CC BY
121
установление эффективных о6ластей применения активных методов подавления вибРАций и шума в гидро- и пневмоприводах
Проанализированы причины возникновения шума и вибрации в гидро- пневмоприводах. Установлено спектр частот, возникающих в них. Рассмотрены устройства тушения шума и вибрации в системах гидро- пневмоприводов. Особое внимание уделено устройствам активной компенсации низкочастотного шума и вибрации, построенных по принципам схем с обратной связью и схем, работающих по возмущению. Установлены перспективные схемные решения таких приспособлений и эффективные области их применения.
ключевые слова: вибрация, шум, гидропривод, пневмопривод, активные системы, гашения вибраций, тушения шума.
Андренко Павло Миколайович, доктор техтчних наук, про-фесор, кафедра глдропневмоавтоматики та ггдроприводу, На-щональний техтчний утверситет «Хартвський полтехтчний iHcmumym», Украта, e-mail: andrenko47@mail.ru.
Клтной Володимир Ыкторович, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра деталей машин та прикладног мехатки, На-щональний техшчний утверситет «Хартвський полтехтчний iнститут», Украта, e-mail: vlad_klitnoy@ukr.net.
Андренко Павел Николаевич, доктор технических наук, профессор, кафедра гидропневмоавтоматики и гидропривода, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина.
Клитной Владимир Викторович, кандидат технических наук, доцент, кафедра деталей машин и прикладной механики, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина.
Andrenko Pavel, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: andrenko47@mail.ru. Klitnoi Vladimir, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: vlad_klitnoy@ukr.net
УДК 621.515: 62-251: 62-762 БШ: 10.15587/2312-8372.2015.37319
ресурсные испытания торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками
В работе представлены результаты ресурсных испытаний торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками на опорной поверхности аксиально-подвижной втулки. Полученные результаты позволяют говорить об эффективности новой конструкции торцового сальникового уплотнения. Уплотнительный узел может использоваться при давлениях уплотняемой жидкости до 2 МПа, обеспечивая минимальные протечки и необходимый ресурс.
Ключевые слова: торцовое сальниковое уплотнение, пара трения, реверсивные канавки, податливое дно, гидродинамическое давление.
гудков с. н., Загорулько А. в.
1. введение
В условиях сравнительно низких значений показателя РУ (РУ< 10 МПа ■ м/с) сальниковые уплотнения остаются наиболее часто встречающимся типом уплотнений валов центробежных насосов общепромышленного назначения. Удачной альтернативой традиционным (радиальным) конструкциям сальниковых уплотнений являются торцовые сальниковые уплотнения, которые сочетают в себе принцип действия торцовых механических и радиальных сальниковых уплотнений. К основным преимуществам торцовых сальниковых уплотнений можно отнести: отсутствие требований прецизионной обработки пары трения, обусловленное применением в качестве одного из колец контактной пары податливой сальниковой набивки; высокую герметичность и долговечность уплотнитель-ного узла, сравнимые с торцовыми механическими уплотнениями. Поэтому разработка и исследования новых конструкций торцовых сальниковых уплотнений, обеспечивающих минимальные протечки, потери мощности на трение и ресурс уплотнительного узла, является актуальным заданием.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Анализ литературных источников показал, что в ряде работ описываются методики расчета и экспериментального определения физико-механических свойств сальниковых набивок и герметичности уплотнительного узла [1-3]. Разработаны американские и европейские стандарты для сравнительных испытаний различных материалов сальниковых уплотнений [4-7]. Описаны методы лазерного текстурирования твердых поверхностей и оценено их влияние на упругогидродинамическую смазку пар трения [8, 9].
Следует отметить, что, несмотря на преимущества торцовых уплотнений с мягкой набивкой [4], пара трения традиционной конструкции торцового сальникового уплотнения, является существенно перегруженной. Это связано с тем, что сальниковая набивка 2, находящаяся в обойме 1, отжимается давлением уплотняемой жидкости ^ от опорного диска 3, образуя по ширине пары трения два участка: конфузорный участок зазора и участок контакта, который играет основную роль герметизатора и является наиболее перегруженным (рис. 1, а).
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/1(21], 2015, © Гудков С. Н., Загорулько А. В.
17=)
В результате внешняя сила давления уплотняемой жидкости Fe, действующая на опорный диск, уравновешивается силами гидростатического р3 и контактного рс давлений, возникающими в стыке пары трения. Длины участков зазора и контакта зависят от величины уплотняемого давления, усилия поджатия пружин и физико-механических свойств сальниковой набивки [10].
