Уплотнения центробежного насоса ЦНС 180

 

Разработка уплотнения центробежного насоса ЦНС—180.

 Предлагаемая конструкция вала насоса ЦНС—180 представлена на рисунке 1.

  Рис. 1. Уплотнение вала манжетами из наполненного фторопласта марки Ф4К20:

1-    корпус уплотнения;

2-    втулка уплотнения;

3-    набор фторопластовых манжет;

4-    пружина тарельчатая;

5-    втулка нажимная;

6-    нажимное кольцо;

7-    опорное кольцо.

 

Основным уплотнительным элементом является набор манжет    v-образного сечения 3, поджимаемых с помощью тарельчатой пружины 4, втулки нажимной 5 и фланца нажимного 6 к опорному кольцу 8. Пружина служит для восстановления контактного давления в процессе эксплуатации. Поджатие манжет осуществляется через нажимное кольцо 7, которое позволяет равномерно распределит усилие пружины по поверхности манжет. Нажимное кольцо может свободно перемещать вдоль уплотняемой втулки (для этого между поверхностью втулки и кольца предусмотрен зазор).

Конструкция манжет, нажимного кольца и кольца опорного представлена на рисунке 2.

Между рабочей частью манжеты и уплотняемой поверхностью втулки, а также между манжетами имеется свободная зона «х», за счет которой происходят упругие, пластические и термические деформации материала Ф4К20 в процессе работы.

 

Расчет эксплуатационных характеристик узла трения.

Оценка утечки через уплотнение.

Герметизированная способность уплотнений оценивается утечкой.

Рассчитаем утечки жидкости через сальниковое уплотнение насоса ЦНС—180. Формула для оценки утечки через сальниковое уплотнение при вращательном движении имеет вид:

Таким образом, старое уплотнение характеризуется значительными утечками (до 6,9 мм³/с). Именно отсутствие утечка является основой хорошей работы сальникового уплотнения.

Манжетные уплотнения обеспечивают высокую герметичность. В соответствии с нормами герметичности удельные утечки для манжетных уплотнений составляют

Необходимость постоянного обслуживания сальникового уплотнения для поддержки определенного уровня утечки является другим недостатком.  Подтяжку сальниковой набивки марки АГ выполняют через каждые 40-50 минут. Поэтому было принято решение разработать новое уплотнение—фторопластовое (Ф4К20) с применением упругого элемента—пружины, которое по предварительным оценкам позволит уменьшить утечки жидкости примерно в 40 раз и исключить необходимость обслуживания уплотнения в течение работы.

Определение контактного давления.

Для обеспечения герметичности уплотнения необходимо определить контактное давление p_к на поверхности трения, при котором утечки жидкости не будут превышать заданных нормами. Основная трудность состоит в том, что теория герметичности манжетных уплотнений до сих пор не создана. Теоретического расчета утечек уплотнений из полимерных материалов нет.

Была установлена зависимость утечки Q от рабочих параметров  p_к ,v , m, для уплотнений фторопластовыми манжетам:

                    (3)

где   m-  динамическая вязкость жидкости;

         v-  скорость скольжения;

         p_к-  контактное давление;

          l-   длина уплотнения.

Существует определенная область контактных давлений для фторопластовых манжетных уплотнений, при которых утечки и износ минимальные: p_к »1,0 ¸ 2,5 МПа.  Этот диапазон установлен на основании анализа физико-механических свойств фторопластов и результатов испытаний при малых давления среды (p_к »0) и низких температурах (при преимущественном применении уплотнений в условиях крайнего Севера). При нормальных условиях эксплуатации следует принимать меньшее значение p_к . Кроме того, рабочее давление р_р всегда увеличивает p_к, улучшая при этом условия герметичности. Поэтому нижний предел будет меньше, чем 1,0 МПа.  Поэтому назначим p_к =0,7 МПа.

Контактное давление будет выбрано правильно только в том случае, если на поверхности трения соблюдается допускаемый тепловой режим.

Расчет теплового режима уплотнения.

Целью теплового расчета уплотнения является определение максимальной температуры на поверхности контакта и сравнение ее с допускаемой температурой эксплуатации. Для нормальной работы уплотнения необходимо обеспечить условия, чтобы максимальная температура на поверхности трения была меньше допускаемой. Допускаемая температура эксплуатации перекачиваемой жидкости составляет [Т]=100 ⁰С.

Максимальная температура поверхности контакта Т_max складывается из температуры перекачиваемой жидкости Т_ж и приращения температуры за счет работы трения DТ:

Т_max = Т_ж +DТ       (4).

