Что такое торцевое уплотнение? Принцип работы, конструкция и области применения

Торцевое уплотнение — это элемент уплотнения вала, который предотвращает утечку рабочей среды в месте выхода вала из корпуса вращающегося оборудования, такого как насос, мешалка или компрессор, а при необходимости не допускает проникновения внешней среды внутрь. Для этого два прецизионно обработанных кольца, одно из которых вращается вместе с валом, а другое закреплено в корпусе, прижимаются друг к другу; между поверхностями остаётся лишь плёнка жидкости толщиной порядка микрона.

На практике его также называют механическим уплотнением или просто уплотнением насоса. Как бы его ни называли, основная идея одна: линия уплотнения проходит не вдоль поверхности вала, а между двумя плоскими поверхностями, расположенными перпендикулярно валу. Пружины и давление среды прижимают эти поверхности друг к другу, а плёнка между ними одновременно ограничивает утечку и смазывает поверхности.

Эта статья — вводное руководство о том, что такое торцевое уплотнение, зачем оно нужно и как работает. Подробная классификация составных, картриджных, сильфонных и двойных уплотнений приведена в руководстве виды торцевых уплотнений.

Чтобы вращающийся вал мог пройти через неподвижный корпус, между ними обязательно должен быть зазор. Во время работы насоса с одной стороны зазора находится среда под давлением, с другой — атмосфера. Если зазор не закрыт, среда вытекает наружу, а в оборудовании, работающем под вакуумом, внутрь подсасывается воздух. Задача уплотнения вала — закрыть этот зазор, позволяя валу вращаться.

Прокладка с этой задачей не справится: она предназначена для герметизации двух поверхностей, неподвижных относительно друг друга, например двух фланцев, за счёт сжатия. Сальниковая набивка работает за счёт плетёных колец, которые обжимаются грундбуксой вокруг вала; кольца трутся непосредственно о вал или защитную втулку, и для отвода тепла трения обычно оставляют контролируемую капельную утечку. Манжетные уплотнения применяются в основном для удержания масла и смазки при низком давлении.

Торцевое уплотнение переносит динамическое уплотнение с поверхности вала на стык двух колец, перпендикулярных валу. Благодаря этому видимой капельной утечки обычно нет, на валу или втулке нет постоянной зоны трения, как при набивке, а потери на трение в большинстве применений ниже. Взамен первоначальная стоимость выше, а монтаж требует аккуратности. Подробное сравнение двух технологий — в статье торцевое уплотнение или сальниковая набивка, а влияние на энергопотребление и совокупную стоимость — в руководстве эффективность уплотнения насосов.

Проще всего понять принцип, проследив работу торцевого уплотнения от монтажа до установившегося режима. Шаги в этом разделе описывают общую последовательность для одинарного уплотнения со смазкой жидкостью; детали зависят от конструкции.

Если нарушается любое звено цепочки из предварительного поджатия, создания давления, образования плёнки, равновесия, отвода тепла и компенсации износа, уплотнение начинает протекать: при недостаточном предварительном поджатии поверхности раскрываются, при испарении плёнки они трутся всухую, а при заклинивании вторичного элемента кольцо перестаёт отслеживать износ.

• Монтаж и предварительное поджатие: вращающееся кольцо устанавливается на вал, неподвижное — в крышку уплотнения или корпус. Пружина или сильфон создаёт предварительное усилие, прижимающее поверхности друг к другу ещё до пуска насоса; без него при отсутствии давления среда могла бы уходить между поверхностями.
• Создание давления: камера уплотнения заполняется средой и оказывается под давлением. Давление действует на площадь за кольцом, способным перемещаться в осевом направлении, и создаёт второе замыкающее усилие, которое складывается с усилием пружины.
• Образование плёнки и вращение: под действием перепада давления среда проникает между поверхностями со стороны давления к атмосферной стороне и образует тонкую плёнку; при вращении вала эта плёнка смазывает поверхности. Давление в плёнке создаёт раскрывающее усилие, которое стремится разделить поверхности.
• Равновесие: когда замыкающие усилия уравновешиваются раскрывающим усилием давления плёнки, поверхности работают с зазором порядка микрона, при котором контакт твёрдых тел и трение остаются ограниченными, а утечка — очень малой.
• Отвод тепла: трение на поверхностях и сдвиг в плёнке выделяют тепло. Оно отводится средой, циркуляцией в камере уплотнения или внешней промывкой; если плёнка приближается к температуре кипения, она становится нестабильной.
• Компенсация износа: со временем поверхности очень медленно изнашиваются. Пружина или сильфон продвигает подвижное кольцо на величину износа и сохраняет контакт; тот же механизм компенсирует небольшие осевые перемещения вала и тепловое расширение.

