Совершенствование конструкций и методики расчета торцово-сальниковых уплотнений химического оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат наук Фокина, Мария Сергеевна

• Фокина, Мария Сергеевна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Фокина, Мария Сергеевна

Оглавление

стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОДВИЖНЫЕ РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

1.1. Контактные разъемные герметичные соединения

1.1.1. Сальниковые уплотнения

1.1.1.1. Сальниковые уплотнения с мягкой набивкой

1.1.1.2. Манжетные уплотнения

1.1.1.3. Уплотнения с профильными кольцами

1.1.2. Торцовые уплотнения

1.2. Неконтактные разъемные герметичные соединения

1.3. Методы расчета подвижных разъемных герметичных

соединений

1.4. Тоцово-салышковое уплотнение

1.5. Постановка задачи исследований диссертационной работы

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОДНОЙ КАМЕРЫ

С ДВУМЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

2.1. Силовой анализ работы одной камеры в торцово-салышковом уплотнении

2.1.1. Основные деформационные характеристики уплотнительных элементов

2.1.2. Конструктивная схема работы одного элемента (одной камеры) торцово-сальникового уплотнения

2.1.3. Распределение нагрузок на элементы уплотнения

2.1.4. Влияние внешних факторов на силовые параметры элементов уплотнения

2.2. Потери мощности на трение одной камеры

2.3. Определение утечки уплотняемой среды (воды) через одну камеру

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОДНОЙ

КАМЕРЫ ТОРЦОВО-САЛЬНИКОВОГО УПЛОТНЕНИЯ

3.1. Экспериментальный комплекс и модель для исследования

работы одной камеры ТСУ

3.1.1. Опытная модель одной камеры ТСУ

3.1.2. Принципиальная схема исследовательского комплекса

3.1.3. Работа экспериментального комплекса

3.2. Методика проведения исследований работы одной камеры

ТСУ

3.2.1. Построение тарировочного графика для определения нагрузки

на крепежные детали

3.2.2. Методика проведения эксперимента

3.3. Условие герметичности одной камеры торцово-сальникового уплотнения

3.4. Оценка мощности, теряемой на трение в одном элементе ТСУ

3.5. Оценка эффективности самоуплотнения

3.6. Оценка погрешности эксперимента

3.7. Сравнение результатов аналитического и экспериментального

исследований работы одной камеры ТСУ

3.7.1. Сравнение значений потери мощности привода полученных

аналитически и экспериментально

3.7.2. Сравнение величины утечки, полученной аналитически и

84

экспериментально

3.7.3. Сравнение аналитического и экспериментального значения увеличения нагрузки на шпильки от осевой силы

давления среды

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РАБОТЫ МНОГОКАМЕРНЫХ ТСУ

4.1. Действие осевой силы самоуплотнения в ТСУ

4.2. Взаимодействие элементов в двухкамерном ТСУ

4.3. Потери мощности на трение в двухкамерном ТСУ

4.4. ТСУ с числом камер больше двух

4.5. Методика расчета многокамерного торцово-сальникового уплотнения

Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. СРАВНЕНИЕ НОВЫХ ТИПОВ ТСУ С ИЗВЕСТНЫМИ УПЛОТНЕНИЯМИ, ИХ МОНТАЖ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ,

РЕМОНТ

108

5.1. Сравнение существующих подвижных уплотнений с новыми типами ТСУ с уплотнителями, размещенными попарно и последовательно вдоль оси вала

5.2. Бескамерное торцово-сальниковое уплотнение

5.3. Монтаж, ремонт и эксплуатация новых типов ТСУ

5.4. Рекомендации по установке уплотнительных колец уз материала 123 ГРАФЛЕКС

Выводы по главе 5

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкций и методики расчета торцово-сальниковых уплотнений химического оборудования»

ВВЕДЕНИЕ

Уплотнительное устройство или уплотнение оборудования химической промышленности - устройство для разделения сред, предотвращения или уменьшения до допускаемых пределов их утечки через разъёмные подвижные или неподвижные соединения химических насосов, реакторов и др. Уплотнения также применяются в оборудовании других отраслей промышленности - нефтяном и энергетическом машиностроении [27], судостроении [45], медицинской технике и др. [92]. Уплотнения работают как под давлением жидкой среды, создаваемым гидравлическими турбинами, циркуляционными [88] или высоконапорными поршневыми [97] насосами так и под давлением газовой среды [64], а так же под вакуумом [84]. В узлах герметизации используются уплотнительные элементы, от работоспособности которых зависит качество оборудования в целом, т.к. они выполняют исключительно ответственные функции. Неверный выбор уплотнений или их низкое качество и неправильная эксплуатация могут привести к отклонениям показателей работы машины или агрегата и снижению их надёжности [66]. Кроме того, от работоспособности уплотнительных элементов зависит также и качество получаемого продукта. Из-за негерметичности оборудования происходят выбросы токсичных продуктов в атмосферу, что приводит к антропогенному загрязнению окружающей среды [56]. От конструкции герметизирующих узлов зависят возможности использования высоких давлений и температур, значения которых в последнее время растет, в связи с применением новых технологий.

Анализ причин аварий промышленных объектов и загрязнения окружающей среды показывает, что значительное их количество происходит из-за нарушения герметичности разъемных герметичных соединений (РГС) промышленного оборудования, т.к. именно узлы уплотнения агрегатов и машин являются, как правило, наименее надежными системами.

