой поверхности вала должна быть не менее HRC 45, а шероховатость не более Ra = 0,16-0,32 мкм.
     Способ герметизации вращающихся валов армированными манжетами представлен на рисунке 1.7. Наружная часть манжеты 2 также усиливается металлическим каркасом 1, браслетная пружина 3 обеспечивает дополнительное прижатие манжеты к валу.
     
     
Рисунок 1.7– Манжеты для уплотнения вращающихся валов: 1 - металлический каркас; 2 - манжета; 3 - пружина
     
     От перепада давлений в механизме, рабочей температуры, скорости движения соединяемых деталей и типа рабочей жидкости зависит выбор конструкции и материала манжеты.
     Для уплотнения деталей, движущихся возвратно-поступательно, используют разрезные пружинные кольца, которые вставляются в канавки корпуса с осевым зазором 0,005-0,020 мм. Такое уплотнение надёжно, достаточно долговечно и способно работать при больших перепадах давления. Материалами изготовления пружинных колец чаще всего являются перлитные чугуны, легированные стали и деформируемые бронзы. Корпус, в который вставляются кольца, должен обладать твёрдостью не менее HRC 40-45. Наружная деталь уплотнения должна иметь еще большую твердость, для этого ее изготовляют из стали, поверхность которой цементируют или азотируют. К стенкам канавок корпуса кольца прижимаются торцами под действием избыточного давления. Для эффективной работы уплотнения в конструкции устанавливают несколько колец. В зависимости от рабочего давления их число может доходить шести.
     В многокольцевых уплотнениях наибольшую нагрузку испытывает первое со стороны герметизируемой полости кольцо. Со временем на торцевoй поверхности колец образуется ступенчатая выработка — результат прижатия кольца к стенке канавки. Для равномерного распределения нагрузки между кольцами и для подвода масла к трущимся поверхностям (при уплотнении маслосодержащих полостей) в первом (или в нескольких кольцах) выполняют разгрузочные отверстия.
     
     1.1.3 Уплотнение металлическими кольцами
     
     Одно из самых простых и долговечных уплотнений. Материал колец - серый чугун, бронза, текстолит, графит и металлoграфитовая масса. Стыки колец (рисунок 1.8) могут быть прямыми (при Р=5 МПа), косыми (при Р=20 МПа) и ступенчатыми (при Р>20 МПа). В ступенчатом замке часто одну из сопряженных поверхностей выполняют плоской, а вторую – несколько выпуклой, благодаря чему повышается удельное давление в стыке колец, способствующее повышению герметичности. Форма поперечного сечения прямоугольная. Число колец в уплотнении колеблется от 2 до 9, в зависимости от перепада давлений. Расстояние между кольцами на качество уплотнения не влияет.
     
     
    
     Рисунок 1.8 – Типы стыковых замков металлических колец
     
     К недостаткам уплотнения металлическими кольцами относится необходимость точного изготовления деталей соединения, так как кольца не компенсируют микронеровности, овальность, конусность и так далее. Уплотнение из колец создает дополнительную силу трения. Уплотнение не является абсолютно герметичным и определяется, как и при щелевом уплотнении.
     Уплотнение резиновыми кольцами, вводимыми в канавки вала или промежуточной втулки, имеет ограниченное применение. Кольца выполняют из мягких сортов маслостойкой и термостойкой синтетической резины. Недостатки уплотнений резиновыми кольцами — ненадёжность работы, быстрый износ резины в процессе эксплуатации, неопределённость сил прижатия. Чаще применяют резиновые кольца в установках с возвратно-поступательным движением вала.
     Уплотнение резиновыми кольцами является простым, компактным и достаточно надежным. Уплотнение применяется при неподвижных (при Р=30 МПа) и подвижных соединениях (при Р=20 МПа). Диапазон температур минус 50до плюс 100оС. Герметичность достигается за счет монтажного сжатия резины и ее плотного прилегания к поверхности деталей. Материал – маслостойкая резина. Форма поперечного сечения круглая (предпочтительно) или прямоугольная (может скручиваться и вдавливаться в зазор). При уплотнении резиновыми кольцами утечки практически отсутствуют. На рисунке 1.9 показана схема уплотнений резиновых кольцом круглого сечения. Размеры колец и канавок подбирают таким образом, чтобы при монтаже кольца в канавке (при нулевом обжатии) был сохранен боковой зазор (а - d) = 0,2…0,25 мм. При монтажном сжатии кольцо поджимается на величину k = d - b. При наличии давления кольцо под его действием деформируется у внешней стороны канавки и создает плотный контакт с уплотняемыми поверхностями.
     