Плёнка между поверхностями — одновременно смазка и уплотняющая среда торцевого уплотнения. Её толщина обычно порядка микрона или меньше, то есть в десятки раз тоньше человеческого волоса. Чтобы такая тонкая плёнка была стабильной, поверхности должны быть исключительно плоскими: уплотнительные поверхности притирают, а плоскостность проверяют оптической плоской пластиной в монохроматическом свете и выражают в интерференционных полосах гелиевого света. Одна полоса соответствует примерно 0,3 мкм.

Замыкающее усилие складывается из двух источников: усилия пружины и гидравлического усилия, которое давление среды создаёт на тыльной стороне подвижного кольца. Усилие пружины сравнительно невелико; его главная задача — удерживать поверхности в контакте при низком или нулевом давлении. С ростом давления основную часть замыкающего усилия создаёт гидравлическая сила. Раскрывающее усилие возникает из давления плёнки между поверхностями.

Какая часть давления превращается в нагрузку на поверхности, определяет коэффициент разгрузки: отношение площади, на которую давление действует в замыкающем направлении, к площади контакта поверхностей. У неразгруженных уплотнений этот коэффициент обычно больше 1, и нагрузка на поверхности быстро растёт с давлением. У разгруженных уплотнений ступень на валу или втулке снижает коэффициент ниже 1, поэтому нагрузка на поверхности остаётся ограниченной и при высоком давлении.

Нагрузочную способность пары трения оценивают по значению PV — произведению давления на поверхности и скорости скольжения. С ростом PV увеличивается тепловыделение от трения; если среда не успевает отводить тепло, плёнка испаряется, поверхности трутся всухую и начинаются повреждения: термотрещины, чрезмерный износ или затвердевание эластомера. Поэтому охлаждение камеры уплотнения и, при необходимости, подача чистой промывочной жидкости являются частью конструкции.

Конструкции различаются, но почти в каждом торцевом уплотнении есть группы компонентов с одинаковыми функциями. В промышленных насосных уплотнениях подпружиненное подвижное кольцо обычно находится на вращающейся стороне; при высоких окружных скоростях и в некоторых компактных неразборных конструкциях пружинный узел размещают на неподвижной стороне. Материал вторичных элементов часто ограничивает температуру и химическую стойкость уплотнения раньше, чем материал поверхностей.

Таблица компонентов кратко описывает функции и типичные материалы каждой детали. Сравнение материалов пар трения по твёрдости, теплопроводности и вязкости разрушения приведено в статье карбид кремния или карбид вольфрама.

Зазор между поверхностями — не единственное место, через которое среда может выйти из торцевого уплотнения. Каждое место соединения компонентов является потенциальным путём утечки, и каждый такой путь закрывается отдельным элементом.

Нулевая утечка? В одинарном торцевом уплотнении со смазкой жидкостью плёнка очень медленно течёт от стороны давления к атмосферной стороне, поэтому технически утечка не равна нулю. Её объём часто настолько мал, что на кромке поверхностей со стороны атмосферы она при участии тепла трения уходит в окружающую среду в виде пара и не видна глазом. Поэтому формулировки «нет видимой утечки» или «очень малая контролируемая утечка» точнее, чем «нулевая утечка».

