Обзор уплотнительных устройств, применяемых в пожарных насосах



При герметизации вращающихся валов машин и механизмов встает задача создания надежных и простых уплотнений. Долговечность работы уплотнения оказывает значительное влияние на работоспособность узлов и агрегатов пожарной техники. Так, например, по статистическим данным 90 % случаев аварийных разрушений подшипниковых узлов вызвано неудовлетворительной работой уплотнений. Даже незначительное нарушение герметичности подшипниковых узлов в условиях интенсивной эксплуатации пожарной техники снижает надежность их работы, повышает расход смазочных материалов и потребность в запасных частях, а также необходимость выполнения внеплановых ремонтных работ и дополнительные трудовые ресурсы.

В пожарных насосах возникает проблема уплотнения перекачиваемой среды. Выход из строя уплотнения перекачиваемой среды помимо снижения рабочих характеристик насоса может повлечь за собой выход из строя всего агрегата.

Таким образом, повышение эксплуатационных параметров уплотнительных устройств, их безотказность и долговечность — один из способов путей повышения надежности и долговечности пожарной техники. В пожарной технике применяется целый ряд традиционных уплотнительных устройств. Однако, они не всегда обеспечивают необходимые рабочие характеристики.

При использовании аналитических данных, взятых из документации и технических паспартов на поставляемое оборудование конструкций образцов пожарных насосов, выявлены возможные пути их модернизации путем замены уплотнительных устройств на нетрадиционные.

Анализ показал, что в качестве уплотнений рабочей среды в рассмотренных агрегатах используются торцовые уплотнения. Применение торцовых уплотнений обусловлено высоким давлением (до4МПа) и наличием в перекачиваемой воде загрязнений.

В результате модернизации можно значительно снизить количество отказов пожарных насосов за счет повышения надежности уплотнительных узлов. Наибольший интерес здесь представляют торцовые уплотнения перекачиваемой среды. Именно от их работоспособности в наибольшей степени зависит работоспособность всего агрегата в целом.

Альтернативой традиционным торцовым уплотнениям может стать их комбинация с магнитожидкостным уплотнением [14].

Однако, при разработке подобных уплотнений встает ряд задач:

1. Анализ магнитной системы уплотнения;
2. Выбор магнитных материалов;
3. Изучение процесса трения рабочих частей уплотнения.

Только решение всех поставленных задач в комплексе позволит создать новую конструкцию.

При анализе конструкции пожарного насоса НЦПК-40–100–4–400 установлено:

1. Основными типами уплотнений, применяемых в пожарных насосах, являются торцовые уплотнения и манжетные уплотнения.
2. Уплотнения выполняют функции герметизации рабочей среды и защиты опорно-подшипниковых узлов.
3. Для герметизации рабочей среды (перекачиваемой воды) применяются торцовые уплотнения.
4. Для герметизации опорно-уплотнительных узлов применяются манжетные уплотнения.
5. Для герметизации статических зазоров используются уплотнительные кольца.

Следует отметить, что широкое применение магнитожидкостных уплотнений (МЖУ) в пожарной технике ограничено низким рабочим перепадом давлений, при котором допускается их эксплуатация с интенсивным вымыванием магнитной жидкости из рабочего зазора при герметизации жидких сред [1].

Уплотнениями называются устройства, которые предназначены для разделения пространств с различными давлениями, рабочими средами и температурами. Они предотвращают проникновение посторонних частиц в рабочую среду и исключают утечку уплотняемой среды из корпуса уплотняемого узла [2,3]. Основная задача динамического уплотнительного устройства состоит в том, чтобы каким-либо образом заполнить пространство или зазор между подвижной и не подвижной частями механизма, тем самым обеспечивая выполнение его функций. Уплотнительные устройства применяются в различных отраслях техники, поэтому номенклатура уплотнений исключительно широка, а требования и условия эксплуатации разнообразны [5].

Поэтому, наиболее перспективным здесь является использование комбинированных магнитожидкостных уплотнений (КМЖУ). В таких уплотнениях сочетаются достоинства традиционных и магнитожидкостных уплотнений в связи с чем, взаимно компенсируются их недостатки.

В ходе рассмотрения уплотнительных устройств, применяемых в пожарных насосах марки НЦПК-40–100–4–400, предложена предпосылка замены уплотнительных устройств на комбинированные магнитожидкостные уплотнения, для улучшения характеристик и параметров работы агрегата [1].

