В соответствии с режимом трения контактной пары уплот­нения делятся на обычные и гидравлические. В обычных кон­тактных уплотнениях режим трения зависит от вида и способа смазки и может быть сухим или граничным.

Режим сухого трения характеризуется полным отсутствием жидкости между контактирующими поверхностями и приводит к наибольшим затратам энергии на трение. Этот режим харак­терен при пуске насосов, не заполненных жидкостью, а также для пар трения торцовых уплотнений, длительное время нахо­дящихся в нагруженном состоянии.

В режиме граничного трения между контактирующими по­верхностями находится пленка жидкости без избыточного давления. При этом режиме трения, обеспечивается наибольшая эффективность уплотнения, т. е. наилучшая герметичность между трущимися парами. Даже незначительное увеличение удельного давления или скорости скольжения контактирующих пар трения может привести к замене режима граничного тре­ния на режим сухого трения, что характеризуется увеличением тепловыделения в зоне контакта из-за разрыва сплошности смазочной пленки.

Гидравлические контактные уплотнения делятся на гидро­динамические (полужидкостной режим трения) и гидростати­ческие (жидкостной режим трения). В первом случае пленка масла образуется за счет сил относительного вращения сопря­гающихся элементов, во втором — за счет подачи смазки в за­зор с помощью специальных устройств.

В режиме полужидкостного трения смазывающая пленка между поверхностями трения находится под гидродинамическим давлением. В этом режиме утечки жидкости между уплотняемыми поверхностями несколько возрастают.

Режим жидкостного трения характеризуется полным разде­лением контактирующих поверхностей слоем жидкости. В этом режиме трения утечки достигают значительной величины, по­этому режим жидкостного трения не рекомендуется применять.

Основной недостаток контактных уплотнений — износ их контактных поверхностей в результате трения вращающегося и неподвижного элементов. Трение и износ контактной пары ограничивают долговечность уплотнительных устройств этого типа и служат причиной энергетических потерь, затрачиваемых на преодоление сопротивления вращению.

К контактным уплотнениям относятся сальники, манжеты и торцовые уплотнения, которые отличаются друг от друга конструкцией уплотнительного элемента.

У бесконтактных уплотнений нет непосредственного контакта с взаимно перемещающимися деталями, а имеется постоянный гарантированный зазор между ними, поэтому они негерметичны. Их устройство по сравнению с контактными проще, они надежнее в работе и применяются в основном для уменьшения протечек жидкости во внутренних полостях насоса, находящихся под разным давлением.

По направлению нормали к потоку бесконтактные уплотнения делятся на радиальные и аксиальные. Если эффективность бесконтактного уплотнения зависит только от геометрическом формы сопряженных элементов, такое уплотнение называется статическим, а если зависит от геометрической формы и относительной частоты вращения элементов - динамическим.

Достоинство бесконтактных уплотнений — отсутствие трения и износа в сопряжении, что определяет незначительные энергетические затраты и практически неограниченный ресурс работы. К основному недостатку этого вида уплотнений следует отнести отсутствие полной герметизации. К бесконтактным уплотнениям центробежных насосов относятся щелевые, лабиринтные и динамические.

Комбинированное уплотнение является сочетанием контактного и бесконтактного уплотнений. Это наиболее совершенное уплотнение, позволяющее полнее использовать преимущества обоих типов. Оно применяется в качестве концевого уплотнения, обеспечивая практически полную герметизацию между подвижными элементами.

Комбинированные уплотнения обладают хорошей герметизацией за счет контактной части уплотнения и повышенной долговечностью. Примером комбинированного уплотнения может быть стояночное уплотнение — комбинация торцового уплотнения с динамическим или лабиринтным

Сальниковые уплотнения

Сальниковые уплотнения (сальник) — это уплотнение пере­мещающегося вала в местах выхода его из неподвижного кор­пуса, выполненное из мягкой эластичной набивки.