В токсичных и летучих средах, где выход рабочей среды в атмосферу недопустим, распространённым решением является двойное уплотнение с затворной жидкостью под давлением; в зависимости от применения используются и двойные компоновки без давления (с буферной жидкостью), отводящие утечку в систему сбора. В компоновке под давлением очень малое количество затворной жидкости переходит в процесс и в атмосферу; но пока давление затворной жидкости поддерживается, наружу выходит не рабочая среда, а выбранная чистая затворная жидкость. Возможные причины признаков утечки, таких как капли, отложения кристаллов или пар, рассмотрены в руководстве отказы и обслуживание торцевых уплотнений. Первый шаг в диагностике утечки — определить, по какому из пяти перечисленных в этом разделе путей она идёт.

• Первичное уплотнение (между поверхностями): динамическая линия между вращающимся и неподвижным кольцами; по замыслу конструкции единственный путь, допускающий очень малый расход плёнки.
• Между вращающимся узлом и валом или втулкой: закрывается кольцом круглого сечения, сильфоном или клиновым кольцом; в конструкциях с кольцом круглого сечения и пружинным узлом на вращающейся стороне этот элемент должен свободно смещаться в осевом направлении, чтобы отслеживать износ.
• Между неподвижным кольцом и крышкой уплотнения: в большинстве конструкций закрывается статическим кольцом круглого сечения, клиновым кольцом или эластомерной манжетой.
• Между крышкой уплотнения и камерой уплотнения: статическое соединение, закрываемое прокладкой крышки или кольцом круглого сечения.
• Между втулкой и валом в картриджных уплотнениях: закрывается кольцом круглого сечения во внутреннем диаметре втулки.

Торцевое уплотнение можно применять почти в любом оборудовании, где вращающийся вал должен отделять жидкость или газ под давлением от окружающей среды. Различие между применениями проявляется в том, что в первую очередь ожидается от уплотнения: в серийной бытовой технике — компактность и стоимость, в химическом насосе — контроль выбросов, в пищевом насосе — гигиеничность.

Meccanotecnica Umbra занимает около 35% мирового рынка уплотнений автомобильных водяных насосов и более 50% рынка уплотнений посудомоечных машин. Эти две области — типичные примеры серийных применений, где от уплотнения ожидают долгой работы без обслуживания в малом объёме.

Правильный выбор уплотнения начинается не с каталога, а с данных о применении. Вопросы этого раздела охватывают сведения, которые нужно собрать до обращения к поставщику, и служат основой для решений о типе и материалах. Когда ответы ясны, подходящие типы часто сводятся к нескольким вариантам.

• Какова среда? Химический состав, вязкость, содержание твёрдых частиц, склонность к кристаллизации и класс опасности.
• Каковы давление и температура в камере уплотнения? Учитывается давление, которое видит уплотнение, а не давление нагнетания насоса; важен и запас до давления насыщенных паров среды.
• Каковы диаметр и частота вращения вала? Вместе они определяют окружную скорость на поверхностях, которая вместе с нагрузкой на поверхности влияет на тепловыделение.
• Каковы размеры камеры уплотнения и доступная осевая длина? Соответствует ли оборудование стандартным размерам, например DIN 24960 / EN 12756?
• Постоянно ли направление вращения? Конструкции, зависящие от направления, могут работать неправильно при обратном вращении.
• Есть ли риск сухого хода, кавитации или частых пусков и остановов?
• Есть ли нормативные или заводские ограничения на утечку в атмосферу, взрывоопасная среда или гигиенические требования?
• Можно ли обеспечить охлаждение, промывку или подачу затворной жидкости?
• Какова стоимость простоя? От этого ответа во многом зависят выбор картриджного уплотнения и стратегия запасных частей.

Виды: торцевые уплотнения классифицируют по конструкции (составное и картриджное), числу уплотнений (одинарное и двойное), разгрузке давления (разгруженное и неразгруженное), типу вторичного уплотнения (с кольцом круглого сечения и сильфонное), типу пружины и направлению вращения. Инженерное обоснование и таблица применений по каждой оси — в руководстве виды торцевых уплотнений.

Материалы: выбор пары трения и эластомера определяет химические, температурные пределы и стойкость к износу. Общие принципы изложены в статье выбор материалов для уплотнительной продукции, а для сред с твёрдыми частицами — в статье торцевые уплотнения для абразивных жидкостей.

