Сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидального сечения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

165

Данные функции доставляют экстремум следующей функции:

А вектор s(t) = [sx(t), sx(t), s1(t)]T, есть решения системы дифференциальных уравнений при дифференциальных связях:

inf (4)

I(u«) = [s3(T) = z(T)]^ U

ds

— = f(s(t), u(t))

(5)

Рисунок 2. Сравнение смоделированной и действительной динамик изменения базовых показателей для Хабаровского края

Граничные условия:

1. s1(T)=x(T) - показатель численности населения системы не закреплён;

2. s2(T)=y(T) - показатель экономического развития системы фиксирован (задаётся фиксированное количество рабочих мест реального сектора экономики).

Приведённая выше постановка задачи позволяет решать задачу государственного управления как задачу нелинейного программирования

Литература

1. Гуд Г.Х., Маккол Р.Э. Системотехника: введение в проектирование больших систем.- Издательство: М.: Советское радио, 1962г. - 383с.

2. Вентцель Е. С. Исследование операций: задачи, принципы, методология.— 2-е изд., стер.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 208 с.

3. Бурлов В.Г. Основы моделирования социальноэкономических и политических процессов. Часть1. (Методология. Методы.). СПб.: НП «Стратегия будущего», 2007. - 287 с.

4. Бурлов В.Г. Основы моделирования социальноэкономических и политических процессов. Часть 2. (Модели. Технологии.). СПб.: НП «Стратегия будущего», 2007. - 278 с.

САЛЬНИКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ С МЯГКОЙ НАБИВКОЙ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

Фокина Мария Сергеевна

ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», ведущий инженер

кафедры «Инженерная экология и альтернативная энергетика», г. Москва

Бойко Павел Николаевич

ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», аспирант кафедры

«Инженерная экология и альтернативная энергетика», г. Москва

Божко Григорий Вячеславович

доцент, д.т.н., ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», профессор кафедры «Проектирование технологических машин и комплексов в химической промышленности», г. Москва

166

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

АННОТАЦИЯ

Нормальная работа технологического оборудования под давлением среды определяется герметичностью его разъемных соединений (РС) и прочностью деталей. Для герметизации (РС) широко применяют простые и недорогие в эксплуатации сальниковые уплотнения. Недостатками этих уплотнений являются большие усилия затяжки при их сборке и неравномерность распределения нагрузки на сальник по длине вала. В работе представлена новая конструкция сальникового уплотнения с мягкой набивкой трапецеидального сечения, снижающая действия указанных недостатков, ее расчет и сравнение с обычным сальниковым уплотнением.

ABSTRACT

Normal operation of the process equipment under the pressure of the medium is determined by the tightness of his connections (RS) and the strength of the parts. To seal (RS) is widely used is simple and inexpensive in operation of the stuffing box. The disadvantages of these seals are large torque settings with their Assembly and the uneven distribution of the load on the seal along the length of the shaft. The paper presents a new design of the stuffing box with soft padding trapezoidal crosssection, reducing the action of these drawbacks, its calculation and comparison with conventional gland packing.

Ключевые слова: герметичность, уплотнение, подвижные соединения, мягкая сальниковая набивка, вал, корпус сальника, нажимная втулка.

Keywords: tightness, seal, movable joints, soft gland packing, shaft, stuffing box, clamp bushing.

Нормальная работа любого технологического оборудования, находящегося под давлением рабочей среды, во многом определяется герметичностью его разъемных соединений (РС) и прочностью его деталей. Нарушение герметичности ведет к экономическим потерям производства, к загрязнению окружающей среды и снижению безопасности эксплуатации оборудования, работающего с

высокоагрессивными, токсичными, взрыво- и пожароопасными веществами. Нарушение прочности может быть причиной аварий с серьезными последствиями [3]. Основной причиной аварий и загрязнения окружающей среды [2] является плохое техническое состояние разъемных герметичных соединений (РГС) оборудования, работающего под давлением рабочей среды.

