CC BY
42
***** зтксжт ***** № 2 (22) 2011
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 622.242
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОРШНЕВЫХ ГПДРОПНЕВМОАГРЕГАТОВ
В.И. Пындак, доктор технических наук, профессор A.B. Дяшкин, ассистент
ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия Ю.Г. Лапынин, доктор технических наук, профессор
НОУ СПО Волгоградский колледж газа и нефти
При переходе на давление > 40 МПа в гидроагрегатах требуется совершенствование имеющихся и создание новых уплотнительных устройств. Представлены соответствующие разработки и результаты их испытаний.
Ключевые слова: гидроагрегат, уплотнительное устройство, модификация, V- и Ш-образные манжеты.
Рабочее давление в сельскохозяйственном гидроприводе (8... 12МПа) не является оптимальным по критериям металлоемкости системы и коэффициента полезного действия. Многие специалисты уже
40... 50 лет настаивают на переходе к рабочему давлению > 40 МПа (в ряде отраслей промышленности давление 40 МПа стало нормой). Но заводы сельхозмашиностроения продолжают выпускать морально устаревшую гидроаппаратуру и арматуру на максимально возможное давление 16 МПа.
Серьезным препятствием для перехода на более высокое давление является отсутствие соответствующих уплотнительных устройств. Кроме рабочей среды в виде гидравлических жидкостей, приходится использовать газ, водовоздушные смеси, нефть, газовый конденсат, цементные и буровые растворы и т.п. в диапазоне давлений
25... 105 МПа при наличии (в ряде случаев) в рабочей среде частиц абразива. И для подобных сред отсутствуют уплотнительные устройства с необходимым сроком службы.
Для повышенного давления среды (по нормативной документации до 63 МПа, фактически 45...50 МПа) используют стандартные V-образные манжеты (рис. 1, а). Для повышения долговечности манжет и других резиновых (резино-металлических) деталей, подвергающихся интенсивному износу, разработан, но не нашел должного применения, метод диффузионной поверхностной модификации [1]. Существо метода заключается в следующем: готовые детали выдерживают в растворе дифенилгуанидина и хлороформа на протяжении 15...24 часов, после чего проводят сушку при 60 °С до удаления раствора и термофиксацию при температуре 140... 150 °С в течение 1...2 часов. В результате этого твердость резины может достигать 84...87 ед. (по ТМ-2), а глубина модификации - 1,4...2,5 мм, модуль упругости на поверхностном слое увеличивается в среднем в 60 раз при сохранении эластичности сердцевины детали; коэффициент трения по стали снижается примерно в 2 раза.
Модификация повышает срок службы резиновых манжет, но не решает проблему надежной герметизации агрегатов при высоком давлении. К тому же при возрастании давления У-образные манжеты «раздавливаются», увеличивая и без того высокую силу трения по уплотняемой поверхности. Для решения этой проблемы разработаны принципиально новые уплотнительные устройства со специальными М-образными манжетами (рис. 1, б; [2-5]). Отдельная манжета в сечении (рис. 1, е) содержит центральный выступ 1 и два расположенных по бокам лепестка 2, соединенных с выступом посредством «слабых» перемычек 3. В свою очередь, на каждом лепестке предусмотрены опорная 4 и уплотняющая 5 плоскости, а также плоскости возможного контакта 6.
Рисунок 1 - Уплотнительные устройства (а, б) и М-образная манжета в сечении (в)
При установке уплотнительных устройств в поршневой агрегат лепестки М-образных манжет разворачиваются относительно «слабых» перемычек (отнюдь не деформируются!), обеспечивая надежную герметизацию системы. Если последняя рассчитана на 60 и более МПа (вплоть до 105 МПа, испытательное давление в 1,25... 1,50 раз больше рабочего), в состав уплотнительного устройства включают по 2...4 манжеты с каждой стороны. На рис. 1, б показано устройство с поочередной герметизацией двустороннего давления, для этого между тыльными сторонами манжет предусмотрено оригинальное опорное кольцо 7. При одностороннем давлении устройство существенно упрощается [3, 5]. М-образные манжеты изготавливают из резиноткани методом вулканизации.
По мере возрастания рабочего давления лепестки 2 дополнительно разворачиваются, вплоть до полного контакта
уплотняющих плоскостей 5 с цилиндрами агрегата, при этом опорные плоскости 4 взаимодействуют с соответствующими плоскостями кольца 7 и с плоскостями 6 соседних манжет, если их количество с одной стороны кольца > 2. В этом случае основную нагрузку воспринимают центральные выступы 1, а лепестки 2 лишь обеспечивают герметизацию системы. При движении поршня с уплотнительным устройством острые кромки 8 манжет очищают цилиндры (могут удалять и абразив), что способствует дополнительному повышению срока службы агрегата.
Для изучения новых технических решений - модификации серийных резиновых У-образных манжет и функциональных возможностей уплотнительных устройств с резинотканевыми М-образными манжетами - создан специальный гидравлический стенд в блочно-модульном исполнении. Стенд включает, в частности, насосносиловую установку, гидродвигатель возвратно-поступательного действия и два параллельно действующих гидроагрегата. В последних предусмотрены подвижные поршни, в каждом из них смонтированы пары уплотнительных устройств по схемам рисунков 1, а и б, в промежуток между которыми подведена рабочая среда под заданным давлением.
