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.
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 σz и за счет радиальной деформации набивки увеличивается радиальное напряжение σr 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
, (1)
где σо – 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 σо при σz, равном давлению уплотняемой среды p и z, равной длине набивки L.
. (2)
Сила сжатия набивки при сборке соединения, необходимая для определения числа крепежных элементов и требуемого диаметра резьбы:
. (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 утечку уплотняемой среды. Однако согласно выражению (1) с увеличением длины набивки (увеличением координаты z) уменьшается осевая удельная нагрузка σz, 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 α можно обеспечить равномерную распределенную удельную нагрузку qz по высоте набивки при снижающейся по ее высоте осевой силе.
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 σо, 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 α
После интегрирования этого уравнения в пределах z = 0, Dz = Dо и z = L,
Dz = d + 2 b получим
(4)
Выражение (4) отражает интенсивность изменения (уменьшения) площади сечения сальниковой набивки по ее длине.
При нагружении набивки нажимной втулкой осевая cила Qz (без учета изменения осевой силы на внешней поверхности трапеции за счет клинового эффекта (угла α)) по высоте набивки уменьшается за счет трения набивки о замыкающие ее поверхности деталей согласно выражению (1)
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 = σo.
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.
В конструкции сальникового уплотнения с трапецеидальным сечением набивки при соответствующем угле стороны трапеции α 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 = σr / σz, 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 α внутренней поверхности камеры сальника при dL = do + 2 b = 66 мм равно 0,10 и угол α 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.
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
Результаты расчетов для сальникового уплотнения с набивкой трапецеидального сечения.
Таблица 1.
| К | tg α | α o | T,
Н |
Qз,
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
В таблице 2 представлены значения рассчитанных параметров сальникового уплотнения с цилиндрической формой набивки в зависимости от величины коэффициента бокового давления набивки К.
Результаты расчетов для сальникового уплотнения с цилиндрической формой набивки.
Таблица 2.
| К | σо,МПа | qср,МПа | qr,МПа | T,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 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
- Домашнев А.Д. Сальниковые уплотнения арматуры АЭС / А.Д. Домашнев, В.Л. Хмельникер . – М.: Атомиздат, 1980. – 162 с.
- Погодин В.К. Разъемные соединения и герметизация в оборудовании высокого давления / В.К. Погодин. – Иркутск. 2001. 406 с.
- 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.
- 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.
- 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.[schema type=»book» name=»САЛЬНИКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ С МЯГКОЙ НАБИВКОЙ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ» description=»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.» author=»Фокина Мария Сергеевна, Бойко Павел Николаевич, Божко Григорий Вячеславович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-21″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)» ebook=»yes» ]