Рис.1. Схема сальникового уплотнения с мягкой набивкой

Герметизация - это обеспечение непроницаемости машин и аппаратов для жидкостей и газов с помощью узлов уплотнения - устройств для разделения сред с допускаемой их утечкой. Уплотнительный элемент размещается между уплотняемыми деталями соединения: фланцами - в неподвижных соединениях, штоком или валом и корпусом - в подвижных контактных соединениях.

В оборудовании, работающем под давлением, широко используется сальниковое уплотнение с мягкой набивкой. Это объясняется простотой конструкции и ее обслуживания, низкой стоимостью и относительно простым методом расчета геометрических параметров уплотнения.

Конструктивная схема сальникового уплотнения с мягкой набивкой представлена [1] на рис.1, где 1 - уплотняемый элемент (вал или шток), 2 - мягкая набивка, 3 -нажимная втулка, 4 - резьбовые крепежные элементы.

В кольцевое пространство между уплотняемой деталью 1 и стенкой камеры сальника размещается мягкая набивка, сжимаемая нажимной втулкой 3 за счет силы затяжки крепежных элементов 4. При сжатии набивки ее высота уменьшается, возникают осевые напряжения сжатия cz и за счет радиальной деформации набивки увеличивается радиальное напряжение cr на ее боковых поверхностях, и возникают силы трения, направленные против деформации. Поэтому осевое напряжение при затяжке уменьшается по длине набивки за счет компенсации силы трения. Распределение осевого напряжения по длине набивки z описывается [1] выражением

О = °oeXP(_ 2Kfzlb), (1)

где со - удельная нагрузка нажимной втулки 3 на слой набивки 2 шириной b; f - коэффициент трения набивки о замыкающие ее поверхности; К - коэффициент бокового давления набивки, т.е. отношение ее радиальной нагрузки к осевой.

Считают [1], что сальниковое уплотнение обеспечит герметичность соединения, если удельная осевая нагрузка на первый от уплотняемой среды слой набивки будет не меньше, чем ее давление р.

Из выражения (1) определяют напряжение со при cz, равном давлению уплотняемой среды p и z, равной длине набивки L.

Оо = p • exp(2KfL/b). (2)

Сила сжатия набивки при сборке соединения, необходимая для определения числа крепежных элементов и требуемого диаметра резьбы:

Q3 =ш1рЬ°о (3)

Здесь dср - средний диаметр слоя набивки.

Для обеспечения нормальной работы сальникового уплотнения необходимо установить рациональные его геометрические параметры - длину (высоту) и ширину набивки. С увеличением длины набивки увеличивается ее гидравлическое сопротивление, что должно снижать

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

167

утечку уплотняемой среды. Однако согласно выражению (1) с увеличением длины набивки (увеличением координаты z) уменьшается осевая удельная нагрузка cz, что приводит к снижению степени сжатия набивки и увеличению сечения каналов утечки. Кроме того, увеличение длины набивки увеличивает и силу трения набивки. Таким образом, значительная часть усилия затяжки идет на преодоление сил трения набивки о замыкающие ее поверхности. Поэтому к недостаткам такой конструкции следует отнести большую величину усилия предварительной затяжки и неравномерную эпюру радиального давления (перпендикулярно к цилиндрической поверхности вала, штока) и выработку вала, что снижает надежность уплотнения.

Из литературных источников известны конструкции, направленные на устранение недостатков сальникового уплотнения. Нами также разработано сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидального сечения и получен патент РФ на полезную модель [5]. В новой конструкции большим основанием трапеции является кольцо набивки, контактирующее с нажимной втулкой.

Повышение надежности данного сальникового уплотнения (рис. 2) достигается тем, что сечение сальниковой камеры имеет трапецеидальную форму, сужающаяся ко дну камеры. За счет подбора угла наклона боковой стороны относительно оси а можно обеспечить равномерную распределенную удельную нагрузку qz по высоте набивки при снижающейся по ее высоте осевой силе.

