Сальник
В результате исследовательских работ, проведенных организациями и предприятиями как нефтехимической, так и машиностроительной промышленности, выявлены основные причины, вызывающие отказы уплотнений, и выработаны общие рекомендации по увеличению их надежности. Однако внедрение этих рекомендаций в каждом конкретном случае требует дополнительной экспериментальной проверки и уточнении, что объясняется многообразием эксплуатационных условий, в которых работают сальники.
Работа по повышению надежности сальниковых уплотнений автомобилей КрАЗ ведется по тем направлениям, которые приняты в настоящее время на многих машиностроительных, в частности автомобильных, заводах, и в определенной степени описание этой работы отражает опыт не только Кременчугского, но и других автомобильных заводов.
Можно выделить две основные категории отказов сальниковых уплотнений. К первой из них относятся постепенные, "износные" отказы, ко второй - "неизносные" отказы.
Отказы первой категории являются следствием затвердевания рабочей кромки сальника, набухания резины, износа рабочей кромки сальника и рабочего пояска вала, разрушения кромки, уменьшения натяга. Критерием отказа для всех этих случаев служит нарушение герметичности уплотнения и течь смазки.
Для отказов второй категории характерно то, что течь смазки через уплотнение вызывается неточностью размеров, перекосами или повреждениями сальника при сборке, механическими повреждениями сальника при эксплуатации, "шнековым эффектом" микроканавок на валу и т. п.
Анализируя причины возникновения постепенных отказов, необходимо подчеркнуть, что эти причины, как и виды отказов, в значительной степени взаимосвязаны между собой. Затвердевание рабочей кромки сальника в известной мере предопределяет ее повышенный износ, возникновение трещин и потерю натяга. Вместе с тем значительное влияние на износ и потерю натяга сальника оказывают другие факторы и в определенных условиях эти факторы могут приобретать решающее значение.
Затвердевание рабочей кромки сальника представляет собой процесс, который, с одной стороны определяется температурным режимом работы сальника, а с другой - физико-механическими свойствами самой резины.
К факторам, непосредственно влияющим на температурный режим работы сальника, относятся температура агрегата, в котором он установлен, и потери на трение или момент трения в уплотнении.
Момент трения в уплотнении зависит от натяга сальника, конструкции сальника и всего уплотнительного узла, материала сальника и уплотняемого вала, точности изготовления и чистоты поверхности вала, количества и качества смазки, окружной скорости вала, попадания абразивных частиц в зону трения.
Из перечисленных факторов наибольшее влияние на момент трения оказывает натяг сальника, т. е. разница между диаметром вала и диаметром рабочей кромки сальника до его установки на вал. При уменьшении натяга снижается момент трения, температура нагрева кромки сальника и вероятность ее затвердевания. По условиям температурного режима желательно было бы иметь натяг наименьшим, однако принято считать, что для обеспечения в течение длительного времени способности сальника компенсировать износы рабочей кромки и пояска вала натяг сальника должен быть достаточно большим. Раньше максимальный натяг сальников для агрегатов трансмиссии автомобиля выбирался равным 2,5-3 мм. Сложность уменьшения натяга сальника состоит в том, что если исходить из реально имевшихся ранее в эксплуатации износов сальников и сопряженных с ним деталей, то для гарантированной компенсации этих износов требуется натяг, равный, по крайней мере, 2,5 мм. Степень же уменьшения износа при уменьшении натяга наперед неизвестна и может быть выяснена только на основе большого экспериментального материала.
При исследовании и последующем внедрении в производство сальников с уменьшенным радиальным натягом исходили из того, что со снижением натяга падает износ, при этом степень уменьшения износа может быть увеличена путем дополнительной пыле- и грязезащиты. Эффективность различных вариантов грязезащиты сальниковых уплотнений проверялась на стенде для испытания карданных валов. Уплотнения устанавливали в промежуточные опоры карданных валов, помещенные в грязевую ванну. Состав ванны: 40% чернозема, 10% песка и 50% воды. Режим работы стенда: частота вращения вала 850 об/мин; крутящий момент 30 кгс-м. Эффективность уплотнений оценивалась по появлению грязи в масле промежуточных опор. Для контроля за работоспособностью уплотнений через каждые 3 ч бралась проба масла из промежуточных опор. Результаты испытаний показали, что по принятому критерию ресурс уплотнения, при стендовых испытаниях более чем с 20 раз превосходит ресурс уплотнения, поэтому в производство было внедрено первое уплотнение.
Момент трения в сальниковом уплотнении зависит также от чистоты поверхности вала, при увеличении которой уменьшается момент трения. Особенно эффективным обычно оказывается применение обработки уплотняемого вала методом поверхностной пластической деформации, так как в этом случае не только повышается чистота поверхности, но и образуется упрочненный поверхностный слой, имеющий повышенную износостойкость.
