Analysis of the operating conditions of contactless seals during reciprocating motion of plunger pairs of drives of construction machines

Full Text

Анализ работы уплотнений для соединений с возвратно-поступательным движением говорит о том, что создание надёжной конструкции уплотнений является одной из важнейших в мировой технике. Стабильная работа уплотнений определяет возможные рабочие параметры, ресурс и надежность привода гидравлических систем и его элементов, а также последующее развитие механизмов с гидроприводом.

Патентные исследования и литературные источники [1−6] показывают основные тенденции развития конструкций уплотнений подвижных соединений:

увеличение надежности и долговечности;

применение современных материалов повышенной износостойкости в экстремальных условиях работы;

совершенствование работы уплотнений без смазки или в средах, имеющих плохие смазывающие свойства;

оптимизация технологии изготовления и снижение стоимости производства конструкции;

создание долговечных уплотняющих элементов с повышенными характеристиками для различных условий функционирования гидравлических приводов строительных машин и механизмов [7−11].

При эксплуатации гидравлических систем [12] число отказов, связанных с потерей герметичности, составляет 66 %. Выход из строя узлов гидравлических агрегатов чаще всего происходит из-за нарушения работы уплотнений.

Строительные машины, механизмы и агрегаты эксплуатируют в экстремальных условиях: сильной запыленности, высокой влажности, резкого изменения температуры, ударных нагрузок, вибрации и т. д. Поэтому необходимо, чтобы гидравлические уплотнения в конкретных условиях работы машин и механизмов соответствовали следующим требованиям [12]:

надёжная степень герметизации как в состоянии покоя, так и при возвратно-поступательном движении уплотняемых сопрягаемых поверхностей;

износоустойчивость, продиктованная установленным числом рабочих циклов и сроком службы агрегата;

высокий КПД исполнительного механизма при минимальных утечках рабочей жидкости;

сопротивление к пульсациям рабочего давления, ударным нагрузкам и вибрациям;

минимальные усилия, необходимые для страгивания с места подвижных соединений;

невосприимчивость к химическому воздействию по отношению к соприкасающимся деталям и жидкостям;

компактные габаритные размеры, технологичность конструкции, доступность ремонта, сборки и регулировки;

универсальность использования в различных сферах.

При проектировании и эксплуатации уплотнений подвижных соединений следует принимать компромиссное решение между долговечностью и утечками [12].

Все существующие типы уплотнений подразделяются на две группы. В уплотнениях первой группы герметичность достигается за счет контакта и "поджима" поверхностей с использованием уплотняющего элемента: кольца, манжеты, прокладки, диафрагмы и т. д. Такие уплотнения называются контактными. Вторая группа − бесконтактные уплотнения, в которых между уплотняемыми поверхностями всегда существует малый зазор. Сквозь этот зазор всегда неизбежна утечка жидкости с небольшим расходом. Уплотняющий эффект, регулирующий величину утечки, в бесконтактных уплотнениях достигается за счёт возникновения гидравлического сопротивления при течении через малый зазор вязкой жидкости [11]. Бесконтактные уплотнения подразделяются на щелевые и лабиринтные. Щелевым уплотнением называют зазор между сопрягаемыми деталями, который необходим для обеспечения малой силы трения при относительном перемещении уплотняемых деталей.

Щелевые уплотнения применяют в механизмах с малыми диаметрами плунжеров и валов, не более 100 мм, при давлениях до 60 МПа. В таких уплотнениях сложно достичь абсолютной герметичности при любом малом зазоре, из-за чего подобные соединения используют только в тех случаях, когда не требуется полная герметичность [5, 11].

За счёт отсутствия прямого контакта между сопрягаемыми деталями, в щелевых уплотнениях не только снижаются механические потери на трение, но и значительно повышается надежность и износостойкость деталей.

Для агрегатов с контактными уплотнениями также почти невозможно обеспечить абсолютную герметичность при подвижных соединениях. Например, при прямолинейном возвратно-поступательном движении некоторый объём жидкости будет подвергаться переносу подвижной уплотняемой деталью в виде жидкостной пленки. В этом случае уплотнительный элемент удаляет с поверхности гильзы эту пленку и со временем образуются отрывающиеся капли. В данной конструкции уплотнения обычного движения жидкости не происходит. Здесь наблюдается только заполнение жидкостью микрокамер на поверхности движущейся детали в уплотняемой среде под действием перепада давления, а затем − частичное опорожнение этих камер вследствие расширения жидкости при выходе этой поверхности в не уплотняемую среду с меньшим давлением [11].