Для фторопластового манжетного уплотнения предложена формула, позволяющая определить приращение температуры за счет трения. Предположим, что контакт трущихся поверхностей идеален. Тогда источником тепла будет весь поверхностный слой трения и мощность источника g при условии, что работа трения полностью превращается в тепло, определяется так:

,               (5)

где     p_к -   контактное давление, МПа;

           m -   коэффициент трения

           v -   скорость скольжения, м/с.

Предполагая, что генерируемое в результате трения тепло распределяется в контактирующие поверхности пропорционально их теплопроводностям получена формула для определения приращения температуры за счет трения:

,    (6)

где    r₁-    радиус втулки, м

r₂-    наружный радиус манжеты, м

l₁-    коэффициент теплопроводности полимера, Вт/м*К

l₂-    коэффициент теплопроводности втулки, Вт/м*К.

Рассчитаем приращение температуры в узле исходя из следующих данных:

·        контактное давление p_к =0,7 МПа;

·        коэффициент трения m=0,02;

·        скорость скольжения v=17,27 м/с;

·        радиус втулки r₁=0.055 м;

·        наружный радиус манжеты r₂=0,0675 м;

·        коэффициент теплопроводности материала Ф4К20                 l₁=0,5 Вт/м*К;

·        коэффициент теплопроводности втулки l₂=58 Вт/м*К;

·        температура перекачиваемой воды Т_ж=20 ⁰С.

 (⁰С).

По формуле (4) сделаем расчет максимальной температуры в узле трения:

Т_max =20+45=65 ⁰С.

Температура кипения воды составляет 100 ⁰С.              Т_max<Т_{кип.воды}. Следовательно, в уплотнении жидкость кипеть не будет.

Контактное давление выбрано правильно.

Расчет усилия пружины.

Контактное давление на поверхности трения создается и поддерживается за счет усилия упругого элемента.

Целью данного расчета является:

1.     определение усилия пружины, при котором p_к будет соответствовать заданному;

2.     выбор пружины, способной создать требуемое усилие (рассчитанное в п.1);

3.     проверочный расчет пружины по допускаемым напряжениям.

1.)    При заданном контактном давлении давление, передаваемое усилием пружины следует определять по формуле:

        (7),

где Р_пр - давление, передаваемое усилием пружины, МПа;

       р_к - контактное давление, МПа;

       р_р - рабочее давление среды, МПа;

       a - коэффициент, учитывающий особенности конструкции уплотнения и показывающий, какая доля р_р приходится на увеличение р_к (для рациональных манжетных уплотнений a=0,9).

Усилие пружины можно определить по следующей формуле:

, откуда                   (8),

где  S – площадь контакта манжеты и втулки;

        к – коэффициент передачи усилия пружины (для фторопластовых уплотнений к=0,7¸1).

Подставив формулу (7) в формулу (8) получим:

      (9).

Сделаем расчет усилия пружины исходя из следующих данных:

·        Контактное давление р_к=0,7´10⁶ Па;

·        Коэффициент a=0,9;

·        Рабочее давление среды р_р=0,2´10⁶ Па;

·        Коэффициент передачи усилия пружины к=0,9;

·        Диаметр втулки d=110´10^-3 м;

·        Ширина зоны контакта манжеты с втулкой l=410 м. Тогда площадь контакта S=p´d´l,

   (м²).

По формуле (9) усилие пружины:

  (Н).

2) Следовательно, необходимо подобрать пружину для поддержания контактного давления, которая будет развивать усилие р больше, чем 797 Н.

Выберем жесткую тарельчатую пружину, конструкция которой представлена на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Пружина тарельчатая.

Внутренний диаметр тарелки d₁=d+h, где d- диаметр втулки, h=2¸4 мм. При  h =4 мм  d =114мм. Внешний диаметр тарелки равен внутреннему диаметру втулки, внутри которой расположена пружина и равен 164 мм. Тогда отношение диаметров тарелок .

Выбираем следующие размеры пружины:

·        Высота внутреннего конуса f=1,5 мм;

·        Толщина листа тарелки S=3 мм;

·        Габаритная высота конуса h₀=f+S,   h₀=1,5+3=4,5 мм;

·        Угол наклона образующей конуса q=3⁰ (для стандартных пружин q=2¸5);

·        Осадка пружины — d.

 Для тарельчатых пружин должно выполняться условие: осадка d пружины не должна превышать величину 0,8´f.

Вычислим максимально допустимую осадку пружины d_max=0,8´1,5=1,2 мм.

Зависимость нагрузки от осадки пружины имеет вид:

     (10),

где    Е – модуль упругости материала тарелки, Па;

          n – коэффициент Пуассона тарелки;

          А – коэффициент, принимают по справочной литературе.