Существующие нормативные документы и правила безопасной эксплуатации оборудования, а также «Система технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий химической промышленности» [87], как правило, не регламентирует оценку технического состояния и порядка подготовки РГС к эксплуатации. В результате в деталях РГС уплотнительные, резьбовые и опорные поверхности накапливают значительные дефекты, что приводит к разгерметизации, и как следствие, к авариям при эксплуатации оборудования. Кроме того, в существующих ныне нормативных материалах, разработанных специалистами по прочности, основное внимание уделяется

проблеме прочности отдельных элементов РГС, а не их герметичности, хотя именно расчеты на герметичность определяют в основном геометрические и силовые параметры разрабатываемого РГС.

Утечки, связанные с нарушением герметичности соединений оборудования, сказываются и на экономичности производства. На стандартной

нефтеперерабатывающей установке средней мощности одной немецкой фирмой были зафиксированы потери продукта за счет нормированных утечек через разъемные соединения различного типа, которые составили 17 т / год. По ценам 1980 года в денежном эквиваленте это составило 60 ООО марок в год [103].

Общими элементами уплотнений различных видов являются уплотняемые поверхности стыка соединения и обеспечивающий герметичность уплотнитель. На работоспособность уплотнения влияют эксплуатационные, конструктивные, технологические, технико-экономические и экологические факторы, сопровождающие технологичсекий процесс. Важнейшими из них являются: свойства рабочей и окружающей сред, режимы работы, свойства материалов герметизируемого соединения и уплотнителя, допускаемые пределы утечки, ресурс, общий срок эксплуатации, токсичность и химическая агрессивность сред, вызывающая корозию конструкционного материала оборудования и узла уплотнения [8].

Герметичность (относительная) достигается уменьшением зазора между уплотняемыми поверхностями с помощью уплотнения из какого-либо мягкого эластичного материала [10] или созданием малого зазора между поверхностями соединяемых деталей (бесконтактное уплотнение) [49]. Материал уплотнительного элемента, например, сальника для контактного подвижного соединения, должен обладать определенными физико-механическими свойствами, обеспечивающими стабильную работу узла уплотнения [50].

Материал уплотнительного элемента должен быть достаточно пластичным, чтобы при сборке соединения и в процессе предварительного его нагружения он заполнял микро-и макрозазоры, обусловленные шероховатостью поверхностей и неточностью их выполнения и сборки. Но материал должен обладать также упругостью формы, чтобы сохранять в рабочих условиях силовой контакт с уплотняемыми деталями соединения. Материал уплотнительного элемента должен быть устойчив против агрессивного воздействия среды. Желательно, чтобы материалы уплотняемых деталей и уплотнительного элемента имели близкие значения коэффициента температурного расширения.

Материал для уплотнения подвижных соединений должен иметь низкий коэффициент трения в зоне сопряжения его с подвижной уплотняемой деталью, а также повышенную износостойкость [9].

Таким образом, герметичность РГС зависит от их конструкции, физико-механических свойств материалов составляющих конструкцию элементов, состояния их уплотняющих поверхностей, давления и температуры уплотняемой среды и ее агрегатного состояния (газ или жидкость), качества изготовления, технического обслуживания и других факторов.

Разработка уплотнений раньше была основана лишь на опыте и знаниях конструктора, применяющего при разработке РГС общие машиностроительные методы. Однако в XX веке технического прогресса в технологиях производства стали резко повышаться давления, температуры, скорости, использоваться агрессивные и токсичные среды. Все это привело к необходимости всестороннего изучения факторов, влияющих на работоспособность уплотнения. Появилась новая отрасль науки и техники - герметология, которая занимается разработкой научных основ герметизации объектов, а также их практического применения. Работоспособность РГС определяет надежность самого объекта (машины, аппарата), что требует постоянного их совершенствования.

В связи с этим актуальным является поиск новых технологий для создания и эксплуатации РГС, удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемых к современному оборудованию.

На химических предприятиях в настоящее время существует много оборудования, работающего при разных условиях, различающихся рабочими параметрами (давлением, температурой, скоростью вращения подвижных частей, нагрузками и т.д.), уплотняемой средой (жидкости, газы). В результате существует очень много типов РГС, которые были разработаны для каждого конкретного процесса с определенной конструкцией уплотнения, используемого в оборудования. Для наиболее полного соблюдения всех требований к РГС при их разработке проводится множество исследований неподвижных РГС [67], в том числе с различными покрытиями деталей соединния [52], подвижных уплотнений оборудования [28] и арматуры [96].

Из-за существующего многообразия конструкций РГС и уплотнений до сих пор нет их стандартной классификации. В общесоюзном классификаторе продукции [57] существует определенная структура кодирования лишь некоторых видов уплотнений.

В настоящий момент в научно-технической литературе, технической документации и производственной сфере используется определенная система понятий и терминов.

Общепринятое деление РГС на неподвижные и подвижные соединения связано с принципиально различными условиями их работы. Неподвижные соединения -статичны, а в подвижных — обязательно наличие относительного движения элементов соединения, и существенным фактором, определяющим их работу, является сила трения.

Создание новых видов уплотнений как правило связано с появлением машин новых классов. Их работоспособность определяет ресурс и надёжность большинства объектов, что вызывает постоянное ужесточение требований к уплотнительным устройствам и стимулирует работы по их совершентсвованию.

Часто для повышения работоспособности создают комбинированные уплотнения, включающие уплотнители нескольких видов, а также сложные уплотнительные комплексы.

Механизм уплотнительного действия обычно обусловлен не только механическим взаимодействием контактирующих поверхностей, но и процессами трения в зоне контакта, а также химическими превращениями материала в процессе эксплуатации при контакте с различными средами [90].

В процессе интенсивных работ по созданию теории уплотнительной техники были разработаны новые конструкции различных уплотнений. Наиболее важными вопросами уплотнительной техники являются комплексный анализ проблем герметизации объектов и выбор оптимальных систем уплотнений объекта в целом.

При проектировании уплотнений ответственных механизмов необходимо проводить экспериментальную проверку созданных конструкций.