Внедрение обкатки шеек фланцев карданных валов вместо шлифования позволило создать накатанный слой глубиной 0,8 мм с твердостью 244 и повысить чистоту поверхности с 8-го до 9-го класса.
Испытания уплотнений с накатанными и шлифованными шейками фланцев проводились без нагрузки на стенде, представляющем собой установленную на станине серийную раздаточную коробку автомобилей КрАЗ, приводимую в движение от электродвигателя через коробку передач. У каждого фланца на раздаточной коробке имелась ванночка для сбора протекающего через уплотнения масла.
Собравшееся в ванночках масло взвешивалось. Температура масла в раздаточной коробке поддерживалась не более 110° С. Для определения влияния "шнекового эффекта" на утечки масла после цикла испытаний (в течение 100 мин) направление вращения менялось на обратное. Частота вращения валов равнялась 2100 об/мин. Уплотнения представляли собой сальники однокромочного типа. Чтобы искусственно ускорить появление течей, защитные войлочные кольца удалялись.
В результате испытаний установлено, что через уплотнения с накатанными фланцами меньше утечки масла и вместе с тем эти уплотнения менее подвержены действию "шнекового эффекта", который для шлифованных валов особенно заметен в приработочный период.
Надежность сальниковых уплотнений зависит также от стабильности упругих свойств пружин сальников. Длительное время в сальниках автомобилей КрАЗ применялись пружины без термообработки. При дорожных и стендовых испытаниях было отмечено, что пружины в процессе работы сальников получают остаточные деформации, в результате чего натяг сальника уменьшается и при достижении определенного износа последний не компенсируется за счет натяга. Для устранения этого недостатка был применен холодный отпуск пружин после навивки.
Повышение надежности сальников КрАЗ
Надежность сальников может быть повышена еще путем применения резины новых сортов, обладающей улучшенными физико-механическими свойствами, в первую очередь меньшим коэффициентом трения и большей износостойкостью. К таким сортам относится разработанная резинотехнической промышленностью резина ИРП-1314 на фтор каучуковой основе. Физико-механические свойства ее значительно превосходят свойства резины 4004: сопротивление разрыву составляет 200 кгс/см2 вместо 100 кгс/см2, а температура хрупкости равна -45° С вместо -15° С.
Ресурс сальников из резины ИРП-1314 в условиях стендовых испытаний обычно в 4 раза и более превышает ресурс сальников из резины 4004 или 3825. При этом за ресурс сальника условно принимается" время его работы до возникновения течи, которая больше определенной величины, например 2 г/ч. Результаты испытаний зависят от режимов работы стенда, неточности размеров и взаимного положения сальника и вала, причем эта неточность часто преднамеренно предусматривается в конструкции стенда с тем, чтобы ускорить испытания, и, наконец, от возможности загрязнения рабочих поверхностей сальника и вала.
Защита для сальников КрАЗ
Применение защитных устройств для сальников из резины ИРП-1314 наряду с другими мероприятиями позволяет повысить долговечность уплотнений в 3 раза.
Хорошие результаты получены от внедрения сальников системы подкачки шин автомобиля КрАЗ-255Б из резины марки 6117 вместо резины 4004. Условия работы этих сальников значительно отличаются от условий работы других сальников, что следует учитывать при выборе материала для них. Эти сальники расположены в полости, где нет трансмиссионного масла и они хорошо защищены от пыли и грязи. При подборе сальников системы подкачки шин испытания проводились на стенде, представляющем собой серийный ведущий мост автомобилей КрАЗ с установленными в нем сальниками. Движение к мосту передается от электродвигателя через коробку передач. В полость между сальниками подведен воздух от пневмобаллона, а для контроля за падением давления из-за утечек через сальники служит манометр. Начальное рабочее давление воздуха в баллоне равно 3,5 кгс/см2, а конечное давление, при котором сальники считаются вышедшими из строя, составляет 2,5 кгс/см2; частота вращения колеса 200 об/мин.
В качестве оценочных параметров долговечности сальников, кроме наработки до падения давления воздуха, принимались износ рабочей кромки сальника и втулки, эластичность рабочей кромки и морозостойкость резины. О морозостойкости судили по потере рабочей кромкой эластичности после выдержки сальников в холодильной камере при температуре - 50 С в течение 2-4 ч. Было установлено, что в этих условиях сальники из резины 6117 сохраняли эластичность, в то время как сальники из резины 4004 полностью ее теряли.
Наработка до установленного падения давления воздуха сальников из резины 6117 в 1,5 раза больше, чем сальников из резины 4004, а износ кромок у первых в 1,12 раза меньше, чем у вторых. Результаты исследования автомобилей с сальниками подкачки шин из резины 6117 подтверждают лучшую их работоспособность и большую надежность по сравнению с сальниками из резины 4004.