Бесконтактные уплотнения. В центробежных и осевых компрессорах, пожарных насосах, паровых турбинах широко используются лабиринтные уплотнения. Механизм работы лабиринтных уплотнений в жидкостях основан на создании увеличенного гидродинамического сопротивления перетоку жидкости. В случае применения лабиринтных уплотнений для предотвращения попадания в уплотняемую область влаги и абразивных частиц, щель уплотнения заполняется консистентной смазкой [6].

Основным преимуществом лабиринтных уплотнений является отсутствие трения в сопрягаемых деталях уплотнения, а, следовательно, и их износа. Такие уплотнения просты в изготовлении, надежны и не требуют технического обслуживания. Недостатком уплотнений этого типа является принципиальное отсутствие герметичности, что связано с особенностями их конструкции. При этом следует добавить, что неизбежные температурные деформации приводят к уменьшению зазоров в уплотнении. Уменьшение зазоров повышает опасность задиров, что ведет к износу, щелевых уплотнений который является основной причиной сокращения межремонтных сроков герметизируемых узлов.

К классу бесконтактных уплотнений также относятся магнитожидкостные уплотнения. В магнитoжидкостных уплотнениях пространство между подвижными неподвижным элементами заполняется магнитной жидкостью, удерживаемой в рабочей области магнитным полем [7].

Принцип действия МЖУ основан на способности МЖ управляться магнитным полем. При наложении магнитного поля МЖ втягивается в область наибольшей напряженности магнитного поля и тем самым перекрывает имеющиеся зазоры [8]. В конструкции традиционного радиального МЖУ с магнитожидкостным уплотнением, радиальное МЖУ состоит из кольцевого постоянного магнита и двух полюсов, на рабочих поверхностях которых выполнены кольцевые зубцы. Магнитный поток, возбуждаемый магнитом, удерживает МЖ3 в рабочем зазоре между неподвижными полюсами и подвижным валом, обеспечивая его герметизацию относительно неподвижного корпуса. Статические зазоры уплотнены прокладками.

Достоинствами МЖУ, по сравнению с контактными и щелевыми уплотнениями, являются низкий момент трения, отсутствие износа, долговечность, герметичность, способность к самозалечиванию, малое тепловыделение [1]. К недостаткам этого типа уплотнений относятся неудовлетворительная работа в контакте с жидкими средами, агрессивными средами, неудовлетворительная работа в условиях загрязнения абразивными частицами. Основным фактором, ограничивающим применение МЖУ является сложность обеспечения равномерности рабочего зазора. В случае появления эксцентриситета вала в зазоре МЖУ возникают магнитные силы одностороннего действия, что может привести к разрыву слоя МЖ и пробою уплотнения. Особенно остро эта проблема встает при диаметрах вала больше150 мм. В лишенных этого недостатка торцевых МЖУ возникают проблемы, связанные с обеспечением величины рабочего зазора и вытеснением из него МЖ под действием радиально направленных сил.

Среди контактных уплотнений наиболее распространены торцевые уплотнения и контактные уплотнения с эластомерным элементом. В узлах и агрегатах, работающих в исключительно тяжелых условиях, широко используются торцевые уплотнения [1]. Торцевое уплотнение состоит в основном из трех элементов: двух колец (вращающегося и неподвижного) образующих плоскую пару трения и упругого элемента, обеспечивающего контакт в паре трения. Торцевые уплотнения сохраняют работоспособность при рабочем давлении герметизируемой среды до 20 МПа, скорости скольжения до 250 м/с и при температуре свыше 533⁰К.

Другими достоинствами торцевых уплотнений являются простота эксплуатации, высокая надежность, нечувствительность к продольным перемещениям и радиальным биениям вала, возможность работать в любой абразивной, агрессивной среде при правильно сконструированных уплотнительных узлах. К недостаткам торцевых уплотнений можно отнести увеличение габаритов и относительно высокую стоимость изготовления.

Широкое распространение в настоящее время получили контактные уплотнения с эластомерным элементом. К ним относятся манжетные радиальные уплотнения, грязесъемники, манжетные торцевые уплотнения [1].