     
     Рисунок 1.9– Схемы уплотнений резиновым кольцом круглого сечения
      
1.1.4 Торцевые уплотнения
     
     Торцевые уплотнения(рисунок 1.10) принадлежат к числу контактных уплотнений. На валу устанавливается диск, фиксирующийся от вращения относительно вала. Диск постоянно прижимается пружиной к укрепленной на корпусе неподвижной шайбе. Уплотняемая среда (жидкость, газ) может просачиваться через уплотнение в двух направлениях: через торец диска и через кольцевой зазор между диском и валом.
     Торцевое уплотнение состоит из двух уплотнений: торцевого и радиального. Радиальное уплотнение работает в более лёгких условиях, чем торцевое, так как диск имеет незначительные перемещения вдоль вала. Здесь пригодно любое уплотнение — резиновыми кольцами, разрезными пружинными кольцами, сальниками, манжетами. Просачивание через радиальный зазор можно исключить полностью, уплотнив зазор мембраной, сильфоном.
     
     
    
     Рисунок 1.10 – Торцовые уплотнения и посадочные места для них
     
     Основное достоинство торцевых уплотнений заключается в том, что износ трущихся поверхностей компенсируется перемещением уплотняющего диска в осевом направлении под действием пружины. Торцевое уплотнение обладает свойством самоприрабатываемости; при правильном выборе материала трущихся поверхностей и подводе незначительного количества смазки уплотнение может работать в течение долгого времени при хорошем состоянии поверхностей контакта, обеспечивающем надёжное уплотнение.
     Для поверхностей трения применяют антифрикционные пары: сталь-баббит, закалённая или азотированная сталь-бронза, графитовые и угольные композиции, пластики. В наиболее ответственных случаях применяют твёрдые сплавы (литые и металлокерамические) в паре друг с другом или с более мягкими материалами из числа указанных выше. Поверхности трения обрабатывают до шероховатости Ra = 0,16-0,32 мкм. Подвижные уплотняющие диски должны обеспечивать строгую перпендикулярность торцевой поверхности относительно цилиндрической поверхности, а также параллельность торцов подвижного и неподвижного дисков.
     Торцовые уплотнения служат для предотвращения или уменьшения потери рабочей жидкости из рабочей зоны.
     
     1.2 Бесконтактные уплотнения
      
      В бесконтактных уплотнениях отсутствует контакт между подвижными частями уплотнения. Уплотнительный эффект достигается с помощью центробежных сил и гидродинамических явлений. К числу этих уплотнений относят лабиринтные уплотнения, отгонные резьбы, отражательные диски, ловушки.

1.2.1 Щелевые уплотнения
     
     Щелевое уплотнение (рисунок 1.10) распространено во многих гидроагрегатах (насосы, распределители и так далее). Снижение утечек достигается за счет уменьшения зазора s между подвижными деталями. Утечки неизбежны и заранее определяются для цилиндрических деталей по формуле 
     
     Q_y=?d((?ps^3)/12?l±?/2 s),                                           (1.1)
     
     где d– диаметр уплотняемого соединения, мм;
     s– зазор между деталями соединения, мм;
     l– длина уплотнения, мм;
     ? – относительная скорость перемещения деталей, м/с;
     ? – динамический коэффициент вязкости жидкости.
     
