Способы выравнивания радиальных напряжений

В разработках новых конструкций сальниковых уплотнений усилия конструкторов направлены прежде всего на устранение основного недостатка этих уплотнений — неравномерности распределения радиальных напряжений [см. (5.3)] по длине пакета набивки. В частности, предложены конструкции, в которых контактное давление между набивкой и валом достигается за счет радиального обжатия набивки внешним давлением (рис. 5.2, а) через эластичный цилиндр [5] или винтовой пружиной, используемой в качестве нажимного элемента. Предложена конструкция, в которой между расточкой корпуса и набивкой установлен радиальный нажимной элемент в виде упругого тела вращения седловидной формы. При сохранении обычного осевого сжатия набивки для выравнивания радиальных напряжений сальниковую коробку делают конусной (рис. 5.2, б) с увеличивающимся к нажимной втулке сечением, а также разделяют кольца набивки металлическими проставками (рис. 5.2, в) клиновидного сечения [6].

Для разгрузки внешних (близких к нажимной втулке) плохо смазываемых уплотняемой жидкостью колец предложен ряд конструкций, в которых осевое сжатие набивки осуществляется со стороны уплотняемой полости. На рис. 5.2, д показано внутреннее поджатие за счет подтягивания к нажимной втулке аксиально подвижной сальниковой коробки [5]. В конструкции рис. 5.2, е набивка сжимается уплотняемым давлением, которое передается через внутренний дифференциальный поршень [3]. В таких конструкциях радиальные и осевые напряжения в набивке изменяются по тому же экспоненциальному закону (5.2), (5.3), но максимально нагруженными оказываются внутренние кольца.

Рис. 5.2. Конструкции сальниковых уплотнений:
а—г — с выравниванием радиальных напряжений; д—е — с внутренним нагружением

Широкие возможности для выравнивания или создания требуемого, наперед заданного закона изменения давления по длине набивки представляет использование для размещения сальниковой набивки лепестковых втулок (рис. 5.2, г). Изгибная жесткость лепестков уменьшается по мере удаления от дна втулки; поэтому кольца набивки, расположенные со стороны нажимной втулки, при осевом сжатии сравнительно легко деформируются в радиальном направлении, благодаря чему радиальные напряжения в них уменьшаются. С учетом радиальной деформации набивки и (х) формула (5.2) принимает вид
(5.9)
Радиальные деформации корпуса ω (х) определяются дифференциальным уравнением изгиба лепестка
(5.10)
и на основании условия совместности равны деформациям набивки ω(x)=u(х). В свою очередь, изгибающий момент определяется распределением радиальных напряжений
(5.11)
Таким образом, выражения (5.9)—(5.11) образуют замкнутую систему, из которой можно найти I (х), т. е. профиль сечения лепестка, обеспечивающий требуемый или близкий к нему закон изменения давления σr (х) набивки на вал по длине пакета.

Конструкция с податливым корпусом (рис. 5.3) успешно прошла экспериментальную проверку. Максимальная температура на поверхности защитной рубашки 3 под набивкой 2, расположенной в корпусе 1 с упругими лепестками 4, в диапазоне уплотняемых давлений 0,2—0,8 МПа находилась в пределах 40—45°С при частоте вращения вала 4000 об/мин (диаметр вала под набивкой 50 мм, длина пакета из трех колец 45 мм). При тех же условиях максимальная установившаяся температура под набивкой в жестком корпусе по мере увеличения давления возрастала от 50 до 75 °С [6].

Существенного выравнивания напряжений можно достичь, используя двустороннее внешнее и внутреннее обжатие набивки: на первом этапе при монтаже сальника набивка сжимается с внешней стороны обычной нажимной втулкой 1 (рис. 5.4), а при работе насоса добавляется сжатие уплотняемым давлением через поршень или аксиально подвижную сальниковую коробку 2. При этом на радиальные напряжения (5.3) накладываются дополнительные напряжения.

Рис. 5.3. Уплотнение с упруго податливым корпусом (а) и развертка корпуса (б)

Рис. 5.4. Уплотнение с двусторонним обжатием набивки и эпюры радиальных напряжений

Рис. 5.5. Двойные сальниковые уплотнения:
а, б — внешнее обжатие; в — внутреннее обжатие; г — двустороннее обжатие

Рис. 5.6. Конструкции торцовых сальников

 

При двустороннем обжатии мощность потерь на трение в сальнике находится интегрированием выражения (5.4) с учетом радиальных напряжений (5.12):

Таким образом, двустороннее обжатие при незначительном усложнении конструкции может существенно повысить ресурс уплотнения.

Неравномерность напряжений (5.2) увеличивается с ростом длины пакета набивки I или числа г. Эту неравномерность можно уменьшить, разбив общую длину пакета на отдельные блоки с независимым (рис. 5.5, а, б) обжатием [1,2]. Возможны двойные сальниковые уплотнения с внутренним (рис. 5.5, в) и двусторонним (рис. 5.5, г) обжатием.