CC BY
37
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62.762:621.002:62.82
А. П. БОЛШТЯНСКИЙ В. И. СУРИКОВ
Омский государственный технический университет
ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛОВ ГИДРОМАШИН С АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ИЗНОСА УПЛОТНИТЕЛЯ
В статье приведена конструкция торцового уплотнения с автоматической компенсацией износа уплотнителя и повышенными эксплуатационными свойствами, такими как уплотняющая способность и сохраняемость. Для улучшения свойств поверхностей стыка контртел в процессе приработки предложена технология поверхностной обработки с применением метода имплантации.
Для экономичной и экологически безопасной работы гидромашин с вращающимися рабочими органами (насосов, двигателей, гидромуфт и гидротрансформаторов) большое значение имеет герметичность уплотнения приводных или выходных валов. В качестве устройств для таких уплотнений используются различные, в том числе и достаточно сложные комбинированные конструкции и, в частности, торцовые уплотнения, содержащие неподвижный и вращающийся диски, на одном из которых размещено кольцо из антифрикционного материала.
Попытки совершенствования таких устройств, в частности, связано с оптимизации контактного давления между контртелами. Одно из последних опубликованных технических решений в этом направлении [1] предусматривает автоматическое изменение контактного давления в зависимости от частоты вращения вала гидромашины (рис. 1).
Уплотнение разделяет две полости (А и Б). Одна из полостей, например, Б, является частью рабочей полости гидромашины. В этом случае полость А, например, является атмосферой. Количество рычагов 9 (соответственно, и выступов 12 с осями 10) может быть больше одного. Штифт 13 служит для фиксации опоры 4 относительно вала 3 в окружном направлении.
Торцовое уплотнение работает следующим образом. В том случае, если вращение вала 3 отсутствует (рис. 1а, режим простоя или хранения гидромашины), подвижная опора 4 и втулка 8 также не вращаются, относительного перемещения вставок 2 и 5 не происходит. Втулка 8 упирается в короткий конец рычага 9, который, в свою очередь, опирается на тело вала 3. Через цилиндрическую предварительно сжатую витую пружину 7 втулка 8 с минимально необходимым усилием давит на опору 4, прижимая закрепленную
Рис. 1. Активное торцовое уплотнение вала: а - в состоянии покоя (хранения) с минимальным контактным давлением контртел (ю=0, FЦ = 0, FК = 0); б - в рабочем состоянии с оптимальным контактным давлением контртел (ю * 0, FЦ* 0, FК * 0): 1. Корпус. 2. Жесткая вставка. 3. Вал. 4. Подвижная опора.
5. Эластичная вставка. 6. Уплотнительное кольцо.
7. Пружина. 8. Подвижная втулка. 9. Рычаг.
10. Ось рычага. 11. Груз. 12. Выступ. 13. Штифт;
А и Б - внешняя и уплотняемая среда
на нем вставку 5 к ответной вставке 2 корпуса 1, чем и создается минимальный необходимый при неподвижном валу 3 уплотнительный эффект. В этом случае даже при длительном простое гидромашины не происходит деформация уплотнительных элементов (вставок 2 и 5) и взаимная диффузия их поверхностных слоев. Кроме того, минимальная деформация витков пружины 7 позволяет сохранять длительное время ее упругие характеристики.
При запуске гидромашины, в которой установлено уплотнение, и начале вращения вала 3 (рис. 1б) вместе с этим валом вращается опора 4, выступ 12 и, соответственно, рычаг 9. За счет сил трения между опорой 4 и пружиной 7, а также между коротким концом рычага 4 и втулкой 8 последняя также вращается с частотой вала 3.
В связи с тем, что во время длительной стоянки или в процессе хранения контактные давления в стыке вставок 2 и 5 минимальны, диффузии их поверхностных контактирующих слоев в идеальном случае не происходит. Поэтому при страгивании с места во время запуска механизма не происходит и вырывов более мягкого материала одной из вставок 2 и 5.