     
     Рисунок 1.10 – Схемы уплотнений: а - щелевого; б, в - лабиринтного
     
     
     Для повышения сопротивления щели при высоких Re, соответствующих турбулентному режиму течения на одной или обеих поверхностях, образующих щель, выполняют лабиринтные канавки, которые вследствие чередующегося изменения сечения щели повышают ее сопротивление.
     Недостаток щелевого уплотнения - высокая стоимость изготовления сопрягаемых деталей и возможность облитерации щели.
     
1.2.2Канавочные уплотнения
     
     Щели концентрических проточек заполняют пластичной смазкой. Образуемый затвор препятствует вытеканию масла и ограничивает проникновение посторонних веществ извне. Применять канавочные уплотнения рекомендуется для узлов, работающих сравнительно чистой среде (рисунок 1.11). Канавки очень полезны в комбинации с уплотнениями другого типа.
     Для лучшего удержания смазки канавки делают в крышке и на валу. Температура разжижения смазки, заполняющей щели, должна быть выше рабочей температуры узла, чтобы не было вытекания масла из щели.
     
     
Рисунок 1.11 – Конструкции канавочных уплотнений

1.2.3 Уплотнения отгонной резьбой
     
     Уплотнения отгонной резьбойприменяют для герметизации полостей, содержащих жидкости. На валу или во втулке (или одновременно) выполняют резьбу (многозаходную). Направление резьбы согласовывается с направлением вращения вала так, чтобы витки отгоняли уплотняемую жидкость в корпус. Уплотнение – нереверсивное; при перемене направления вращения витки гонят жидкость в обратном направлении – из корпуса.
     Уплотняющая способность отгонной резьбы пропорциональна длине резьбового пояса, скорости вращения вала, вязкости жидкости, обратно пропорциональна высоте резьбы и очень зависит от зазора между гребешками витков и стенками отверстия. Уплотнение работает удовлетворительно, если радиальный зазор не превышает 0,05-0,06 мм. При зазоре свыше 0,1 мм уплотнение становится бесполезным.
     
1.2.4 Уплотнение отражательными дисками
     
      Отражательные диски устанавливают перед щелевыми уплотнениями с целью преградить доступ масла в щель и отогнать действием центробежной силы частицы масла.
     Уплотнение защитной шайбы незначительно. Шайбу применяют в узлах, работающих на пластичных смазках при окружной скорости не более 5м/с. На рисунке 1.12 приведена вращающаяся шайба; она под влиянием возникающих центробежных сил отбрасывает попадающие на нее масло или посторонние вещества. Действие этой шайбы более эффективно по сравнению с неподвижной и тем сильнее, чем выше окружная скорость шайбы.
     
     
     
     Рисунок 1.12 – Конструкция подвижной защитной шайбы
     
1.2.5 Лабиринтные уплотнения
     
     Лабиринтные уплотнения (рисунок 1.13) применяют для уплотнения полостей, заполненных газом или паром. Действие их основано на торможении (завихрении) газа в узкой кольцевой щели с последующим расширением в смежной кольцевой камере большого объёма. В кольцевой щели давление преобразуется в скоростной напор; на выходе газа из щели давление восстанавливается, но только частично; часть давления расходуется на необратимые потери при завихрении-расширении. Чем больше эти потери (чем меньше сечение щели и острее образующие её кромки), тем меньшая доля давления восстанавливается в камере, тем эффективнее работает уплотнение.
     