J
б
рис. 1. Схема пары трения: а — традиционного торцового сальникового уплотнения; б — торцового сальникового уплотнения с податливым дном
Предыдущие исследования показали, что применение конструкции торцового сальникового уплотнения с податливым дном является одним из эффективных способов выравнивания эпюры контактного давления по ширине пары трения (рис. 1, б) [11]. Однако более существенной разгрузки контактной пары можно достичь только за счет создания дополнительной силы гидродинамического давления в зазоре уплотнительного узла. Так по аналогии с торцовыми гидродинамическими уплотнениями [12] этого можно добиться, выполняя на поверхности опорного диска профилированные канавки специальной геометрии, которые за счет создания гидродинамического давления могут уменьшить величину контактного давления, а также обеспечить обратное нагнетание части потока в уплотняемую среду. Эффективность таких способов разгрузки пары трения торцового сальникового уплотнения подтверждается численными и экспериментальными исследованиями [13, 14].
3. объект, цель и задачи исследования
Объект исследования — процессы герметизации, трения, изнашивания, теплового состояния и приработки в контактной паре торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками.
Цель исследования — проверка работоспособности, герметичности и долговечности торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить такие задачи:
1. Провести анализ существующих конструкций торцовых и сальниковых уплотнений, а также методов экспериментальной проверки их герметичности и долговечности.
2. Разработать конструкцию геометрии пары трения с податливым дном и реверсивными канавками, обеспечивающую герметичность и долговечность уплот-нительного узла торцового сальникового уплотнения центробежного насоса.
3. Разработать экспериментальный стенд, методику проведения испытаний и исследовать герметичность и тепловое состояние уплотнения в зависимости от давления уплотняемой среды и времени испытания.
4. описание экспериментального стенда и конструкции уплотнения
Для проверки работоспособности новой конструкции торцового сальникового уплотнения на экспериментальном стенде (рис. 2) проводились ее ресурсные испытания. Из бака 1 через фильтр 2 и гаситель пульсаций 4 плунжерным насосом 3 уплотняемая жидкость под давлением 0,4..2,0 МПа подавалась в корпус экспериментальной установки, выполненной на базе центробежного консольного насоса, в которую монтировался исследуемый узел уплотнения 6. Вал экспериментальной установки приводился во вращение асинхронным двигателем переменного тока мощностью 11 кВт, а частота вращения регулировалась с помощью преобразователя частоты 8 в диапазоне 0..3000 об/мин. Давление уплотняемой жидкости р! перед уплотнением контролировалось манометром 5, величина протечки через уплотнение в различные моменты времени в течение испытаний измерялась мерной емкостью 7, а температура обоймы уплотнения датчиком температуры 9.
рис. 2. Схема экспериментального стенда
В торцовом сальниковом уплотнении с реверсивными канавками на опорной поверхности аксиально-подвижной втулки 2 выполнены трапециевидные канавки 4 (рис. 3, а, б), открытые в сторону уплотняемой среды. Предварительное поджатие сальниковой набивки 1 аксиально-подвижной втулкой 2 осуществляется упругими элементами 3 (пружинами). Механизм работы уплотнения заключается в следующем, под действием давления уплотняемой среды аксиально-подвижная втулка 2 поджимается к сальниковой набивке 1. Набивка прогибается в кольцевую канавку, расположенную на дне гнезда обоймы и в трапециевидные канавки,
а
J
выполненные на опорной поверхности аксиально-подвижной втулки, выравнивая тем самым контактное давление и формируя необходимой формы микрокамеры, генерирующие при вращении вала дополнительное к давлению уплотняемой жидкости гидродинамическое давление, разгружающее контактную пару. За счет специальной геометрии канавок и возможности нагнетания потока в окружном направлении, часть протечек возвращается обратно в уплотняемую полость. Геометрия канавок, выполненных на опорной поверхности аксиально-подвижной втулки торцового сальникового уплотнения, представлена на рис. 3, б. Пара трения — фторопластовая сальниковая набивка с графитовой пропиткой по аксиально-подвижной втулке из нержавеющей стали.
Ресурсные испытания проводились при следующих параметрах:
— уплотняемое давление р1 = 0,4 МПа;
— скорость скольжения в паре трения V = 6,5 м/с;
— уплотняемая жидкость — вода.