С помощью стенда определяли: силу трения манжет
относительно цилиндров в зависимости от давления среды; наработку уплотнительных устройств (по критерию утечек). Рабочая среда в гидроагрегатах - гидравлическая жидкость, рабочее давление - 25...40 МПа.
У-образные манжеты отличаются повышенной силой трения Ь (рис. 2, кривая V), в 2,5... 3,0 превышающей соответствующий показатель М-образных манжет (кривая М). После модификации сила трения резиновых У-образных манжет снижается в 1,8.. .2,0 раза (кривая V.мод), но уступает силе /' М-образных манжет. Во всех трех вариантах сила /’ закономерно повышается по мере увеличения давления р гидрожидкости, поскольку возрастает давление контакта (контактные напряжения) уплотняемых поверхностей манжет относительно цилиндров. Очевидно, что по мере возрастания силы Ь увеличивается энергоемкость системы и износ манжет.
***** ЮШСт/ГХ ***** № 2 (22), 2011
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
\-,кН
Рисунок 2 - Зависимость силы трения манжет относительно цилиндров от давления среды
Важнейшим показателем уплотнительных устройств является их наработка, критерием которой служат утечки гидрожидкости в образующиеся изъяны манжет после их прогрессирующего износа. По данным литературных источников, допустимые утечки из гидропривода в бак ограничиваются величиной ¿/=10-12 мл/мин, иногда больше. Серийные У-образные манжеты отличаются повышенным износом и, как следствие, крайне низкой наработкой - не более 47 часов при давлении гидрожидкости 25.. .40 МПа (рис. 3, кривая V).
После модификации этих манжет наработка существенно возрастает, достигая 280 часов - почти в 6 раз больше (кривая УМОд), хотя на графиках верхний предел утечек составляет всего 12 мл/мин, но характер нарастания кривых V и \мо,, свидетельствует о потере герметичности гидроагрегатов.
Уплотнительное устройство с М-образными манжетами не удалось довести даже до утечек q = \2 мл/мин - после 300 часов наработки (рис. 3, кривая М). Манжеты хотя и имели следы износа, но оставались работоспособными. Прогнозируемый уровень наработки М-образных манжет составляет 500...600 часов. Если по схеме рис. 1, б с каждой стороны опорного кольца 7 установить по две манжеты, то наработка уплотнительного устройства возрастает в 1,6... 1,8 раза (в устройствах с У-образными манжетами это не наблюдается).
д,мл/мин
12
10
8
6
4
7
Рисунок 3 - Наработка уплотнительных устройств
Весьма показательной является кривая наработки М (рис. 3): сначала фиксируется некоторое наличие утечек, затем до 50 часов работы q = 0. Это объясняется приработкой новых манжет, после чего их уплотняющие лепестки функционируют в режиме саморегулирования - по мере износа или повышения давления среды лепестки самоустанавливаются, и лишь несущественное выкрашивание частиц резиноткани приводит к появлению незначительных утечек.
О;
С;
а
5
Рисунок 4 - Распределение напряжений сжатия в манжетах
Аналитические расчеты показали распределение напряжений сжатия о: в манжетах. В У-образной манжете напряжения
концентрируются у поверхностей контакта (рис.4, а). В М-образной манжете, как уже отмечалось, пик напряжений сжатия приходится на
центральный выступ (рис.4, б). Благодаря этому, примерно в 3 раза снижается напряжение о- у поверхности контакта. Несмотря на неизбежные погрешности вычислений, показанное распределение напряжений дополнительно подтверждает экспериментальные данные о многократном снижении энергоёмкости и, главным образом,
повышение износостойкости новых и перспективных уплотнительных устройств с оригинальными самоустанавливающимися и саморегулируемыми М-образными манжетами.
Библиографический список
1. Дроздов, Ю. Н. Повышение износостойкости резино-металлических поршней бурового насоса методом диффузионной поверхностной модификации [Текст]/ Ю.Н. Дроздов, О.В. Душко, П.В. Поляков // Вестник машиностроения. - 1989. - №9. - С. 17-18.
2. Пындак, В.И. Перспективные уплотнения в блочно-модульном исполнении [Текст]/ В.И. Пындак, A.B. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин // Сборка в машиностроении, приборостроении. -2005.-№10.-С. 35-37.
3. Пындак, В.И. Современные поршни буровых и нефтепромысловых насосов [Текст]/ В.И.Пындак // Нефтяное хозяйство. - 2008. - №2. - С. 92-93.
4. Патент № 2195593 РФ, МПК7 F\6 J 15/32. Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин [Текст]/ В.И. Пындак, A.B. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин. -Опубл. 2002. Бюл. № 36.
5. Патент № 2231706 РФ, МПК7 F16 j 15/32. Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин [Текст]/ В.И. Пындак, A.A. Самойлов и др. - Опубл. 2004. Бюл. №18.
E-mail: v.lapvnin@mail.ru