Рис. 2. Схема сальникового уплотнения с мягкой набивкой трапецеидального сечения. 1 - уплотняемый элемент (вал или шток); 2 - корпус сальника; 3 - кольца мягкой набивки; 4 - нажимная втулка; 5 - резьбовые крепежные

детали (не показаны)

Для сохранения постоянства осевой удельной нагрузки по высоте набивки при уменьшении суммарной осевой силы надо по высоте набивки уменьшать площадь ее радиального сечения в соответствии с уменьшением суммарной осевой силы. Согласно выражению (1) удельная нагрузка по высоте набивки изменяется по экспоненте. Примем линейный характер изменения удельной нагрузки по высоте набивки: от со, создаваемой нажимной втулкой при сборке уплотнения, до расчетного значения, соответствующего рабочему давлению р уплотняемой среды. Это допущение незначительно снизит точность расчета, но существенно упростит выполнение внутреннего профиля камеры сальника.

Выделим элементарную шириной dz кольцевую полоску на текущей высоте набивки z (рис. 2), тогда

dDz / 2 dz = tg а

После интегрирования этого уравнения в пределах

z = 0, Dz = Dо и z = L,

Dz = d + 2 b получим

tga = (D0 - d - 2b)l2L (4)

Выражение (4) отражает интенсивность изменения (уменьшения) площади сечения сальниковой набивки по ее длине.

При нагружении набивки нажимной втулкой осевая сила Qz (без учета изменения осевой силы на внешней поверхности трапеции за счет клинового эффекта (угла а)) по высоте набивки уменьшается за счет трения набивки о

замыкающие ее поверхности деталей согласно выражению (1)

Qz = Q0exP(- Щг/Ь) (5)

Выразим осевую силу через удельную осевую нагрузку и площадь ее действия в крайних сечениях.

QL = 0,785 (dL2 - d02) p и

Qo = 0,785(D2 - d0Vo. (6)

Здесь dL - наружный диаметр сальниковой набивки в сечении z = L.

В рассматриваемой конструкции в рабочих условиях осевая удельная нагрузка будет одинаковая по высоте набивки, т.е. р = со.

Равномерное распределение удельной осевой нагрузки по высоте (длине) набивки определялось из условия, что отношение нагрузок в сечениях в начале и в конце рассматриваемого участка сальниковой набивки равно отношению площадей этих сечений.

Используя выражения (5) и (6), получим

dl -d„2 = (D2 -d2)exp[-IKJL/b]

(7)

Из выражения (7) определяем наружный диаметр первого от нажимной втулки кольца набивки,

D0 = [(dl -d02)exp(2Kl/b) + d02]

5

-о iv~L ' ~oj (8)

Используя выражения (4) и (8), определяем значе-

ние tg а.

168

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

tga =

Ы - <)exp(2K&/ft) + d01‘

Сила трения в сопряжении набивки и уплотняемого

вала:

2L

(9)

В конструкции сальникового уплотнения с трапецеидальным сечением набивки при соответствующем угле стороны трапеции а удельная осевая нагрузка на набивку будет минимальная, полученная из условия обеспечения заданной герметичности и постоянная по высоте набивки. Будут постоянными значения и к.б.д. К = or / cz, и силы трения Т.

Для оценки преимущества предлагаемой конструкции сальникового уплотнения перед существующим уплотнением с цилиндрической формой набивки представляем расчет этих двух типов уплотнений с одинаковыми основными рабочими характеристиками.

Согласно выражениям (1) - (3) значение осевых нагрузок зависит от к.б.д. используемой сальниковой набивки. Поэтому определение основных параметров предложенной конструкции сальникового уплотнения проводили с используемыми на [4] типами сальниковой набивки: НГФ-С-Ф - К = 0,72, НГФ-С - К = 0,45 и АПС -К = 0,25 при усредненном значении коэффициента трения для этих типов набивок f = 0,08.

Принятые рабочие условия: диаметр уплотняемого вала do = 50 мм; сторона квадратного сечения набивки (стандартная) b = 8 мм; число колец набивки n = 4; давление уплотняемой среды р = 2,0 МПа.

В качестве примера рассмотрим расчет сальникового уплотнения с набивкой типа НГФ-С.

Из выражения (9) значение tg а внутренней поверхности камеры сальника при dL = do + 2 b = 66 мм равно 0,10 и угол а равен 6о.

