Как рассчитать параметры для торцевых уплотнений

Торцевые уплотнения современных высокоскоростных насосов в процессе эксплуатации испытывают напряжения и нагрузки самого разного происхождения. Это нагрев от трения подвижных и неподвижных элементов конструкции, агрессивность, гидравлическое давление и температурные воздействия рабочей среды, влияние турбулентности ее потока. При работе насоса в длительно-непрерывном режиме эти факторы способствуют износу торцевого уплотнения, результатом которого является разгерметизация места контакта вала привода с корпусом рабочей камеры и утечка перекачиваемой жидкости. Данный процесс закономерен, поэтому уплотняющие детали насоса относятся к категории расходных и подлежат периодической замене изношенных на новые.

Срок службы и функциональность торцевых уплотнений зависит от соответствия их технических характеристик условиям эксплуатации перекачивающего оборудования по назначению и типу насоса, параметрам рабочей среды. Прежде чем уплотнитель определенной модели займет свое место в номенклатурном перечне продукции того или иного производителя, проводится огромный объем работ, включающий в себя сложные инженерные расчеты и экспериментальные испытания прототипов.

Конструкция торцевого уплотнения

В общем случае торцевое уплотнение для насоса представляет собой составную деталь, основой которой является пара трения — два кольца, одно из которых статично фиксируется в корпусе, второе на вращающемся валу привода. Величина зазора между ними должна не препятствовать вращению вала и, в то же время, не допускать утечку рабочей среды. Функциональность всех остальных элементов торцевого уплотнения состоит в обеспечении взаимодействия колец пары трения — плотности прилегания поверхностей (прижимная пружина) и защите конструкции от внешних воздействий (сильфон, вторичное уплотнение). Смазка и охлаждение места контакта колец производится рабочей средой, в некоторых моделях это делается принудительно с использованием затворной жидкости.

Параметры, определяющие функциональность торцевых уплотнений

Инженерный расчет торцевых уплотнений основан на определении и анализе их параметров с учетом свойств материалов изготовления для предстоящих условий эксплуатации без сверхнормативных утечек. Оценка технических характеристик может проводиться вручную по стандартным методикам, для детальных расчетов используется специальное программное обеспечение. Оценочные параметры торцевых уплотнений:

• Площадь контакта колец торцевого уплотнения.
• Коэффициент нагрузки от давления рабочей среды.
• Давление скольжения с учетом усилия от прижимной пружины и уравновешивания всех действующих сил.
• Коэффициент трения — справочная величина, зависящая от материалов изготовления колец пары трения.
• Высота зазора — величина пространства между поверхностями колец пары трения, не препятствующая вращению вала и не допускающая утечку рабочей среды.
• Шероховатость. Этот показатель зависит от материала колец пары трения и качества обработки скользящих поверхностей.
• Скорость скольжения. Данная величина зависит от диаметра и скорости вращения вала привода.
• Теплообмен — показатель, характеризующий рабочие температурные характеристики уплотнения и определяющий возможность предотвращения перегрева охлаждением детали рабочей средой или необходимость использования затворной жидкости.
• Потери мощности, складывающиеся из потерь на трение скользящих поверхностей и турбулентность потока.

Все вышеперечисленные характеристики торцевых уплотнений, разрабатываемых для определенных типов насосов и условий эксплуатации, являются среднестатистическими и установлены в результате многочисленных экспериментов и испытаний. Эти параметры ложатся в основу определения ориентировочной величины утечек по формуле:

Более точный результат дает автоматизированный расчет с использованием специально разработанных для этого компьютерных программ. Полученные результаты ложатся в основу принятия решения по запуску в серию новых типов торцевых уплотнений с улучшенными параметрами износостойкости и герметичности.

Качество торцевых уплотнений, выпускаемых ведущими отечественными и зарубежными производителями, сомнений не вызывает, оригинальные изделия полностью соответствуют действующим стандартам. Тем не менее, в отдельных случаях при их эксплуатации может наблюдаться сверхнормативная утечка среды, быстрый износ и выход из строя. В абсолютном большинстве случаев это результат нарушения условий контакта между поверхностями скольжения. Причины этого:

• Деформирование поверхностей из-за превышения температуры рабочей среды.
• Отложения абразива, содержащегося в перекачиваемой жидкости.
• Вибрация агрегата из-за нарушения соосности валов привода и рабочего колеса, износа подшипника.
• Несоответствие параметров торцевого уплотнения условиям эксплуатации насоса по скорости вращения вала, давлению и агрессивности рабочей среды.
• Неправильная установка торцевого уплотнения.

Исключение факторов, влияющих на износостойкость торцевого уплотнения, однозначно обеспечит соответствие его технических параметров расчетным.