наблюдалась при пуске установки, это связано с необходимостью первоначальной опрессовки и приработки сальниковой набивки, обусловленной ее волнистостью и шероховатостью. Через 150-200 часов пара трения фактически приработалась, и протечка через уплотнение снизилась до 4 мл/ч, а при 630 часах — до 1 мл/ч. Увеличение величины протечки в конце испытаний связано с износом опорной поверхности и с изменением геометрии канавок.
т
Рис. 4. Пара трения торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками после испытания в течение 1000 часов
Рис. 3. Торцовое сальниковое уплотнение с реверсивными канавками: а — конструкция уплотнения; б — пара трения
5. Результаты ресурсных испытаний
После испытаний в течение 1000 часов была проведена ревизия торцового сальникового уплотнения. Визуальный осмотр колец уплотнения показал незначительный износ опорной поверхности аксиально-подвижного кольца. На рис. 4 представлены фотографии торцовой поверхности колец сальниковой набивки и аксиально-подвижной втулки. На рис. 5 показана зависимость протечек через уплотнение в зависимости от времени испытания. Испытания показали, что максимальная протечка через уплотнение 420 мл/ч
Рис. 5. Зависимость протечек через уплотнение от времени испытания
Немаловажным фактором, определяющим эффективность новой конструкции торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками, является диапазон изменения ее рабочих характеристик в зависимости от величины уплотняемого давления. В связи с этим были проведены дополнительные испытания данной конструкции уплотнения при изменении уплотняемого давления. На рис. 6, а, б показаны зависимости протечки и температуры обоймы новой конструкции торцового сальникового уплотнения от величины уплотняемого давления. Как видно из рис. 6 при увеличении уплотняемого давления протечка через уплотнение увеличивается незначительно и при давлении 2 МПа не превышает 20 мл/ч. При этом температура обоймы увеличивается, а при давлениях 1,6-2 МПа стабилизируется, не превышая значение 60 °С, что еще раз подтверждает эффективность новой конструкции уплотнительного узла.
Как известно сальниковые уплотнения являются контактным типом уплотнений, поэтому на их работоспособность большое влияние оказывает температура контактных поверхностей уплотнения [15]. Повышенная температура приводит к выгоранию пропитки сальниковой набивки, следовательно, приводит к ее разрушению и выходу уплотнения из строя.
б
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/1(21], 2015
Q, мл/ч 20 -,—
0.4 0.8 1.2 1,6 2
рьМПа
а
t,°C
б
рис. 6. Зависимость протечек (а) и температуры обоймы (б) торцового
сальникового уплотнения от величины уплотняемого давления
Б. обсуждение результатов исследования торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками
Разработана конструкция торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками, позволяющая за счет гидродинамической разгрузки пары трения и обратного нагнетания части потока в уплотняемую среду, снизить величину протечки, трение и изнашивание, а также существенно расширить рабочие параметры (уплотняемое давление и скорость скольжения) пары трения уплотнительного узла. Ресурсные испытания подтвердили работоспособность, герметичность и долговечность новой конструкции уплотнения, которая может использоваться для насосов общепромышленного назначения, перекачивающих химические и нейтральные жидкости.
В дальнейших исследованиях необходимо руководствоваться международными стандартами, которые для сравнения эффективности различных типов набивок и геометрии пары трения предусматривают также измерение потерь мощности на трение и величину износа опорной поверхности уплотнения.
7. Выводы
В результате проведенных исследований:
1. Проведен анализ существующих конструкций торцовых механических, сальниковых и гидродинамических уплотнений, а также методов экспериментального определения физико-механических свойств сальниковых набивок и герметичности уплотнительного узла, что позволило сделать вывод об актуальности разработки
и исследования новых конструкций торцовых сальниковых уплотнений, обеспечивающих минимальные протечки, потери мощности на трение и ресурс уплотнительного узла.
2. Разработана конструкция геометрии пары трения с податливым дном и реверсивными канавками, экспериментальный стенд и методика проведения исследований герметичности и теплового состояния уплотнения в зависимости от давления уплотняемой среды и времени испытания.
3. Полученные результаты позволяют говорить об эффективности новой конструкции торцового сальникового уплотнения с реверсивными канавками. Уплотни-тельный узел гарантировано может использоваться при давлениях уплотняемой жидкости до 2 МПа, обеспечивая минимальные протечки и необходимый ресурс. Причем более эффективная работа, предложенной конструкции уплотнения, определяется правильным выбором геометрии, формы и количества гидродинамических канавок, что возможно только в результате создания надежной теории расчета такого уплотнительного узла.