При вращении вала 3 на рычаг 9 действуют центробежные силы Fц, а, поскольку его масса распределена неравномерно относительно оси 10, более массивный длинный конец рычага поворачивает его таким образом, что короткий конец этого рычага своим плечом нажимает на втулку 8 в направлении, показанным на рис. 2 стрелкой, с силой FК. При этом пружина 7 дополнительно сжимается, и происходит увеличение усилия, действующего на опору 4 со вставкой 5 в сторону контакта последней
со вставкой 2 корпуса 1, что приводит к увеличению контактного давления в стыке вставок 5 и 2 и повышению герметизирующей способности уплотнения. Это обстоятельство позволяет компенсировать снижение вязкости и увеличение проникающей способности рабочей жидкости (масла), находящейся в полости Б, температура которой повышается при работе гидромашины.
Чем выше частота вращения вала 3, т.е. чем в более нагруженном режиме работает гидромашина, тем выше температура рабочей жидкости, тем выше давление ее паров, ниже ее вязкость и, соответственно, больше проникающая способность. Однако с увеличением опасности потери через уплотнение увеличиваются и центробежные силы, действующие на рычаг 9 и повышающие контактное давление в уплотнительном стыке между вставками 2 и 5. Этим достигается положительная обратная связь между герметизирующей способностью уплотнения и проникающей способностью рабочей жидкости.
Зависимость между частотой вращения вала и давлением в контакте поверхностей вставок 2 и 5 может корректироваться соотношением плеч рычага 9, массой и положением груза 11, а также формой рабочей поверхности короткого плеча рычага или формой опорной поверхности втулки 8.
Таким образом, конструкция торцового уплотнения позволяет за счет снижения контактного давления между уплотняющими поверхностями и исключения их диффузии в процессе длительного простоя или хранения при обеспечении высокой герметичности во время работы повысить работоспособность уплотнения и его сохраняемость.
Важным вопросом обеспечения успешного функционирования подобных конструкций является процесс приработки трущихся поверхностей. Для рассматриваемого технического решения это особенно важно, т.к. оно предусматривает воздействие сил FК со стороны пространственной конструкции, в связи с чем действие этих сил не может фактически иметь направление строго по оси вала (рис. 1), и подвижная часть контртела (поз. 5) в процессе приработки должна занять свое постоянное «место». В связи с этим желательно обеспечить условия, при которых процесс приработки пройдет без ухудшения качества уплотнения.
Для улучшения процесса приработки, в частности, может быть использована поверхностная имплантация контртел. Исследования по этому направлению проведено при поддержке РФФИ и заключались в применении ионно-лучевого модифицирования, позволяющего изменять физико-механические свойства поверхностных слоев в широком диапазоне.
Важное значение в развитии метода ионной имплантации имеет создание высокоэффективных, технологически надежных импланторов, обеспечивающих имплантацию ионов любого сорта в поверхность широкого класса материалов. Для технологических целей целесообразно использование, наряду с газоразрядными, твердотельных дуговых частотно-импульсных ионных источников, отличающихся рядом эксплуатационных преимуществ.
Теоретическое рассмотрение проблемы и соответствующие расчеты позволили обосновать рекомендации по выбору сорта ионов, их энергии и дозы. Учтено влияние этих факторов на известные закономерности процессов трения и изнашивание и физико-механические свойства трущихся поверхностей [2]. Учитывая правило положительного градиента механических свойств трущегося тела (правило Ребиндера), желательно, чтобы прирабо-точную стадию проходил тончайший менее упрочненный поверхностный слой, а при установившемся трении работал более упрочненный, с большим содержанием импланта, несущий сформировавшуюся на стадии приработки пленку фрикционного переноса, состоящую из продуктов износа полимерной детали и микрочастиц контртела. Дня реализации такого условия целесообразно получить с помощью имплантации симметричное распределение ионов по пробегам, что достигается соответствующим выбором комбинации «ион-мишень» и энергии импланта. Эту же задачу можно решить поочередной имплантацией ионов с различными энергиями. Из разряда материалов используемых в качестве импланта для данной мишени, необходимо выбрать с помощью расчета те из них, для которых пробеги в мишени максимальны. Если при этом выбранный имплант будет обладать высокой поверхностной энергией, то это обеспечит быстрое формирование пленки фрикционного переноса в процессе приработки, а также хорошее ее сцепление с модифицированной поверхностью металлического контртела. Глубина проникновения ионов с энергиями, лежащими в обычном технологическом диапазоне, достигает десятых долей микрометра, что оказывается вполне достаточным для улучшения триботехнических свойств. Использование ионов с такими энергиями, с одной стороны, обеспечивает упрочнение достаточно глубокого слоя, а с другой - не ухудшает микрорельеф поверхности.