Удельная осевая нагрузка по высоте набивки будет неизменная и равная рабочему давлению уплотняемой среды р = 2 МПа. По высоте набивки будет постоянная и радиальная удельная нагрузка qr = qz K = 2- 0,45 = 0,9 МПа.

T = wd0LKpf

(10)

По выражению (10) Т = 362 Н.

Сила затяжки крепежных резьбовых элементов при сборке соединения:

Q3 =k(D20 - 4)p/4 (11)

Из выражения (8) определяем Dо = 74 мм и по выражению (10) находим Qз = 4600 Н.

Аналогичные расчеты были выполнены при тех же геометрических параметрах уплотнения и для набивок НГФ-С-Ф и АПС. Результаты проведенных расчетов представлены в таблице 1.

Для сравнения и оценки преимущества предлагаемого сальникового уплотнения с трапецеидальной формой набивки был проведен расчет существующего сальникового уплотнения с цилиндрической формой набивки при тех же условиях эксплуатации и для тех же типов сальниковых набивок.

По выражению (1) определяли удельную нагрузку на набивку, создаваемую при сборке соединения.

Учитывая принятый линейный характер изменения осевой удельной нагрузки по высоте сальниковой набивки, принимали ее среднее значение

Чср =(p+^>V2

Среднее значение радиальной удельной нагрузки по высоте сальника

Яг = КЯср

Используя выражение (10), определяли силу трения в зоне сопряжения

набивки и уплотняемой детали

T = d HKqcpf

5

Таблица 1

Результаты расчетов для сальникового уплотнения с набивкой трапецеидального сечения.

К tg а а о T, Н Q^ н qr, МПа Do, мм

0,25 0,075 3,5 201 3750 0,5 69,8

0,45 0,10 6,0 362 4600 0,9 74,2

0,72 0,18 10,5 579 5800 1,44 80,4

Сила затяжки крепежных резьбовых элементов при сборке соединения

Q3 =n(d2 - doK/4

В таблице 2 представлены значения рассчитанных параметров сальникового уплотнения с цилиндрической формой набивки в зависимости от величины коэффициента бокового давления набивки К.

Таблица 2

Результаты расчетов для сальникового уплотнения с цилиндрической формой набивки.

К со,МПа дср,МПа дг,МПа Т,Н Qз,н

0,25 2,35 2,175 0,84 218 3424

0,45 2,67 2,335 1,05 422 3890

0,72 3,17 2,58 1,858 747 4619

Проведенные расчеты показали, что значения расчетных параметров сальниковых уплотнений зависят, в основном, от величины коэффициента бокового давления К, то есть, от физико-механических свойств используемой набивки. С увеличением К значения этих параметров растут. Так, при увеличении коэффициента бокового давления от 0,25 до 0,72 значение силы трения в зоне контакта набивки трапецеидального сечения и уплотняемой детали увеличивается в 2,9 раза, а для набивки цилиндрического сечения в 3,4 раза.

Сравнительный анализ двух рассматриваемых конструкций сальникового уплотнения с мягкой набивкой выявил определенные преимущества уплотнения с трапециевидным сечением набивки (первый вариант) по сравнению с уплотнением с цилиндрическим сечением (второй вариант). В первом варианте осевая и радиальная удельные нагрузки, установленные из условия герметичности соединения, имеют минимальной значения и равномерно распределены по длине набивки. Во втором варианте отношение удельной нагрузки, создаваемой при сборке соединения нажимной втулкой, к удельной

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

169

нагрузке на замыкающее уплотняющее кольцо, определяемое по условию герметичности соединения, меняется в зависимости от значения К от 1,17 до 1,58. В аналогичных пропорциях меняется по длине набивки и сила трения в зоне контакта набивки и уплотняемой детали.

Неравномерное распределение осевой силы по длине сальника и является причиной увеличения сил трения в зоне сопряжения набивки и уплотняемой детали и увеличения износа трущихся поверхностей набивки и уплотняемого элемента. Так, в принятом интервале значений К отношение сил трения во втором варианте к силе трения первого варианта изменяется в пределах 1,1 - 1,3. В таких же пределах будет меняться и интенсивность износа набивки, и потери мощности на трение в сальниковом уплотнении.