Целью диссертационной работы является разработка новых конструкций, методики расчета и рекомендаций по эксплуатации и ремонту одно-, двух-, многокамерных и бескамерных торцово-сальниковых уплотнений с уплотнителями, размещенными попарно и последовательно вдоль оси вала (далее ТСУ).

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать условия герметичности при работе ТСУ с уплотнителями, размещенными попарно и последовательно вдоль оси вала.

2. Определить потери мощности от работы исследуемого ТСУ.

3. Определить распределение осевой силы самоуплотнения от давления рабочей среды между деталями уплотнения.

Во введении обоснована проблема герметичности разъемных соединений, изложена актуальность, цель и основные задачи диссертационной работы.

В первой главе приводится краткий обзор отдельных конструкций торцовых и сальниковых уплотнений, отмечаются их достоинства и недостатки, дана классификация подвижных уплотнений разъемных соединений и методы их расчета. Представлена конструкция торцово-сальникового для вращающихся валов, использующая положительные качества торцевого и сальникового уплотнений. На ее основе разработаны новые типы ТСУ, исследованию которых посвящена данная диссертация.

Во второй главе проводится аналитическое исследование работы одной камеры ТСУ с двумя уплотнительными элементами. В рассматриваемых конструкциях ТСУ одно-, двух-, многокамерного и бескамерного типа используются одни и те же элементы, работающие в одинаковых условиях. Поэтому для упрощения анализа работы этих конструкций нами проводятся исследования работы одного элемента с дальнейшим использованием полученных данных при рассмотрении работы ТСУ двух-, многокамерного типа и бескамерного.

Представлено распределение нагрузок в одной камере ТСУ при сборке уплотнения и в рабочих условиях.

Определены потери мощности на трение уплотнительных элементов в одной камере.

Утечка среды и через набивку сечением Б (м2) носит фильтрационный характер и может быть оценена законом фильтрации Дарси.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям работы одного элемента ТСУ и сравнению полученных результатов с теоретическими предположениями по оценке герметичности уплотнительных элементов, выполненных из разных материалов, по определению потерь мощности на трение уплотнительных элементов, а также по распределению осевой силы самоуплотнения рабочей среды между элементами уплотнения.

Представлено описание экспериментальной установки и экспериментальной модели, методики экспериментов и материалы по обработке экспериментальных данных. В качестве примера для модели с одной парой уплотнительных элементов представлены полученные экспериментальные зависимости.

Четвертая глава посвящена анализу работы многокамерного ТСУ, с учетом действия осевой силы самоуплотнения, в результате которой в рабочих условиях создается одинаковая нагрузка на первый и последний уплотнительные элементы от нажимной крышки. Нагрузка вдоль оси вала будет минимальная и постоянная.

В результате анализа работы двухкамерного ТСУ выяснилось, что аксиально подвижное промежуточное кольцо не вращается, как и все уплотнительные элементы,

кроме вращающихся вместе с валом малых элементов. Вывод был подтвержден экспериментом, представленном далее в диссертации. Этот же вывод касается и многокамерных ТСУ. Представлен вывод выражения для определения момента вращения и мощности, теряемой вместе с ним в двух и многокамерном ТСУ.

Представлен расчет отдельных параметров многокамерного ТСУ позволяет определить требуемое число камер из условия обеспечения технических и экономических требований, предъявляемых к сальниковому уплотнению.

По результатам исследований разработана и представлена методика: «Расчёт силовых и геометрических параметров конструкции многокамерного торцово-сальникового уплотнения», которая внедрена в ОАО «ИркутскНИИхиммаш» в качестве руководящего документа для проектирования многокамерных торцово-сальниковых уплотнений.

Пятая глава посвящена сравнению существующих подвижных уплотнений и новых типов ТСУ, при выполнении которых требования к работе пары трения упрощаются, так как одна из трущихся поверхностей - мягкая набивка из ТРГ, что существенно понижает требования к точности изготовления деталей. Не требуется узел подвода смазочной жидкости, так как сама набивка обладает прекрасным смазывающим средством с низким коэффициентом трения. Межремонтный ресурс работы новых типов ТСУ выше за счет того, что в процессе эксплуатации набивка может подтягиваться и заменяться целиком без разборки всего узла. Кроме того, сила самоуплотнения от давления среды используется в полном объеме. Все это позволяет снизить нагрузку при сборке уплотнения и обеспечить достаточно равномерную как осевую, так и радиальную нагрузку на уплотняемые поверхности.

На основании проведенных исследований работы многокамерного ТСУ и полученных результатов была разработана новая конструкция уплотнения для подвижных соединений — бескамерное торцово-сальниковое уплотнение, расчет которого представлен в диссертации. Подана заявка № 2014153670 от 29.12.2015на патент РФ на полезную модель.

Даны рекомендации по монтажу эксплуатации и ремонту новых типов ТСУ, где описаны последовательность подготовки уплотнительных элементов и требовательность к их материалам. Здесь же приведены рекомендации по выбору и материала колец и последовательности их установки в связи с разным коэффициентом бокового давления.

Каждая глава заканчивается краткими выводами. Работу завершают основные выводы и рекомендации.

В приложении приводятся результаты проведенных экспериментов (в виде таблиц), полученные зависимости потери мощности на трение и утечки от давления среды, нагрузки на крепежные элементы и данные по распределению силы самоуплотнения от давления среды, а также Акт о внедрении методики «Расчёт силовых и геометрических параметров конструкции многокамерного торцово-сальникового уплотнения» в ОАО «ИркутскНИИхиммаш».