     
Рисунок 1.13 – Общий вид и основные размеры лабиринтных уплотнений
     Последовательной установкой ряда камер, разделённых узкими щелями, достигают существенного уменьшения перетекания. Лабиринтные уплотнения применяют при высоких окружных скоростях и температурах, когда исключена возможность установки контактных уплотнений.
     Лабиринтное уплотнение не может полностью исключить истечение газа. Непрерывное движение газа вдоль лабиринта лежит в основе принципа действия лабиринта и является непременным условием функционирования. Лабиринт может только ослабить поток газа через уплотнение.
     Уплотняющее действие лабиринтного устройства основано на создании малого зазора сложной формы между вращающимися и неподвижными деталями узла. Зазор заполняют пластичной или жидкой смазкой.
     Лабиринтные уплотнения имеют различные преимущества перед фетровыми и манжетными:
     - малое внутреннее трение смазки;
     - неизнашиваемость деталей;
     - простота в эксплуатации;
     - неограниченность окружных скоростей вала.
     Лабиринтные уплотнения применяют для защиты от вытекания смазки и попадания в неё влаги и грязи из внешней среды, чаще в комбинации с уплотнениями других типов.
     
     1.3 Комбинированные уплотнения
     
      Кроме контактных и бесконтактных уплотнительных устройств существуют системы, представляющие их сочетания. Такие уплотнения называются комбинированными. Наибольший интерес представляют комбинированные манжетные магнитожидкостные уплотнения, поскольку в них сочетаются достоинства тех и других герметизаторов и взаимно компенсируются недостатки. Такие уплотнения представляют собой стандартную манжету, снабженную магнитной системой. На рисунке 1.14 в, г представлено манжетное уплотнение с магнитной системой, состоящей из серии постоянных магнитов 1, расположенных вокруг пружины манжеты 2. Проходя через пазы, выполненные в нижней части магнитов, пружина удерживает их от выпадения при ударах и вибрации.
     На рис 1.14 б представлено уплотнение с расположенными по обе стороны от рабочей кромки манжеты постоянными магнитами 42. Магниты могут быть намагничены как в осевом так и в радиальном направлении.
     Представленное на рис 1.14 а уплотнение состоит из манжеты и закрепленного на валу под рабочей кромкой манжеты магнита 1, намагниченного в радиальном направлении.
     Конструкция уплотнения рис. 1.14 д представляет собой традиционное манжетное уплотнение, пружина которого выполнена из магнитного материала и намагничена в радиальном направлении.
     По мнению авторов изобретений, во всех представленных конструкциях магнитная жидкость удерживается магнитным полем под кромкой манжеты, обеспечивая ее смазывание, а образовавшиеся вокруг вала магнитожидкостные пробки увеличивают уплотняющую способность уплотнений.
     Кроме вышеперечисленных существует ряд других конструкций комбинированных манжетных магнитожидкостных уплотнений.
     
Рисунок 1.14 – Комбинированные манжетные—магнитожидкостпые уплотнения а – с магнитным элементом, установленным на валу под рабочей кромкой манжеты; б – с магнитными элементами установленными на валу по бокам рабочей кромки; в, г – с наборными магнитами, установленными на пружине; д – с намагниченой пружиной.
     
     На рис. 1.15 представлено уплотнительное устройство, являющееся комбинацией магнитного и магнитожидкостного уплотнений. Постоянный магнит установлен в полости, образованной уплотнительной и защитной кромками манжеты, которая заполнена магнитной жидкостью. Как видим, размеры уплотнительного устройства определяются размерами используемой манжеты. Недостатком такой конструкции является возможность повреждения рабочей кромки манжеты при сборке уплотнения.
     Такого недостатка лишена конструкция уплотнения, представленная на рис 1.16. уплотнение отличается от предыдущего тем, что источником магнитного поля является упругий элемент с поперечным щелевым разрезом, благодаря которому он может быть сжат до размера диаметра и введен в пространство между пыльником и рабочей кромкой.
     