Увеличение силы затяжки резьбовых крепежных элементов сальникового уплотнения от значения коэффициента бокового давления набивки более интенсивно для первого варианта (см. таблицы 1 и 2). Это связано с увеличением площади контакта слоя набивки с нажимной втулкой.

Превышение силы затяжки для первого варианта над силой затяжки крепежных резьбовых элементов второго варианта для рассматриваемого примера в зависимости от значения К меняется в пределах 1,1 - 1,4. Однако это существенно не влияет на металлоемкость предлагаемой конструкции. Незначительным недостатком конструкции сальникового уплотнения, представленного на рис

1, является более сложное изготовление участка расточки камеры сальника, где необходимо создать конус с определенным углом.

Список литературы

1. Домашнев А.Д. Сальниковые уплотнения арматуры АЭС / А.Д. Домашнев, В.Л. Хмельникер. - М.: Ато-миздат, 1980. - 162 с.

2. Погодин В.К. Разъемные соединения и герметизация в оборудовании высокого давления / В.К. Погодин. - Иркутск. 2001. 406 с.

3. Продан В.Д. Герметичность разъемных соединений оборудования, эксплуатируемого под давлением рабочей среды: учебное пособие / В.Д. Продан. -Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. -280 с.

4. Продан В.Д. Влияние значений коэффициента бокового давления сальникового уплотнения с мягкой набивкой на работоспособность уплотнительного узла / В.Д. Продан, Г.В. Божко, П.Н. Бойко // Химическое и нефтегазовое машиностроение. М.: № 2. 2014. С. 30 - 32.

5. Патент РФ на полезную модель № 151887 от

18.09.2014 г., МПК F16J15/18. Сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидального сечения/ Г. В. Божко, М. С. Фокина, П.Н. Бойко и др. — № 2014137801/06; заявл. 18.09.2014; опубл.

20.04.2015, Бюл. № 11.

КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

И ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА

Фомахин Денис Александрович

Аспирант кафедры строительных материалов, КГАСУ, г.Казань

АННОТАЦИЯ

В настоящей статье рассматриваются пробковые покрытия и их характеристики в свете проблемы экологии помещений - как жилых так и общественных. Приведены результаты исследований уровня химического загрязнения жилых помещений, проведённых Московским НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сытина. Исходя из этих результатов показана необходимость использования в строительстве экологичных отделочных материалов. Рассмотрены качества пробковых покрытий и доказана эффективность их использования в строительстве и отделке жилых и общественных помещений на основе испытаний, проведённых на опытных образцах пробкового материала.

ABSTRACT

This article examines cork floorings and their properties in the light of the problem of indoor environment - both residential and public. The results ofstudies of chemical pollution ofpremises been conducted by the Moscow Institute ofHuman Ecology and Environmental Hygiene named after A.N. Sytin are given here. On the basis of these results the necessity of using of eco-friendly finishing materials in house-building is shown. Properties of cork material have been examined and the effectiveness of their use in house-building and decoration of residential and public buildings have been proved on the basis of tests conducted on cork samples.

Ключевые слова: пробковые напольные покрытия, экологичные строительные материалы, огнеупорность пробки, коэффициент теплопроводности напольных покрытий, коэффициент шумопоглощения пробки, качественные характеристики пробковых покрытий, преимущества пробковых покрытий.

Keywords: cork flooring, eco-friendly building materials, fire resistance of cork material, thermal conductivity coefficient of cork flooring, sound absorption coefficient of cork flooring, qualitative behavior of corkflooring, advantages of corkflooring.

Исследования Московского НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сытина РАМН показали, что уровень химического загрязнения жилых помещений очень часто до 5 раз превышает уровень загрязнения атмосферного воздуха.

В числе прочих источниками загрязнения являются отделочные материалы, содержащие синтетические полимеры.

Закон РФ «О радиационной безопасности населения», принятый в 1996 г., запрещает использование строительных материалов, не отвечающих требованиям радиационной безопасности, обязывает выполнять радиационный контроль сырья, материалов и изделий, предусматривает административную и уголовную ответственность за нарушение требований закона.