Научная новизна:

- предложены расчетные соотношения для определения силовых нагрузок на детали ТСУ, потерь мощности на трение уплотнителей о замыкающие их поверхности в рабочих условиях в зависимости от конструкции, давления, температуры и свойств среды, материала набивки, и силы предварительного нагружения;

- установлены условия герметичности работы данного ТСУ, в зависимости от давления и свойств среды, материала набивки и силы его предварительного нагружения для современных набивок на основе терморасширенного графита ГРАФЛЕКС Н 1100, Н 1200, Н1201;

- получены экспериментальные зависимости и выражение для определения утечки уплотняемой среды от ее давления и удельной нагрузки в исследованных ТСУ для набивок (ГРАФЛЕКС Н 1100, Н 1200, Н1201).

Практическая значимость.

- разработана методика расчета многокамерного ТСУ с учетом давления и свойств среды, материала набивки и силы его предварительного нагружения;

- из экспериментальных данных получены уравнения для определения потерь мощности привода рассматриваемого ТСУ от давления среды и силы его затяжки с набивками Н 1100, Н 1200, Н1201;

- разработаны новые конструкции уплотнения - бескамерное ТСУ и сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидального сечения( Патент РФ на полезную модель № 151887 от 18.09.2014 г.);

- разработаны рекомендации по монтажу и ремонту данного ТСУ для повышения его герметичности за счет подбора материала уплотнителей, а также по выбору их числа и порядка размещения в зависимости от условий эксплуатации;

- результаты работы внедрены в ОАО «ИркутскНИИхиммаш» в качестве руководящего технического материала для проектирования многокамерных торцово-сальниковых уплотнений.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на V и VI международных симпозиумах молодых

учёных, аспирантов и студентов в г. Москве, в МГУИЭ, 2002 г. и 2003 г.; на Международной научно-практической конференции в г. Москве, в МГУИЭ, 2009 г.; на 3-ей Международной научно-технической конференции «Нестационарные энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии» (НЭРПО-2013) в г. Москве, в МГОУ им. B.C. Черномырдина, 2013 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из которых 3 - в журналах, рецензируемых ВАК, тезисы 4 докладов на двух международных симпозиумах и двух научно-технических конференциях. Получен Патент РФ на Полезную модель № 151887 от 18.09.2014.

Структура и объем работы.

Содержание диссертации изложено на 135 странице основного текста, содержит 54 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 107 наименований. Работа состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений.

ГЛАВА 1

ПОДВИЖНЫЕ РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Конструкций уплотнений для подвижных разъемных соединений существует достаточно много [77]. В связи с наличием относительного движения уплотняемых деталей, либо вращательного, либо возвратно-поступательного, конструкции подвижных РГС более сложные, чем неподвижных. То же касается их проектирования и расчетов. [76]. Несмотря на разнообразность существующих конструкций подвижных РГС по некоторым признакам их можно разделить. В работе [18] предложена классификация подвижных разъемных соединений, она представлена в виде схемы со связями, уровнями и иерархией (см. рис. 1.1).

Конструкции подвижных РГС, согласно работе [18], делятся по характеру движения уплотняемой детали. В этом случае их подразделяют на уплотнения возвратно-поступательного движения (штоки, поршни, плунжеры), уплотнения вращательного движения (валы) и комбинированные (шпиндели запорной арматуры).

По принципу действия подвижные РГС подразделяют на контактные неконтактные (бесконтактные), причем первые используются для уплотнения деталей любого вида движения, а вторые - только для уплотнения вращающихся валов. У каждого типа уплотнения есть свои достоинства и недостатки [72].

1.1. Контактные разъемные герметичные соединения

В контактных РГС [29] уплотнительный элемент должен быть прижат к поверхности уплотняемой детали определенной удельной нагрузкой, которая зависит от давления и свойств уплотняемой среды, допускаемой ее утечки, скорости движения уплотняемой детали и т.д. Эту удельную нагрузку называют контактным давлением. Контактные РГС разделяются далее на типы по конструкции, которые делятся на три вида - сальниковые, торцовые и торцово-сальниковые, и по способу нагружения уплотняющих поверхностей, т.е. на два вида-принудительного типа и самоуплотняющиеся [18].

Рис. 1.1. Схема классификации подвижных РГС.

1.1.1. Сальниковые уплотнения

Сальниковое уплотнение определяется либо по конструкции, либо по уплотнительному элементу [18]. Это деление взаимосвязанное, выбирая уплотнительный элемент подбирают конструкцию, выбирая конструкцию -подбирают уплотнительный элемент. Сальниковые уплотнения имеют широкое применение во всех областях техники, т.к. они используются как в подвижных [102], так и в неподвижных соединениях [4], а также в арматуре, где осуществояется уплотнение штоков, имеющих возвратно-поступательное движение [35].

По конструкции сальниковые уплотнения делятся по числу камер и по способу создания нагрузки на набивку. По уплотнительному элементу, согласно той же схеме -рис. 1.1, они делятся на уплотнения с мягкой набивкой, манжетные уплотнения и с профильными кольцами.

1.1.1.1. Сальниковые уплотнения с мягкой набивкой

Сальниковые уплотнения с мягкой набивкой являются соединениями принудительного типа. Несмотря на то, что это наиболее старый тип уплотнений, он является самым распространенным в насосах общего назначения из-за его простоты исполнения. Эти уплотнения хорошо работают при давлении перед сальником до 1 МПа и окружной скорости вращения вала до 20 м/сек [55]. Типичная схема сальникового уплотнения представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Конструктивная схема сальника с мягкой набивкой.

1— сальниковая коробка; 2 — нажимная втулка; 3 — набивка; 4 — грундбукса ; 5 — защитная втулка.