Литература
1. Diany, M. Evaluation of Contact Stress in Stuffing Box Packings [Text] / M. Diany, A.-H. Bouzid // Volume 2: Computer Technology. — ASME, 2006. — P. 87-92. doi:10.1115/ pvp2006-icpvt-11-93083
2. Diany, M. Analytical evaluation of stresses and displacements of stuffing-box packing based on a flexibility analysis [Text] / M. Diany, A.-H. Bouzid // Tribology International. — 2009. — Vol. 42, № 6. — P. 980-986. doi:10.1016/j.triboint.2009.02.002
3. Diany, M. An experimental-numerical procedure for stuffing box packing characterization and leak tests [Text] / M. Diany, A.-H. Bouzid // Journal of Tribology. — January 2011. — Vol. 133, № 1. — P. 012201. doi:10.1115/1.4002929
4. Type testing of process valve packing for fugitive emissions [Electronic resource] // API 622. — Ed. 2. — 2011. — Available at: \www/URL: http://ballots.api.org/cre/scop/ballots/ docs/622/622e2reballot.pdf
5. Specification for a test procedure for packings for rotary applications [Electronic resource] // Fluid Sealing Association. — Publication N 020/2011. — P. 1-12. — Available at: \www/ URL: http://europeansealing.com/uploads/resources/publica-tions/ESA-FSA-Pump-Packings-Test-Procedure.pdf
6. Edwin-Scott, D. The development of a standard test procedure for packings in rotary applications [Text] / D. Edwin-Scott, D. Fribourg; Ed.: R. Flitney // Proceedings of 21st International Conference on fluid sealing, 30 Nov — 1 Dec 2011, Milton Keynes (UK). — 276 p.
7. Mahoney, Ph. How can I compare the performance of pump packing? [Text] / Ph. Mahoney // Pumps & Systems. — August 2012. — P. 104-107.
8. Etsion, I. State of the Art in Laser Surface Texturing [Text] / I. Etsion // Journal of Tribology. — 2005. — Vol. 127, № 1. — P. 248-253. doi:10.1115/1.1828070
9. Shinkarenko, A. The effect of surface texturing in soft elasto-hydrodynamic lubrication [Text] / A. Shinkarenko, Y. Kliger-man, I. Etsion // Tribology International. — 2009. — Vol. 42, № 2. — P. 284-292. doi:10.1016/j.triboint.2008.06.008
10. Гудков, С. Н. Торцовые механические уплотнения с гидродинамической разгрузкой пары трения [Текст] / С. Н. Гудков // Вюник Сумського державного ушверситету. Серiя Техшчш науки. — 2007. — № 2. — С. 34-41.
11. Пат. 2181453 РФ, F16J15/34. Уплотнение вала [Электронный ресурс] / Марцинковский В. А. (UA), Загорулько А. В. (UA), Гафт Я. З. (RU); заявитель Фирма ГИДРОМАШ-ГЕРМ; патентообладатель Марцинковский В. А. — № 2001107864/06; заявл. 26.03.01; опубл. 20.04.02, Бюлл. № 11. — Режим доступа: \www/URL: http://www.freepatent.ru/patents/2121096
12. McNickle, A. D. Near-Contact Laser Surface Textured Dry Gas Seals [Text] / A. D. McNickle, I. Etsion // Journal of Tribology. — 2004. — Vol. 126, № 4. — P. 788-794. doi:10.1115/1.1792695
13. Загорулько, А. В. Экспериментальные исследования новых конструкций торцовых сальниковых уплотнений с гидродинамической разгрузкой пары трения [Текст] / А. В. Загорулько, С. М. Гудков // Вюник Схщноукрашського нацюнального уш-верситету iменi Володимира Даля. — 2007. — № 3. — С. 91-97.
14. Загорулько, А. В. Решение задачи упругогидродинами-ческой смазки для пары трения торцового сальникового уплотнения [Текст] / А. В. Загорулько, С. Н. Гудков // Вюник Сумського державного ушверситету. Серiя: Техшчш науки. — 2010. — № 3, Т. 1. — С. 75-82.
15. Марцинковский, В. А. Насосы атомных электростанций [Текст] / В. А. Марцинковский, П. Н. Ворона. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 256 с.