Механизм герметизации этих уплотнений прежде всего связан с высоко эластичными свойствами резины — материала уплотнения, позволяющего осуществлять плотное контактирование поверхностей при небольшом контактном давлении. Применение этих уплотнений дает возможность герметизации относительно грубо обработанных поверхностей при малых усилиях на детали соединения. Уникальные свойства резины позволяют создать простые, самые дешевые и универсальные уплотнения совместимые с большинством рабочих сред [1]. Простота конструкции вытекает из возможности совмещения водной детали уплотнения всех функциональных элементов контактного уплотнения. Одним из самых распространенных уплотнительных устройств с эластомерным элементом является радиальное манжетное уплотнение. Принцип действия радиального манжетного уплотнения основан на взаимодействии вращающегося вала с эластомерной кромкой манжеты. Эластомерный материал кромки манжеты контактируя с поверхностью вала предотвращает утечку уплотняемой среды.

Комбинированные уплотнения.

Кроме контактных и бесконтактных уплотнительных устройств существуют системы, представляющие их сочетания [1]. Такие уплотнения называются комбинированными. Наибольший интерес представляют комбинированные манжетные магнитожидкостные уплотнения, поскольку в них сочетаются достоинства тех и других герметизаторов и взаимно компенсируются недостатки. Такие уплотнения представляют собой стандартную манжету, снабженную магнитной системой.

а)	б)	в)
г)	д)
Рис. 1. Комбинированные манжетные — магнитожидкостные уплотнения:а — с магнитным элементом на валу под рабочей кромкой манжеты, б — с магнитными элементами установленными на валу по бокам рабочей кромки,в, г — с наборными магнитами, установленными на пружине, д — с намагниченной пружиной

На рис. 1 в, г представлено манжетное уплотнение с магнитной системой, состоящей из серии постоянных магнитов, расположенных вокруг пружины манжеты. Проходя через пазы, выполненные в нижней части магнитов, пружина удерживает их от выпадения при ударах и вибрации.

На рис. 1б представлено уплотнение с расположенными по обе стороны от рабочей кромки манжеты постоянными магнитами. Магниты могут быть намагничены как в осевом, так и в радиальном направлении.

Представленное на рис. 1а уплотнение состоит из манжеты и закрепленного на валу под рабочей кромкой манжеты магнита, намагниченного в радиальном направлении.

Конструкция уплотнения рис. 1д представляет собой традиционное манжетное уплотнение, пружина которого выполнена из магнитного материала и намагничена в радиальном направлении.

Во всех представленных конструкциях магнитная жидкость удерживается магнитным полем под кромкой манжеты, обеспечивая ее смазывание, а образовавшиеся вокруг вала магнитожидкостные пробки увеличивают уплотняющую способность уплотнений.

Таким образом, комбинированные манжетные-магнитожидкостные уплотнения могут быть использованы в пожарных насосах взамен традиционных и обеспечивать необходимые рабочие характеристики, как один из способов путей повышения надежности и долговечности агрегатов и узлов пожарной техники.

Литература:

1. Блум Э. Я., Майоров М. М., Цеберс А. О. Магнитные жидкости. — Рига: Зинатне, 2016. — 387 с.
2. Духин С. С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. — Киев: Наукова думка, 2015. — 246 с.
3. Бобровицкий Д. А., Деменкова Л. Г. Магнитная жидкость — наноматериал для машиностроения // Перспективные материалы в строительстве и технике (ПМСТ-2014): материалы Международной научной конференции молодых ученых. — Томск, 2014. — С. 631–635.
4. Бобровицкий Д. А., Деменкова Л. Г. Получение магнитной жидкости и её использование в машиностроении // Современное состояние и проблемы естественных наук: сборник трудов Всероссийской научно -практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. — Томск, 2014. — С. 203–205.
5. Голубев А. И. и Кондаков Л. А. Уплотнения и уплотнительная техника. — М.: Машиностроение, 2016, 463 с.
6. Закинян Р. Г., Смерек Ю. Л., Закинян А. Р. К механизму электропроводности магнитной жидкости с графитовым наполнителем // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2014. — № 3. — С. 52–55.
7. Контарев А. В. Применение магнитных жидкостей // Успехи современного естествознания. — 2015. — № 10. — С. 67–70.
8. Сенатская И. И. Жидкость, которая твердеет в магнитном поле // Химия и жизнь. — 2015. — № 10. — С. 43–47.