Построим характеристику пружины, для которой:

·        Модуль упругости стали 60С2А Е=2,1´10⁵ МПа;

·        Высота внутреннего конуса f =1,5´10^-3 м;

·        Коэффициент Пуассона n=0,28;

·        Коэффициент А=0,46;

·        Толщина листа тарелки S=3´10^-3 м;

·        Внешний диаметр тарелки D₁=164´10^-3 м.

Для этого рассчитаем величину нагрузки, при которой осадка пружины будет максимальной по формуле (10):

                                  

d, мм	Р, Н
0,15	235
0,3	704
0,6	1337
0,9	1915
1,2	2459

 

 

Из графика видно, что данная пружина способна обеспечить усилие равное 797 Н, необходимое для поддержания контактного давления.

3) Рассчитаем максимальные напряжения на внутренней кромке тарелки и сравним и их с допускаемыми напряжениями для стали 60С2А, [s]=500 МПа.

Максимальные окружные напряжения на внутренней кромке тарелки определяются по формуле:

              (11),

где  к, к₀, к₁ – коэффициенты, определяемые по справочнику.

к=0,38, к₀ =0,88, к₁=0,43.

что значительно меньше допустимой величины рабочих напряжений для материала пружины.

Определение толщины фланца нажимного.

Толщина фланца а определяется по формуле:

а=1,25´d_б            (12) ,

где d_б - диаметр шпилек.

Минимальный диаметр шпилек d_min для затяжки фланца определяется по следующей формуле:

  (13),

где   р_к – контактное давление;

        [s_р] – допускаемое напряжение растяжения шпилек,                              [s_р]=20…35 МПа;

          z   - число шпилек.

При D=135 мм, z=2, [s_р] =25 МПа,  d=110 мм:

  (мм).

По ГОСТ 24705-81 принимаем d_б =16 мм. Шпилька М16´2,5.

Толщина фланца:

а=1,25´15=20 мм.

Определение ресурса уплотнения насоса ЦНС-180.

Подтяжку сальниковой набивки марки АГ выполняют через каждые 40-50 минут. Ресурс сальникового уплотнения по защитной втулке составляет около 2000 часов (при давлении среды в несколько десятых долей МПа и до 2% по массе твердых включений).

Рассчитаем ресурс уплотнения из фторопласта марки 4К20. Ресурс можно определить по следующей формуле:

   (14),

где  [И] – предельная величина износа;

        v_изм – скорость изнашивания материала 4К20.

Предельная величина износа [И] равна уменьшению размера манжеты по высоте при максимальном поджатии пружины d_max=1,2 мм.

Определи величину износа манжеты пользуясь рисунком 4.

 

 

 

 

 

 

При поджатии манжеты пружиной на величину d_max =ОО' сторона Оа примет положение О'а', точка в — в'.

Предельная величина износа [И] равна отрезку вв', отрезок вв'=аа''.

Величину аа'' можно найти из прямоугольного треугольника аа'а'', рисунок 5.

                                                     аа''=аа'´sinÐа'аа''.

                                                     Ðа'аа''=90⁰ –46⁰ =44⁰.

                                                     аа''=аа'´sin44⁰.

Рис. 5.

Величина аа' равна отрезку х (DОО'О''), рисунок 6.

                                                     В  DОаО''

                                                      Þ

                                                     Þ

                                                     ОО'= d_max=1,2 мм.

                                                     Из  DОаО'' - равнобедренного

                                                     ÐО'О''О=

Рис. 6.                                          ÐО'О''О=89,5⁰ –45⁰ =44,5⁰

Тогда   (мм).

Определим аа'':

аа''=0,6´sin44⁰=0,6´0,6947=0,42  (мм).

Следовательно, предельная величина износа манжета [И]=0,42 мм.

Скорость изнашивания манжеты 4К20 известна из опыта. Были проведены исследования материала 4К20 при различных режимах работы. Так, при скорости скольжения v=3 м/с, давлении среды    р=10 кгс/см², температуре Т=30 ⁰C ® v_изм=0,058 мкм/ч. При v=1 м/с, р=10 кгс/см², Т=30 ⁰C    ®   v_изм =0,058 мкм/ч.

На основании проведенных опытов можно сделать вывод, что в жидкой среде (в отличии от газовой) увеличение параметров работы мало влияет на скорость изнашивания.

Приняв v_изм=0,058 мкм/ч при [И]=0,42 определим ресурс уплотнения по формуле (14): 

  (часов).

При использовании нового уплотнения ресурс увеличился в 3,6 раза.