Между корпусом сальниковой коробки 1 и защитной втулкой 5 размещается набивка 3, опирающаяся на грундбуксу 4. Затяжкой нажимной втулки 2 создается контактное давление на поверхностях вала и внутренней поверхности корпуса сальниковой коробки, превышающее рабочее давление. Уплотняющий контакт создается в результате сдавливания набивки, из-за чего возникает ее радиальная деформация и радиальная нагрузка на уплотняемые поверхности, обеспечивающая герметичность уплотнения.

Утечка из сальниковых уплотнений может быть и за счет того, что материалы набивок имеют пористую структуру [82]. Осевая нагрузка на сальник, создаваемая нажимной втулкой, сжимает его и, тем самым, уменьшает проницаемость набивки.

При работе уплотнения происходит износ набивки [81], поэтому ее необходимо периодически подтягивать крепежными элементами или использовать пружину 6, как показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Конструктивная схема сальника с мягкой набивкой с поджатием ее пружиной.

К материалу сальниковой набивки предъявляются определенные требования. Он должен противостоять воздействию агрессивной среды, набуханию, растворению, быть прочным, эластичным, обладать необходимыми антифрикционными и смазывающими свойствами и не терять своих качеств в заданном диапазоне рабочих параметров [23]. Этим требованиям отвечают графитовые уплотняющие материалы [101] и материалы на основе политетрафторэтилена - ПТФЭ [22], волокнистые и комбинированные материалы сальниковых набивок [20], особенно на основе фторопласта-4 и графита.

В качестве материалов волокон и нитей набивок используют хлопок, волокна лубяных культур (льна, конопли, джута), асбест (хризотил-асбест), стекло

(боросиликатное), пластмассы (капрон, фторопласт-4), углерод, металлы (медь, латунь, свинец) [40]. Ранее большая часть выпускаемых набивок были асбестовые, которые имеют ряд существенных недостатков.

В настоящее время выпускают набивки «нового поколения», которые не содержат асбестовых добавок, что повышает их экологическую безопасность. Широкое применение для выполнения уплотнительных узлов различного назначения находят фторопласт (ПТФЭ) [14, 15] и терморасшмренный графит (ТРГ) [58, 59] в чистом виде, а также материалы из высокопрочных волокон и композиты на базе ТРГ [59] и ПТФЭ [26]. Эти материалы могут работать в широком диапазоне температур и давлений, имеют практически неограниченный срок службы, не стареют в процессе эксплуатации [41].

Вследствие химической инертности фторопласт-4 и графит не подвержены старению, поэтому гарантированный срок сохранения показателей его качества довольно значительный - более 20 лет [73].

Одним из существенных достоинств фторопластов и графита применительно к уплотнениям подвижных соединений - сравнительно низкий коэффициент трения I7 [78]. Так, для фторопласта-4 при трении его о стальную поверхность = 0,04 - 0,08 [30]. Влияние скорости у (м /с) относительного смещения трущихся поверхностей и температуры I (°С) на величину Г (при 0 < I <, 250°С и 0,01 < V < 2 ,0 м/с) выражается уравнением [63]:

(0,32804-0,00123 0 V0'3

Значение твердости НВ фторопласта значительно зависит от его температуры. В работе [71] эта зависимость представлена выражением:

НВ = ехр (3,82-0,009 $

Несмотря на целый ряд положительных свойств фторопластов [98], применение их как уплотнительного материала затрудняется из-за таких недостатков, как ползучесть, малая теплопроводность, высокий коэффициент термического расширения, резкое увеличение износа при возрастании относительной скорости смещения [85], а графита -из-за хрупкости проницаемости и жесткости [60]. Для устранения или уменьшения влияния на работу уплотнения отрицательных свойств фторопласта и графита, на их основе создают композиции с различными наполнителями [86]. В качестве наполнителей применяют материалы, не теряющие своих свойств, при температуре спекания.

Опыт эксплуатации сальниковых набивок показывает, что при условии использования качественной набивки, правильной конструкции узла уплотнения и тщательном монтаже, они могут удовлетворительно работать в течение (5 - 10) 103 часов

даже при высоких температурах, перепадах давления и окружных скоростях [54]. Возможности этих уплотнений еще не использованы, поэтому поиски новых набивок и совершенствование конструкций продолжаются до сих пор.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фокина, Мария Сергеевна, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдеев В.В. Деформационные характеристики сальниковых набивок из терморасширенного графита. / В.В. Авдеев, Е.Т. Ильин, С.Г. Ионов, Г.В. Божко и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 9. 2005. С. 28 - 31.

2. Авдеев В.В. Исследование проницаемости сальниковых набивок, выполненных на основе терморасширенного графита (ТРГ) / В.В. Авдеев, Е.Т. Ильин, С.Г. Ионов, Г.В. Божко и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 3. 2006. С. 26-28.

3. Альшиц И .Я. Новые направления в применении пластмасс для подшипников скольжения / И.Я. Альшиц. // Сборник. Применение материалов на основе пластмасс для опор скольжения и уплотнений в машинах. - М.: Наука. 1968. С. 57 - 60.

4. Андреев А.П. Узел уплотнения неподвижного соединения и сальниковое уплотнение для него /А. П. Андреев, Б. В. Бурмистров, И. А. Гусев, В. В. Ермолаев, А. А. Набоков / Патент РФ № 2197662 от 27.01.2003.

5. Аникеенко В.А. Определение коэффициента внутреннего трения сальниковой набивки / В.А. Аникеенко, С.Г. Ионов, В.Н. Левин и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №7. С..33 - 34.

6. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т.1 / В.И. Анурьев. -М.: Машиностроение, 1979- 728 с.

7. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. ТЛИ / В.И. Анурьев. -М.: Машиностроение, 1979- 557 с.

8. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия / Ю. И. Арчаков. - М.: Металлургия, 1985. -192 с.