Применение сальников в качестве уплотнительного элемента — один из ста­рейших способов герметизации подвижного соединения.

Сальниковые уплотнения подразделяются на две группы: без принудительного поджатия и с принудительным (радиаль­ным и аксиальным) поджатием.

В зависимости от способа аксиального поджатия уплотнения с мягкой набивкой могут быть:

- поджатием со стороны, противоположной действию давления уплотняемой жидкости, со стороны действия давления перека­чиваемой жидкости, одновременно с двух сторон, с ручным и автоматическим поджатием набивки за счет действия упругой пружины или давления перекачиваемой жидкости.

Рассмотрим простейшее сальниковое уплотнение которое состоит из корпуса 2, уплотнительного элемента 3, нажимной втулки 4 и вспомогательных деталей (рис. 1).

Корпусом обычно является крышка подшипникового узла или втулка, установленная на валу узла. Уплотнительный элемент из антифрикционного материала уста­навливается в гнезде корпуса и при вращении вала остается неподвижным, лишь скользя по нему.

Мягкая набивка уплотняется нажимной втулкой с помощью болтов 5. Нажимная втулка центрируется по внутреннему диа­метру корпуса уплотнения. Для уменьшения сил трения и предотвращения задиров и царапин на поверхности уплотнения втулку изготовляют обычно из бронзы, а для удобства ремонт­ных работ ее иногда делают разрезной. Чтобы предотвратить выдавливание набивки, с противоположной втулке стороны устанавливают грундбуксу 1, диаметр расточки которой боль­ший, чем диаметр вала.

В большинстве конструкций сальниковых уплотнений на­жимные втулки и грундбуксы изготовляют с наклонной к оси вала плоскостью контакта, что позволяет увеличить радиальное давление уплотнительного элемента на вал. Однако чрез мерное увеличение угла наклона приводит к возникновению больших напряжений около нажимной втулки, в результате чего увеличивается износ ближайших к втулке колец.

Основной элемент сальникового уплотнения — эластичная набивка, изготовляемая из волокнистых, пластических и прорезиненных материалов, а также из свинцовой, оловянной и алю­миниевой стружки и тонких проволок цветных металлов. Мате­риал набивки должен обладать достаточной механической прочностью и упругостью, высокой износостойкостью, непрони­цаемостью и хорошими антифрикционными свойствами.

Согласно ГОСТ 5152—84 различают набивки трех типов: плетеные, скатанные и кольцевые.

Для набивки используются хлоп­чатобумажные, пеньковые, асбестовые, тальковые и синтетиче­ские нити. 

Манжетные уплотнения

Манжетные уплотнения. Манжета — это уплотнительное кольцо сложного сечения, укрепленное на валу. Кольцо выполнено из эластичного материала и имеет выступающие рабочие элементы (кромки).

Манжеты являются одним из наиболее распространенных типов контактных уплотнительных устройств. Как правило, манжетное уп­лотнение работает по радиальной схеме уплотнения.

Манжетное уплотнение (рис. 2) состоит из полки 5, фланца 8, ножки 4 и рабочей кромки 2, образуемой передней и задней кромками.

Для придания необходимой упругости ман­жеты полка и фланец армируются металлическим каркасом 6 и устанавливаются в гнезде корпуса 7. Плотность контакта с валом достигается при помощи спиральной пружины 3. Диаметр рабочей кромки в свободном состоянии выполняется несколько меньшим, чем диаметр вала, и в рабочем состоянии она скользит по поверхности вала.

Основное назначение манжетного уплотнения состоит в удержании смазочного материала в полости опоры и предо­хранении ее от загрязнения.

В соответствии с ГОСТ 8752—79 манжеты изготовляют из резины четырех групп. Манжеты, применяемые в среде нефти и нефтепродуктов, должны изготовляться из резины 4-й группы.