В работе исследовано влияние параметров процесса имплантации на микротвердость и микрогеометрию алюминиевого сплава В95 и стали 12Х18Н10Т. Кроме того, предложена и обоснована комплексная обработка алюминиевого сплава, заключающаяся в предварительной химической обработке поверхности трения с последующей имплантацией. Полученные результаты, особенно их теоретические аспекты, могут быть применены и к другим, сходным по составу сталям и алюминиевым сплавам.
Результаты изменения микротвердости, показывают, что при имплантации ионов в поверхностном слое образуются новые твердые растворы, что приводит к увеличению микротвердости вплоть до достижения доз, близких к насыщению.
Для определения влияния ионной имплантации на микрогеометрию поверхности в образцы исследуемых материалов имплантировались ионы молибдена с энергией 25-90 кэВ. Результаты показывают, что степень изменения параметров шероховатости значительно зависит от исходной шероховатости образцов. Например, поверхности, полученные точением в отличие от шлифованных имеют высокие
микровыступы с большим шагом между ними. Поэтому распыление поверхности приводит к тому, что заметно изменяется как высота микровыступов, так и их средний радиус.
На основании полученных экспериментальных данных для сплавов В95 и 12Х18Н10Т можно заключить, что параметры шероховатости для алюминиевого сплава изменяется при ионной имплантации значительнее, чем для нержавеющей стали. Это связано с различием масс атомов алюминия, железа и молибдена, входящих в сплавы и энергии связи. Этим же объясняется и то, что наибольший рост коэффициента распыления для сплава 12Х18Н10Т приходится на область более высоких энергий ионов. Это особенность изменения коэффициента распыления, очевидно, должна наблюдаться и при имплантации других ионов.
Результаты испытания и физико-химические свойства алюминиевых сплавов указывают на целесообразность предварительной перед имплантацией химической обработки, например, в растворе NaOH, где происходит растворение A12O3. Алюминий в виде алюмината натрия выходит в раствор, а поверхностный слой обогащается оксидами легирующих элементов в мелкодисперсной фазе. Для получения информации о количественном составе равномерности распределения элементов и изменении топографии были проведены исследования на электронном микроскопе с рентгеновским микроанализатором «Hitachi XMA-5B». Полученные концентрационные кривые наглядно свидетельствуют как о значительном увеличении концентрации легирующих элементов так и более равномерном их распределении по поверхности после химической обработки.
Кроме того, при наблюдении на экранах видеоконтрольных устройств прибора одновременно топографии поверхности и распределения исследуемых элементов, было установлено, что химическая обработка приводит к сглаживанию микронеровностей и к рандомизации легирующих элементов. Следует отметить, что такие легирующие элементы, как Mg, Си, Zn, по своим физико-химическим свойствам являются элементами, способствующими образованию благоприятных трибоструктур при фрикционном взаимодействии. Однако адгезионная связь оксидов легирующих элементов с основой достаточно слаба, что приводит к быстрому изнашиванию дисперсной фазы оксидов и появлению в зоне фрикционного контакта материала основы. Для усиления адгезионного взаимодействия травленных поверхностных слоев с подложкой целесообразно модифицирование этой поверхности с целью образования износостойких структур методом ионной имплантации. Положительные результаты были получены на стендовых испытаниях имплантированных цилиндров, которые после травления обрабатывались спиртовой суспензией карбофторида, который, являясь поверхностно-активным веществом, обладает способностью диффундировать на сравнительно большие глубины и, в силу поверхностной активности, способствуют
скорейшему образованию пленки фрикционного переноса на этапе приработки [3].
