HighExpert.RU


© к.т.н. Шепелёв В.А., инж. Шепелёв А.В.

Уплотнение вала. Контактные и бесконтактные уплотнения

В современных машинах и оборудовании, совершающих механическую работу, связанную с вращением механизмов, необходимо обеспечение герметичности рабочей полости и проходящего через неё вращающегося вала. Для этого применяются различные по конструкции и характеристикам уплотнительные устройства. Эти уплотнения также могут служить для сохранения смазки и предотвращения возможного попадания инородных частиц извне, которые способны повредить оборудование и привести к преждевременному его отказу.

Условия применения уплотнений могут значительно отличаться друг от друга, поэтому конструкции этих герметизирующих узлов совершенствовались с целью соответствия определенным параметрам эксплуатации.

Если в некоторых случаях применения уплотнений допускается небольшая утечка, то для других вариантов это может быть не позволительно. По мере всё большего ужесточения параметров рабочей среды и требований, предъявляемых к надежности, сроку службы и герметичности оборудования с вращающимся валом, происходило усложнение конструкций уплотнений и их неизбежное удорожание. Уплотнения валов могут быть разделены на две группы: контактные и бесконтактные.

Контактные уплотнения

Контактные уплотнения взаимодействуют с поверхностью вращающегося вала за счёт создания между их сопряжёнными поверхностями определённого контактного давления, благодаря которому обеспечивается герметичность, однако появляется трение и износ уплотнения и/или поверхности вала. Существует три типа контактных уплотнений.

Манжетное (радиальное) уплотнение

Манжетное уплотнение (манжета или радиальное уплотнение) в основном применяется для сохранения смазки и исключения загрязнения полости и элементов машин и оборудования извне. Такое уплотнительное устройство способно работать в температурном диапазоне от -40 до 200 градусов по Цельсию при невысоких перепадах давления. Неоспоримым преимуществом манжет является их низкая цена, малые габариты и простота установки. манжетное радиальное уплотнение вала Из-за особенностей конструкции манжетные радиальные уплотнения имеют ограничения применимости по давлению и скорости скольжения, вследствие трения они постепенно изнашиваются сами и шаржируют поверхность вала в зоне контакта, образуя на нём местный круговой износ. Манжетные уплотнения вала применяются для насосов с небольшими скоростями вращения вала при избыточном давлении до 0,5 атмосфер.

Сальниковое уплотнение

Сальниковое уплотнение (сальник или сальниковая набивка) из-за специфичности конструкции, способа установки и принципа работы, не предназначено для обеспечения высокой степени герметичности. Сальниковая набивка устанавливается таким образом, чтобы минимальная утечка жидкости обеспечивала необходимую смазку и отвод тепла из зоны контакта. Уплотнение этого типа применялось в устаревших насосах, требует периодического обслуживания. В последние десятилетия сальник неизбежно уступает свои позиции торцевому уплотнению.

Торцевое (механическое) уплотнение

Торцевое (механическое) уплотнение является прецизионным узлом, предотвращает утечку и применяется для условий, в которых недопустимо использование манжетных и сальниковых уплотнительных устройств. Эти уплотнения, как правило, имеют продолжительный срок службы практически без износа поверхности вала и не нуждаются в периодическом обслуживании.

торцевое (механическое) уплотнение вала

Высокие требования к шероховатости поверхности вала, отклонению его размеров и допусков формы и расположения сопряженных поверхностей, имеют существенное значение в обеспечении высокой герметичности и надежной работы оборудования. Многочисленные технические решения торцевых уплотнений валов предназначены для применения в разных жидкостях, с давлениями, доходящими до 200 атмосфер, с частотой вращения до 50000 оборотов в минуту, и в диапазоне температур от -250 до 500 градусов Цельсия. Этот тип контактного уплотнения часто применяется в современных насосах, мешалках, гомогенизаторах, ротационных соединениях и другом оборудовании, когда утечка рабочей среды не допускается, либо допустима её крайне малая величина.

Бесконтактные (динамические) уплотнения

Применение динамических уплотнений этой группы всегда сопровождается определенной (в некоторых случаях незначительной) величиной утечки, которая зависит от величины зазора и формы поверхностей уплотнения и вращающегося вала. Наличие такого зазора практически исключает трение между уплотнением и валом. Существует четыре типа бесконтактных уплотнений.

Щелевое уплотнение

Простое щелевое уплотнение представляет собой втулку, закрепленную в корпусе, через которую проходит вращающийся вал, между валом и втулкой имеется малый радиальный зазор. В зависимости от формы уплотнительной поверхности различают торцевые и радиальные (осевые) щели. Величина утечки зависит от физических параметров рабочей среды, пропорциональна перепаду давления, длине канала и уплотняемому периметру, и имеет кубическую зависимость от высоты радиального зазора.

щелевое уплотнение вала

Щелевое уплотнение с плавающей втулкой может отслеживать вращение вала и имеет меньший радиальный зазор, чем уплотнение с фиксированной втулкой. Гидравлически разгруженное щелевое уплотнение исключает или уменьшает усилие упругого элемента (пружины) и сохраняет преимущества уплотнения с плавающей втулкой. Щелевые уплотнения с гладкими поверхностями могут работать при перепадах давлений до 100 МПа и предельно высоких скоростях скольжения. Для повышения гидравлического сопротивления щелевого уплотнения на его уплотнительных поверхностях выполняют кольцевые канавки разнообразных форм. В современных насосах с картриджными торцевыми уплотнениями в качестве вспомогательного герметизирующего узла достаточно часто применяются простые щелевые уплотнения вала.



Лабиринтное уплотнение

Лабиринтное уплотнение представляет собой щелевое уплотнение, содержащее специальные канавки, которые резко изменяют проходное сечение канала. Этот тип уплотнения эффективен при высоких числах Рейнольдса (Re >> 500), когда потери давления превышают потери на трение в щелях, не требует смазки или периодического обслуживания. В случае возникновения износа или повреждения уплотнительного устройства величина утечки возрастает. Лабиринтные уплотнения широко применяются в осевых и центробежных компрессорах, турбодетандорах, паровых турбинах и других турбомашинах.

Винтовое уплотнение

Бесконтактное винтовое уплотнение имеет специальные пазы или винтовую резьбу, выполненные на поверхности вала и(или) в корпусе. Вязкость жидкости в зазоре между валом и корпусом обеспечивает уплотняющий эффект при одностороннем вращении вала. Конструкция уплотнения с винтовой многозаходной резьбой как на валу, так и противоположная по направлению вращения на втулке корпуса, демонстрирует большую эффективность при высоких скоростях вращения вала. Уплотнительное устройство такого типа способно эффективно работать не ниже определенной минимальной окружной скорости, при её понижении должны применяться дополнительные вторичные контактные уплотнения. Уплотнения такой конструкции находят применение в специальных насосах и другом оборудовании, работающих в особых условиях эксплуатации.

Магнитожидкостное уплотнение

Магнитножидкостное уплотнение использует коллоидную суспензию магнитных частиц (например, окиси железа), расположенную между вращающимся валом и корпусом, удерживаемую магнитным полем постоянных магнитов, для создания уплотнительного эффекта по принципу гидравлического затвора. Конструкция такого узла обладает незначительным износом (трением), малочувствительна к осевому перемещению вала. Магнитожидкостные уплотнения можно использовать на скоростях до 120000 оборотов в минуту, при температурах до +200 градусов Цельсия, и давлениях до 0,4 бар на ступень, в основном для газов и защиты от попадания твердых частиц пыли и влаги.



15.12.2019