Конкретные условия работы и нагружения механизмов требуют различные типы уплотнений. После всестороннего анализа особенностей работы системы и агрегатов выбирается рациональный вид уплотнения. В работе [12] отдаётся предпочтение применению контактных уплотнений с эластичными герметизирующими элементами в современных гидросистемах, однако контактные уплотнения не используются в управляющих устройствах следящих гидроприводов, у которых для достижения заданных силовой и расходной характеристик необходимы профили проходных щелей и перекрытий определенной формы, измеряемые величинами в несколько микрометров. В механизмах с возвратно-поступательным движением деталей контактные уплотнения создают силу трения, которая зависит от перепада давления жидкости. С увеличением давления жидкости сила трения повышается. Такие механизмы быстро изнашиваются и очень чувствительны к наличию частиц загрязнений жидкости. Довольно серьёзным недостатком уплотнений, выполненных из эластичных материалов, является их низкая теплостойкость.

 Анализируя силы трения и величины утечек в эластомерных уплотнениях при возвратно-поступательном движении, выявлено, что эти два параметра уплотнений являются основной проблемой гидравлической уплотнительной техники [13]. Опираясь на теоретические исследования и практику эксплуатации уплотнений, автор получил нелинейную зависимость возрастания утечек от роста вязкости жидкости и скорости скольжения сопрягаемых деталей.

Повышение рабочего давления в гидроприводе увеличивает его быстродействие, уменьшает вес, но приводит к быстрому выходу из строя контактных уплотнений. При уменьшении плотности контакта увеличивается утечка, а коэффициент трения уменьшается, т. е. совершается постепенный переход от сухого к жидкому трению [14]. В этом случае утечки незначительны в сравнении с общим расходом жидкости и относительные потери мощности от них составляют менее одного процента, а сила трения и потеря мощности − десятые доли процентов.

Обычно стойкость контактных уплотнений составляет 0,5−1,0 млн двойных ходов [6]. Причина износа − трение, обусловленное самой конструкцией и назначением контактного уплотнения. Исследования сил трения в таких уплотнениях [4] показывают, что их величина составляет до 10−15 % от движущей силы.

В гидросистемах, работающих в широком диапазоне температур при больших рабочих давлениях и при больших скоростях возвратно-поступательного движения поверхностей уплотняемых деталей, щелевые уплотнения имеют определённые преимущества над остальными видами уплотнений. В этих системах эластомерные контактные уплотнения при совместном действии высокого давления и температуры выходят и строя [12].

Таким образом, уплотнение плунжера в гидроприводах с его возвратно-поступательным движением является важной задачей, её реализация гарантирует долговечность и надежность гидромеханизма и определяет коэффициент полезного действия агрегата. KПД установки с гидравлическим приводом будет определяться гидравлическими потерями мощности в соединительных трубопроводах, распределителе, арматуре, аккумуляторе, механическими потерями в трущихся парах и т. д.

Таким образом, наиболее рациональным видом уплотнения для малых диаметров плунжеров и перепадах давления не более 50−60 МПа является бесконтактное, в котором сухое трение переходит в чисто жидкостное трение, величина которого на несколько порядков ниже величины трения Кулона. Основная часть объемных потерь в насосах, распределителях, гидродвигателях, в гидравлических автоматизированных системах управления происходит именно в подвижных соединениях, работающих при возвратно-поступательном движении.

В настоящее время в области гидравлических приводов электроэнергетики, машиностроения, горнорудной промышленности, в строительстве и т.д. ведутся исследования по модернизации и усовершенствованию гидродвигателей возвратно-поступательного движения [13]. При расчете таких механизмов необходимо определить величину объемного КПД, учитывающего утечки жидкости, которые происходят в сопряжениях золотник – корпус золотника, цилиндр – поршень, гильза – плунжер. Кроме того, движение жидкости в щелевых зазорах бесконтактных уплотнений носит нестационарный характер.

 

Выводы. 1. С целью повышения надежности и долговечности работы гидропривода для определенного диапазона диаметров плунжеров и перепада давления в гидроагрегатах наиболее рациональным средством борьбы с силами сухого трения является щелевое бесконтактное уплотнение.

2. В процессе проектирования и отладки указанного бесконтактного уплотнения необходимо выполнить гидродинамический расчет жидкости, протекающей через зазоры, с учетом нестационарности процесса.
3. В результате гидродинамического расчета необходимо определить распределение скоростей по зазору, выявить закон изменения давления как по длине канала, так и в поперечном направлении, а также найти утечку жидкости через зазор, силу вязкого трения на стенках канала при пульсирующих изменениях давления и осцилляциях стенки канала.
4. Большие усилия на экспериментальную доводку гидроаппаратуры и получение конструкций, далеких от совершенства, обусловлено отсутствием надежных методов расчета и проектирования щелевых и лабиринтных уплотнений.
5. Исследование гидродинамических параметров течения рабочей жидкости в зазорах бесконтактных, щелевых и лабиринтных уплотнений является актуальной задачей, продиктованной разработкой новой техники.

About the authors

Evgeny A. Krestin

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: krestin@bk.ru

phd in engineering science, professor of the heat and gas supply and ventilation chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Grigoriy V. Serebryakov

LLC «Vesna»

Email: karately123@mail.ru

engineer of production and technical department (ptd)

Russian Federation, 446442, Kinel, Ust-Kinelsky, 4th Park Street, 2 k. g.

References

Supplementary files