9. Бартеньев Г. М. Трение и износ полимеров / Г. М. Бартеньев, В. В. Лавренев. - Л.: Химия, 1972.-240 с.

10. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика / Т.М. Башта. - М: Машиностроение, 1971. 672 с.

11. Башта Т.М. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - М.: Машиностроение, 1970. - 504 с.

12. Бикташев A.K. Результаты промысловых испытаний различных конструкций узла уплотнения плунжерного насоса при закачке серной кислоты в скважины / А.К. Бикташев, И.А. Кдермятов, А.М. Тимушева и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. №7. 1990. С. 13-14.

13. Биргер И.А. Резьбовые и фланцевые соединения / И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич. -М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.

14. Божко Г.В. Применение фторполимеров для изготовления изделий / Г.В. Божко, Ю.Г. Степанов, Г.Г. Мартюшов, Г.Г. Виноградов. // Химическое и нефтяное машиностроение. №"3. 1995 С.. 36-38.

15. Божко Г.В. Применение фторопластов в уплотнительных узлах гидроагрегатов / Г.В. Божко. //Химическое и нефтегазовое машиностроение. №10. 2001. С. 27-29.

16. Божко Г.В. Влияние вида нагружения на деформационные характеристики прокладки из фторопласта-4 / Г.В. Божко. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 12. 2007. С. 32-34.

17. Божко Г.В. Влияние цикличности нагружения на деформацию элемента из фторопласта-4 / Г.В. Божко, В.Д. Продан, М.А. Кобяков. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 12.2008. С. 41-43.

18. Божко Г.В. Разъемные герметичные соединения / Г.В. Божко. // Вестник ТГТУ. Том 16, № 2.2010. С. 404-420.

19. Божко Г.В. Совершенствование герметичных разъемных соединений с уплотняющими элементами из материалов с зависящими от нагрузки физико-механическими свойствами / Г.В. Божко. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук - Тамбов.: ТГТУ, 2010. — 353 с.

20. Борохов И.М. Волокнистые и комбинированные сальниковые набивки / И.М. Борохов, A.C. Ганшин. - М.: Машгиз, 1959. - 362 с.

21. Васильцов Э. А. Бесконтактные уплотнения / Э. А. Васильцов. - JL: Машиностроение, 1974. 160 с.

22. Виноградов Ю.М. Исследование новых антифрикционных материалов на основе фторопласта для химического машиностроения / Ю.М. Виноградов, Г.Е. Лазарев, Б.М. Кудрявцева. - Сборник. Применение материалов на основе пластмасс для опор скольжения и уплотнений в машинах. - М. Наука, 1968, с. 27-31.

23. Вологодский Н.Б. Износ трущихся поверхностей в сальниковом уплотнении с мягкой набивкой / Н.Б. Вологодский, H.A. Животовский, С.Л. Ямпольский. // Химическое и нефтяное машиностроение. №4. 1972. С. 9-10.

24. Волошин A.A. Расчет и конструирование фланцевых соединений. Справочник /

A.A. Волошин, Г.Т. Григорьев - Л.: Машиностроение. - 1979. 125 с.

25. Ганз С.Н. Опыт эксплуатации уплотнений из наполненных фторопластовых материалов на кислородных компрессорах / С.Н. Ганз, Л.П. Глозман, В.Д. Пархоменко и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. №5. 1964. С. 39.

26. Ганз С.Н. Исследование фторопласта-4 с наполнителями на трение и износ при смазке агрессивными средами / С.Н. Ганз, В.Д. Пархоменко. // Химическое и нефтяное машиностроение. № 6. 1965. С. 30-33.

27. Генералов М.Б. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-12. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств / М.Б. Генералов, В.П. Александров,

B.В. Алексеев. - М.: Машиностроение, 2004. - 832 с.

28. Голубев А.И. Современные уплотнения вращающихся валов / А.И. Голубев. - М.: Машиностроение, I960. — 375 с.

29. Голубев Г. А. Контактные уплотнения вращающихся валов / Г. А. Голубев, Г. М. Кукин, Г. Е. Лазарев, А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1976.264 с.

30. Горяинова A.B. Фторопласты в машиностроении /A.B. Горяинова, Г.К. Божков, М.С. Тихонова. - М.: Машиностроение, 1971. - 233 с.

31. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры / Д.Ф. Гуревич. -Л.: Машиностроение, 1969.- 887 с.

32. Гуревич Д.Ф. Справочник конструктора трубопроводной арматуры / Д.Ф. Гуревич, Щ.Н. Шпаков. - Л.: Машиностроение, 1987. - 518 с.

33. Дерягин Б..В. Что такое трение? / Б..В. Дерягин. - Из-во АН СССР, 1963. - 228 с.

34. Домашнев А.Д. Экспериментальное определение коэффициентов бокового давления для сухих сыпуче-волокнистых сальниковых набивок / А.Д. Домашнев, В.Л. Хмельникер // Химическое и нефтяное машиностроение. № 2. 1970. С. 3 - 4.

35. Домашнев А.Д. Сальниковые уплотнения арматуры АЭС / А.Д. Домашнев, В.Л. Хмельникер . -М.: Атомиздат, 1980. - 162 с.

36. Ефимова А.И. Общий физический практикум физического факультета МГУ. Погреш-ности эксперимента: Учебно-методическое пособие / А. И. Ефимова, А.В Зотеев, A.A. Склянкин. - М.: МГУ, 2012. 39 с.

37. Захаров Б.С. Комбинированные манжеты / Б.С. Захаров, Н.П. Уманчик, В.Л. Яковенко и др.// Химическое и нефтяное машиностроение. №1. 1978. С. 45-46.

38. Зидерслебен У. Деформационные характеристики уплотнительных прокладок. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / У. Зидерслебен. - М.: МИХМ, 1989.- 171 с.