РЕСУРСШ ВИПРОбУВАННЯ ТОРЦЕВОГО САЛЬНИКОВОГО УЩШЬНЕННЯ З РЕВЕРСИВНИМИ КАНАВКАМИ
У робот представлен1 результаты ресурсних випробувань торцевого сальникового ущшьнення з реверсивними канавками на опорнш поверхш акаально-рухомо! втулки. Отримаш ре-зультати дозволяють говорити про ефектившсть ново! конструк-цц торцевого сальникового ущшьнення. Ущшьнюваний вузол може використовуватися при тисках ущшьнювано! рщини до 2 МПа, забезпечуючи мМмальш витоки 1 необхщний ресурс.
Kлючовi слова: торцеве Сальникове ущшьнення, пара тертя, реверсивш канавки, податливе дно, гщродина1шчний тиск.
Гудков Сергей Николаевич, заведующий лабораторией, кафедра общей механики и динамики машин, Сумский государственный университет, Украина, e-mail: sngudkov@omdm.sumdu.edu.ua. Загорулько Андрей Васильевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра общей механики и динамики машин, Сумский государственный университет, Украина, e-mail: anzagorulko@omdm.sumdu.edu.ua.
Гудков Сергт Миколайович, завгдувач лабораторп, кафедра загальног мехатки та динамжи машин, Сумський державний утверситет, Украгна.
Загорулько Андрт Васильович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра загальног мехашки та динамжи машин, Сумський державний утверситет, Украгна.
Gudkov Sergii, Sumy State University, Ukraine, e-mail: sngudkov@omdm.sumdu.edu.ua. Zahorulko Andriy, Sumy State University, Ukraine, e-mail: anzagorulko@omdm.sumdu.edu.ua
УДК 621.757 : 621.7.08 DOI: 10.15587/2312-8372.2015.37678
кузж о. А., вплив ТЕХН0Л0Г1ЧН01
Кусий Я. М., Тотльницький В. Г.
СПАДК0В0СТ1 НА ПАРАМЕТРИ НАД1ЙН0СТ1 ВИР0Б1В
Проаналiзовано проблему забезпечення надiйностi у взаемозв'язках iз життевими циклами машини та тженерп поверхм деталей. Встановлено роль технологiчног спадковостi у форму-ванм експлуатацшних характеристик та показнитв надiйностi. Вдосконалено структурну схему формування показнитв надiйностi технологiчного процесу та математичну залежтсть для визначення ймовiрностi його безв^дмовного здшснення Р(Ь). Представлено обгрунтування та аналiз отриманих результатiв, показан шляхи подальших дослгджень.
Клпчов1 слова: вирiб, надштсть, технологiя, технологiчний процес, iнженерiя поверхт, витн-чувально-змщнювальна операщя.
1. Вступ
Провщною концепщею забезпечення надшносп техтки на сучасному етат ü розвитку е системшсть, причому системи забезпечення надшносп охоплюють весь життевий цикл машини (рис. 1) вщ розроблення до експлуатаци [1].
Жнттсвии цикл машини
СтэдЫ сшфсиия мапиши
Ciaiiii (ксп.
етап конетруктореько-техиодопчно! ЕЩГ0Т0БКН виробницш
инструктор СЬК4 П1ДГОТОВКП виробнищва технологии;] шдгстовха виробнищва
etil II ВЛрООКИЦТМ
Рис. 1. Життевий цикл машини
Як свщчигь досввд експлуатаци машин, прилад1в, апарапв, показники надшносп залежать в1д характеру контактування спряжених деталей або взаемоди з рщким, газовим та шшим середовищем [2]. Багаточисельними дослщженнями встановлено, що яюсть поверхш деталей машин суттево впливае на 1х зносостшюсть, мщшсть, короз1йну спйьасть та шип експлуатащйш властивосп.
Економ1чна доцшьшсть комплексного за_ безпечення якосп деталей на в<пх стад1ях
луатацп '¿х життевого циклу зумовила необхщшсть формування робочих поверхонь ¿з задани-ми властивостями з використанням метод1в шженери поверхонь [3].
Важливе значения поверхневих шар1в у формуванш параметр1в над1йност1 вироб1в обумовлено тим, що при зовшшшх наван-таженнях на поверхш виникають потоки
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/1(21], 2015, © Кузш О. А., Кусий Я. М., Топiльницький В. Г
15
э