Отказы: сухой ход, недостаточное охлаждение, повреждение вторичных элементов, ошибки монтажа и вибрация — частые причины ранней утечки; термотрещины чаще всего являются следствием сухого хода или недостаточного охлаждения. Методы диагностики от симптома до первопричины и программа профилактического обслуживания описаны в руководстве отказы и обслуживание торцевых уплотнений.

Стандарты общим языком описывают, как обозначается уплотнение и каким размерам оно соответствует. Сведения в этом разделе носят общий информационный характер; какому стандарту должно соответствовать применение, определяется проектной спецификацией.

API 682 охватывает системы уплотнения валов центробежных и роторных насосов в нефтяной, газовой и химической промышленности. Он описывает уплотнения через категорию, компоновку (arrangement) и тип: компоновка 1 — одинарное уплотнение, компоновка 2 — двойное уплотнение без давления с жидкой или газовой буферной средой, давление которой ниже давления в камере уплотнения, компоновка 3 — двойное уплотнение под давлением, у которого затворная жидкость поддерживается выше давления в камере уплотнения.

Стандарт также описывает вспомогательные системы уплотнений номерами планов. Например, API Plan 32 определяет подачу чистой промывочной жидкости в камеру уплотнения от внешнего источника, а API Plan 53B — контур, в котором затворная жидкость поддерживается под давлением баллонным (bladder) аккумулятором.

DIN 24960 и в значительной мере заменивший его европейский стандарт EN 12756 унифицируют основные монтажные размеры торцевых уплотнений в зависимости от диаметра вала; EN 12756 также задаёт систему кодирования материалов уплотнения. Уплотнения одной размерной серии взаимозаменяемы по размерам. Однако размерная совместимость не означает равноценности материалов и характеристик; при замене материалы поверхностей и эластомеров нужно проверять отдельно.

Значительная часть отказов торцевых уплотнений связана не с материалами, а с ошибками монтажа и эксплуатации. Правила этого раздела действуют независимо от типа уплотнения; числовые пределы всегда берутся из технической документации изделия.

• Держите поверхности в чистоте: не касайтесь притёртых поверхностей голыми руками; защищайте уплотнение от пыли и стружки от упаковки до монтажа.
• Проверьте вал и камеру уплотнения: биение вала, осевой люфт, состояние подшипников и качество поверхности вала должны быть в пределах, указанных изготовителем.
• Берегите эластомеры: при проходе через острые кромки, шпоночные пазы и резьбу используйте монтажную гильзу; выбирайте смазку, совместимую с эластомером (например, смазки на минеральной основе не подходят для EPDM).
• Правильно задайте поджатие: в составном уплотнении установите рабочую длину пружины по размеру; в картриджном уплотнении снимайте монтажные фиксаторы только после затяжки болтов крышки и установочных винтов приводного кольца.
• Не допускайте сухого хода: перед первым пуском заполните камеру уплотнения средой и удалите воздух; систему промывки или затворной жидкости вводите в работу раньше насоса.
• Эксплуатируйте насос вблизи расчётной точки: кавитация, длительная работа на закрытую задвижку и работа вдали от точки наилучшего КПД сокращают срок службы уплотнения из-за нагрева, вибрации и прогиба вала.
• При замене думайте об уплотнении целиком: вместе с поверхностями обновляйте вторичные элементы; сохраняйте отказавшее уплотнение для анализа первопричины.

Meccanotecnica Umbra Turkey — турецкая компания итальянского производителя торцевых уплотнений Meccanotecnica Umbra S.p.A. Из промышленной зоны Икителли в Стамбуле компания производит и поставляет торцевые уплотнения, сальниковые набивки, прокладки и вращающиеся соединения для автомобильной промышленности, бытовой техники и промышленных насосов.

Каталог, опирающийся на опыт компании Meccanotecnica Umbra S.p.A., основанной в 1966 году в Кампелло-суль-Клитунно (Умбрия, Италия), включает 189 изделий, 126 технических PDF и поддержку чертежей STEP/DWG. С данными о среде, давлении, температуре и размерах вы можете изучить каталог продукции или связаться с нашей технической командой для подбора.