39. Зимин Б.А. Об изменении упругих свойств полимеров в результате высокоэластической деформации / Б.А. Зимин. // Известия Вузов. Химия и химическая технология. Т. XXI. №3. 1978. С. 415-418.

40. Истомин Н.П. Изыскание оптимальных наполнителей для антифрикционных пластмасс на базе фторопласта-4 / Н.П. Истомин. // Сборник. Применение материалов на основе пластмасс для опор скольжения и уплотнений в машинах. М.: Наука, 1968. С. 32-37.

41. Истомин Н.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов/Н.П.Истомин, А.П.Семенов. - М.: Наука, 1981.- 147с.

42. Кацнельсон М.Ю. Пластические массы. Справочник. Издание третье, переработанное / М.Ю. Кацнельсон, Г.А. Балаев. - М.: Химия, 1978.- 384 с.

43. Киселев Г.Ф. Уплотнение вращающегося вала / Г.Ф. Киселев, С.Д. Рязанов, В.Д. Продан. - Патент Р.Ф. №2104433, Б.И. № 33 от 27.04.1996.

44. Киселев Г.Ф. Торцово-сальниковое уплотнение для вращающихся валов / Г.Ф. Киселев, С.Д. Рязанов, В.Д. Продан и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. №3.2003. С. 19-21.

45. Кокичев В.Н. Уплотняющие устройства в машиностроении / В.Н. Кокичев. - J1.: Судостроение, 1962. - 378 с.

46. Коллинз Р. Течение жидкостей через пористые материалы / Р. Коллинз. - М.: Мир, 1964.- 350 с.

47. Комаров A.A. Надежность гидравлических систем / A.A. Комаров. — М.: Машиностроение, 1969. 235 с.

48. Кондаков JI.A. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник /Л.А. Кондаков, А. И. Голубев, В. Б. Овандер и др.: Под общей ред. А. И. Голубева, Л. А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

49. Кочин Н.С. Теоретическая гидромеханика. Часть I / Н.С. Кочин, И.А. Кибель, Н.В. Розе.- М.: Физматгиз, 1963. 583 с.

50. Лазарев Г. Е. Определение работоспособности пар трения /Г. Е. Лазарев. //Химическое и нефтяное машиностроение. № 9.1972. С. 32 - 34.

51. Лащинский A.A. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник /A.A. Лащинский, А.Р. Толчинский. - М.: Машиностроение, 1970. 752 с.

52. Лившиц О.П. Исследование герметичности элементов с цинковым покрытием для газовых сред / О.П. Лившиц, Г.Д. Гридин. // Химическое и нефтяное машиностроение. №8.1977. С. 10-12.

53. Манин В.М. Физико-химическая стойкость полимерных материалов в условиях эксплуатации / В.М. Манин, А.Н. Громов. - J1.: Химия, 1980. 248 с.

54. Марцинковский В. А. Гидродинамика и прочность центробежных насосов / В. А. Марцинковский. - М.: Машиностроение, 1970. 272 с.

55. Михайлов А.К. Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления /

A.К.Михайлов, В.В. Малюшенко М., Машиностроение, 1971, 304 с.

56. Николайкин Н. И. Экология. Учебное пособие / Н.И. Николайкин, Н.Е. Николайкина, О.П. Мелихова. - М.: МГУИЭ, 2000. - 504 с.

57. Общесоюзный классификатор. Высшие классификационные группировки, промышленная и сельскохозяйственная продукция. 175044. Госплан СССР. -М.: Статистика, 1977. 813 с.

58. Общие требования и указания по применению уплотнений из терморасширенного графита в арматуре ТЭС. РД 153-34.1-39.605-2002, РАО ЕЭС «Россия». - М.: 2002. 32 с.

59. Общие требования по применению новых материалов из терморасширенного графита для уплотнений валов центробежных насосов. РД 153-34.1.41.602-2002, РАО ЕЭС «Россия». - М.: 2002. 26 с.

60. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка ТУ на прокладки из терморасширенного графита (ТРГ). - Иркутск, ОАО ИркутскНИИхиммаш, 2002. 106 с.

61. Павловский H.H. Гидравлический справочник / H.H. Павловский. -Я. — М.: Гостоптехиздат, 1960. 345 с.

62. Панкратов В.В. Условия герметизации жидких сред линзовыми уплотнениями /

B.В. Панкратов, В.Д. Продан, Щ.В. Румянцев. // Вестник машиностроения. № 8. 1971. С. 42-43.

63. Паншин Ю.А. Фторопласты / Ю.А. Паншин, С.Г. Малкевич, Ц.С. Дунаевская. -Д.: Химия, 1978. 232 с.

64. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. Т. I. Теория и расчет. Учебное пособие / П.И. Пластинин. - М.: Колос, 2006.400 с.

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

66. Проблемы современной уплотнительной техники. Сборник докладов на Второй международной конференции в Кенфилде, Англия, 1964 г. / Перевод с английского. Под редакцией В.Н. Прокофьева, JI.A. Кондакова. - Мб Мир, 1967. - 483 с.

67. Продан В.Д. Герметичность разъемных неподвижных соединений машин и аппаратов химических производств / В.Д. Продан. — М.: МИХМ, 1984. - 71 с.

68. Продан В.Д. Методы расчета и техника герметизации разъемных неподвижных соединений. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук /В.Д. Продан.- М.: МИХМ, 1985. - 427 с.

69. Продан В.Д. Техника герметизации разъемных неподвижных соединений / В.Д. Продан.— М.: Машиностроение, 1991. - 160 с.

70. Продан В.Д. Определение коэффициента бокового давления фторопластовой набивки сальника / В.Д. Продан, Г.В. Божко, И.Г. Калабеков. // Химическое и нефтяное машиностроение. № 3. 1994. С. 9-11.