Рисунок 1.15 – Комбинированное манжетное – магнитожидкостное уплотнение с магнитным элементом, помещенным между кромкой манжеты и пыльником
     
Рисунок 1.16 – Комбинированное манжетное – магнитожидкостное уплотнение с намагниченным кольцом, установленным между кромкой манжеты и пыльником
      
     Представляет интерес конструкция опорно– уплотнительного узла магнитного вала. Узел (рис 1.17) снабжен манжетами, установленными в крышках, магнито-жидкостное уплотнение размещено между манжетами с опорой полюсных приставок на пружины манжет, с возможностью радиального перемещения при радиальном смещении вала.подшипник заполнен смазкой. Магнитная жидкость размещается в зазорах ?1 и ?2. Магнитные потоки не протекают через кольца и тела качения подшипников.
     На рис 1. 18представлена конструкция уплотнительного узла, предназначенного для защиты подшипников качения от попадания абразивных частиц. Устройство состоит из постоянных магнитов 3 и полюсных наконечников 5, которыми являются защитные магнитопроницаемые шайбы подшипников качения. В зазоре между шайбой 5 и обоймой подшипника б, а так же на телах качения находится магнитная жидкость 4. В корпусе 1 подшипникового узла между магнитами З устанавливается дистанционная втулка 2, которая служит для замыкания магнитного потока.
     Конструкция уплотнительного устройства рис 1.20 предназначена для защиты опорных узлов и передач. Оно состоит из источника магнитного поля и полюсной приставки. Такой уплотнительно - опорный узел предназначен для эксплуатации при малых перепадах давлений.
     Особенностью, отличающей две последних конструкции, является замыкание магнитного потока через тела качения уплотняемых подшипников. По мнению авторов, находящаяся во внутреннем пространстве подшипников магнитная жидкость будет выступать как магнитоуправляемый смазочный материал, надежно удерживаясь в рабочей области магнитным полем.
     
Рисунок 1.17 –Уплотнительно– опорный узел для текстильных машин: 1 - корпус, 2 - подшипник качения, 3 - магнитная жидкость, 4 - магнит, 5 – полюсная приставка, 6 – манжета, 7 – вал
     
Рисунок 1.18 – Магнитожидкостное уплотнительное устройство для герметизации подшипников: 1—корпус подшипникового узла; 2 – втулка; 3 –магниты; 4 – магнитная жидкость; 5 – полюсные наконечники; 6 – обойма подшипника; 7 – втулка
     
Рисунок 1. 19 –Уплотнительно – опорный узел
     
     1.4Трение в паре резина-металл
     
     В контактных уплотнительных устройствах трение может оказывать значительное влияние на их работу.
     В зависимости от параметров влияющих на механизм трения выделяют определенные режимы трения, соответствующие различным режимам работы контактного уплотнения с эластомерным элементом. Процесс трения,таким образом, может быть разделен на 4 режима:
     1. начальное трение
     2. трение в сухую
     3. трение с граничной смазкой
     4. трение с жидкостной смазкой
     Режим начального трения возникает при страгивании элементов трения после длительного состояния покоя. Согласно молекулярно-кинетической теории трение покоя должно быть равно 0, что подтверждается экспериментами. Процесс страгивания включает в себя 2 этапа с разным механизмом процесса сопротивления сдвигу. Сила сопротивления Р зависит от пути движения L контртела на первой стадии происходит высокоэластичная деформация эластомера, взаимное скольжение контактирующих поверхностей отсутствует. Сила Р линейно растет с перемещением Z. На второй стадии происходит отрыв контактной поверхности уплотнения от контртела. Силу Р в момент отрыва можно назвать начальной силой трения. Она определяется упругим деформированием поверхностного слоя в момент отрыва и разрывом химических связей, возникающих между полимером и контртелом. Потери на упругое деформирование поверхностного слоя при движении контртела определяются разностью работ затраченных на микро перемещение с двух сторон микронеровностей и незначительны в общей величине потерь трения. В момент отрыва необходимо преодолеть полную силу сопротивления деформации, действующую на площади фактического контакта, близкой и номинальной. Поэтому составляющая силы трения Р на деформирование поверхностного слоя при страгивании имеет значительную величину. Процесс образова.......................