Для изготовления, манжеты используются и пластмассы, на­пример фторопласт, техническая кожа и некоторые другие материалы (например очень перспективен - полиуретан).

Основной недостаток манжетного уплотнения — малая дол­говечность, ограничение температурного режима работы и незначительный перепад давления, допускаемый манжетой.

Торцовые уплотнения

Торцовое уплотнение  -  представляет собой герметизирующее устройство вращающегося вала, в кото­ром уплотняющие поверхности расположены перпендикулярно к оси вращения, а усилия, которые удерживают эти поверхности в контакте, направлены параллельно оси вала. Торцовые уплот­нения нашли широкое применение в центробежных насосах благодаря высокой эффективности уплотнения и возможности работы при высоких давлениях уплотняемой жидкости.

В торцовом уплотнении (рис. 3) пара трения образована двумя уплотнительными кольцами (втулками): опорным 4, ко­торое жестко зафиксировано на валу 1 шпонкой (или в кор­пусе), и плавающим (упорным) 3, которое может перемещаться вдоль оси вала. Упорное кольцо поджимается к опорному при помощи пружины 2.

Во время работы насоса давление жидкости со стороны насоса обеспечивает необходимое усилие для прижатия торцовых поверхностей плавающего кольца к торцу опорному, отсюда и название — торцовое уплотнение. На кольцевой плоской поверхности образуется плотный контакт, препятствующий проникновению перекачивающей жидкости из полости насоса. Пружина осуществляет контакт между трущимися парами в случае снижения давления жидкости при остановке насоса, а также компенсирует износ этих поверхностей во время эксплуатации в осевом направлении. Таким образом, уплотнительные поверхности трущихся пар в определенных пределах могут самоустанавливаться.

Как вы думаете из каких материалов могут быть изготовлены уплотнительные материалы?

В качестве материала контактных колец применяют керамику, металлокерамику, карбид вольфрама, карбид титана и т. п. В нефтяных насосах для вращающегося кольца применяют углеродистые хромистые и хромоникелевые стали или стали с наплавкой из сормайта. Неподвижное кольцо изготовляют из бронзы и графита.

Применение торцовых уплотнений связано с их эффективностью как герметизирующего элемента и долговечностью работы. Они просты в обслуживании, которое ограничивается периодическим наблюдением, и расходуют незначительную энергию на трение.

К недостаткам торцовых уплотнений относятся сложно конструкции, сравнительно высокая стоимость и необходимо частичной разборки насоса при замене торцового уплотнения.

Щелевые уплотнения

Щелевое уплотнение  — наиболее распространенный вид бес­тактного уплотнения в центробежных насосах. Это уплотнение располагается во входной части насоса между его корпусом и колесом и служит для уменьшения перетока жидкости между областями высокого и низкого давлений. Само название щелевое -говорит о том, что между твердыми уплотняющими элементами находится пространство (щель), благодаря которому нет непосредственного контакта между элементами и, следова­тельно, нет трения уплотняющих поверхностей.

Лабиринтные уплотнения

Лабиринтное уплотнение  — бесконтактное устройство между двумя или несколькими деталями, находящимися в движении одна относительно другой. Это уплотнение — более сложная разновидность щелевого уплотнения и состоит из ряда чередующихся узких щелей и расширительных камер. Лабиринтное уплотнение наиболее часто применяется для уплотнения внутренних полостей насоса, находящихся под разным давлением и для уплотнения пространства между вращающимся валом и неподвижным корпусом.

Динамические уплотнения

Динамическое уплотнение  — бесконтактное уплотнение двух сопрягающихся поверхностей, находящихся во взаимном вращении одна относительно другой. Эффективность динамических уплотнения увеличивается с увеличением частоты вращения уплотняемых элементов. К ним относят: винтоканавочное уплотнение, маслоотражатели - маслоотбрасывающие кольца, втулки, маслосгонные резьбы, обеспечивающие центробежный сброс масла посредственно в полость опоры.