71. Продан В.Д. Разъемные соединения с фторопластовыми уплотнениями. Справочник / В.Д. Продан, И.Г. Калабеков, Г.В. Божко и др. - М.: Тривола, 1995. - 180 с.

72. Продан В.Д. Техника герметизации разъемных соединений. Учебное пособие / В.Д. Продан. - М.: НПО УНИХИМТЕК, 2003. - 32 с.

73. Продан В.Д. Терморасширенный графит - новый перспективный уплотнительный материал / В.Д. Продан, // Сборник научных трудов МГУИЭ. Механика. Теплофизика. Экология. - М.: МГУИЭ. 2006. С. 243 - 247.

74. Продан В.Д. Влияние условий размещения прокладки между фланцами на ее осевую податливость / В.Д. Продан, Г.В. Божко. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 12. 2009. С. 27-28.

75. Продан В.Д. Значение радиальных нагрузок при оценке коэффициента бокового давления сальниковых набивок / В.Д. Продан, Г.В. Божко, А. В. Васильев, М.А. Исакова. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 4. 2010. С. 35-36.

76. 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.

77. Продан В.Д. Герметичность оборудования : учебное пособие / В.Д. Продан, Г.В. Божко. - М.: Университет машиностроения, 2014.-109 с.

78. Пружанский Л.Ю. Испытание фторопласта-4 на трение / Л.Ю. Пружанский. // Пластмассы как антифрикционный материал.- М.: АН СССР, 1961, С. 74-79.

79. Раздолин М. В. Уплотнения авиационных гидравлических агрегатов / М. В. Раздолин. -М.: Машиностроение, 1965. 372 с.

80. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Под ред. проф. М.Ф. Михалева. - Л.: Машиностроение, 1984.- 301 с.

81. Рахмилевич 3.3. Справочник механика химических и нефтехимических производств / 3.3. Рахмилевич, И.М. Радзин, С. А. Фарамазов. - М.: Химия, 1985. 592 с.

82. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов / С.А. Рейтлингер. — М.: Химия, 1974 - 270 с.

83. Романков П.Г. Гидромеханические процессы химической технологии / П.Г. Романков, М.И. Курочкина. - Л.: Химия, 1974. - 288 с.

84. Рот А. Вакуумные уплотнения / А.. Рот. - М.: Энергия, 1971. - 464 с.

85. Румянцев О.В. Оборудование цехов синтеза высокого давления в азотной промышленности / О.В. Румянцев. - М.: Химия, 1970. - 375 с.

86. Северин П.А. Антифрикционные материалы на основе наполненного фторопласта-4 / П.А. Северин, В.М. Грушевский, В.П. Привалко и др. // Сборник. Применение материалов на основе пластмасс для опор скольжения и уплотнений в машинах. — М.: Наука, 1968. С. 37-41.

87. Система технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий химической промышленности. - М.: Химия, 1986. 382 с.

88. Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы / И.Н. Смирнов. - М.: Высшая школа, 1969.- 427 с.

89. Суровяк В. Применение пластмасс в машиностроении / В. Суровяк, С. Худзински. — М.: Машиностроение, 1965. - 427 с.

90. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. - М.: Химия, 1976- 432 с.

91. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Том II / С.П. Тимошенко. - М.: Наука, 1965.- 480 с.

92. Уплотнения. Сборник статей. Пер. с английского. М., Машиностроение, 1964, 245 с.

93. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. Под общей ред. А.И. Голубева и Л.А.Кондакова. - М. - Машиностроение, 1994.- 463 с.

94. Фезандье Л. П. Гидравлические механизмы / А. П. Фезанье. — М.: Оборонгиз, 1960. 396 с.

95. Френкель М.И. Поршневые компрессоры.— Л.: Машиностроение, 1969.-744 с.

96. Шатинский В.Ф Исследование герметичности металлических уплотнений арматуры для жидких и газовых сред / В.Ф Шатинский, М.С. Гойхман, Р.Н. Гарлинский. // Химическое и нефтяное машиностроение. №8. 1975. С. 33-34.

97. Шашкин И.Ф. Плунжерные и поршневые насосы малой производительности в теплоэнергетике / И.Ф. Шашкин. - М.: Госэнергоиздат, 1960. 289 с.

98. Чегодаев Д.Д. Фторопласты / Д.Д. Чегодаев, Наумова З.К., Ц.С. Дунаевская. - Л.: Госхимиздат, 1960. 192 с.

99. Черкасский В.М. Насосы, компрессоры, вентиляторы / В.М. Черкасский, Романова Т.М., P.A. Кауль. - М.: Энергия, 1968 304 с.

100. Юдаев Б.Н. Теплопередача / Б.Н. Юдаев. - М.: Высшая школа, 1973. 360 с. Ю1.Юдицкий Ф.Л. Графитные уплотнительные устройства / Ф.Л. Юдицкий. - Л.:

Судпромгиз, 1961. 423 с.

102. Юфин А.П. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы / А.П. Юфин. -М.: Высшая школа, 1965. 573 с.

103. Bierl А. Zeckraten von Dichtelementen / A. Bierl. // Chemie - Ingenieur - Technik, 1977. Vol. 49, № 2. S. 89-95.

104. Lazarkiewicz S. Homhy wirowe / S. Lazarkiewicz, A.T. Troskolanski. - Warszawa: PWT, 1959.211 c.

105. Mechanical Engineers'Handbook, Marks, Sixth Edition, Section 3, p 48.

106. "New Design Data for Teflon" Mach ine Design, Jan. 21 and Feb. 18, 1960.

107. Teflon. Mechanical Design Date. (Du Pont).