С целью улучшения условий приработки пары трения и исключения образования рисок исследовали влияние нанесения порошкообразного дисульфида молибдена на рабочую поверхность цилиндров перед ионной имплантацией. Для этого после операции травления поверхность трения цилиндров натирали порошком дисульфида молибдена и подвергали ионной бомбардировке. Находящийся на поверхности MoS2 под воздействием ускоренных ионов частично имплантируется в поверхность методом атомов отдачи, другая часть MoS2, за счет адгезионного взаимодействия закрепляется на поверхности. Благодаря этому дисульфид молибдена сохраняет свойства твердой смазки и улучшает условия приработки манжет с имплантированными цилиндрами.
Испытание обработанных таким образом цилиндров на стенде при перепадах давления от 2,0 до 6,0 МПа показали, что приработка проходит нормально, рабочие поверхности после испытаний не имеют никаких повреждений, в том числе рисок, покрыты пленкой фрикционного переноса, содержащей имплантированную медь. Хорошие результаты дает также имплантация циркония [4].
Таким образом, полученные результаты позволяют успешно использовать технологию ионной имплантации при изготовлении конструктивно сложных комбинированных уплотнений, обеспечивая им
чрезвычайно важный этап функционирования — приработку, что должно способствовать в дальнейшем высокой работоспособности и сохраняемости.
Библиографический список
1. Пат. РФ № 2266454. Торцовое уплотнение/ А.П. Бол-штянский, О.А.Мамаев, В.Р. Эдигаров, Н.Г. Макаренко; — Заявка № 2004117255. Заявлено 07.06.2004. Опубл. 20.12.2005. -Бюл. № 35.
2. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном воздействии — М: Машиностроение-1986.- 360 с.
3. Blesman A. I., Gladenko A. A., Mashkov Y. K. Increas of wear resistance of metal — polymeric friction nodes by ion — beam implantation method. — 10 Intern. Conf. on Surface modification by Ion Beams: Gatlinburg,USA — 1997, p. 168.
4. Блесман А. И., Байбарацкая М.Ю., Модифицирование металлических поверхностей трения с целью повышения износостойкости пар трения. — Трение и износ, № 4, Т. 19, 1998. — С. 448 — 453.
БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики.
Дата поступления статьи в редакцию: 06.11.2007 г. © Болштянский А.П., Суриков В.И.
УДК 62.762:621.002:62.82
В. И. СУРИКОВ
Омский государственный технический университет
АКТИВНЫЕ РАДИАЛЬНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ВАЛОВ И ШТОКОВ КРУПНЫХ ГИДРОМАШИН ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
В работе рассматриваются перспективные конструкции радиальных уплотнений для крупных гидромашин с применением в качестве материала уплотнителя наполненных полимеров. Показано, что основное свойство полимера для подобных конструкций — упругость — может быть получено путем модификации политетрафторэтилена.
Одной из проблем высокой работоспособнос- время находиться в дежурном режиме ожидания
ти гидравлической техники является надежность или в условиях консервации, но при приведении их в
и сохраняемость уплотнительных узлов. Данное рабочее состояние должны обеспечить нормативную
обстоятельство особенно актуально для крупных работоспособность и ресурс работы. машин периодического действия, используемых В последнее время в качестве уплотнителей
в аварийных ситуациях систем МЧС, обслуживания гидромашин появилось стремление использовать
нефтепроводов и т.д. Эти машины могут длительное полимерные композиционные материалы (ПКМ) на
