ghid pentru proiectarea etanŞĂrilor cu presgarniturĂim.ugal.ro/om/biblioteca/etansari cu contact...

CONSTANTIN T. FĂLTICEANUSORIN CIORTAN CONSTANTIN-LUCIAN FĂLTICEANU

MITICĂ MANEA IULIAN MIRCEA

ETANŞĂRI CU CONTACT MOBILGHID PENTRU PROIECTAREA ETANŞĂRILOR CU

PRESGARNITURĂ

Editura EvrikaGALAŢI

2001

UNIVERSITATEA “DUNĂREA DE JOS” GALAŢIGRANT C.N.S.I.S. Nr. 34976/2001

TEMA:METODE MODERNE DE STUDIU A ETANŞĂRILOR

CU GRANITURI MOI

Referenţi ştiinţifici:Prof.univ.dr.ing. Viorica Iuliana ConstantinProf.univ.dr.ing Mihai Jâşcanu

Editura EvrikaI.S.B.N.

Tipografia Zigoto

CUPRINS

Prefaţă 4Cap.1 Noţiuni generale 5

1.1. Etanşare, generalităţi, clasificarea etanşărilor 51.2. Materiale pentru etanşări 8

Cap.2 Mecanica etanşărilor cu contact mobil 132.1. Procesul de etanşare 132.2. Problematica etanşărilor cu contact mobil 142.3. Etanşări cu presgarnitură 15

2.3.1. Generalităţi 152.3.2. Mecanica etanşării cu presgarnitură 16

2.3.2.1. Interstiţii, forţe specifice 162.3.2.2. Aspecte reologice ale etanşării 182.3.2.3. Comportarea mecanică a materialului etanşării 21

2.3.3. Factori de influenţă asupra etanşării 242.3.4. Concluzii 29

2.4. Etanşarea cu manşetă de rotaţie 302.4.1. Generalităţi 302.4.2. Fenomene interstiţiale 32

2.4.2.1. Scurgeri prin interstiţiu 332.4.2.2. Influenţa microgeometriei asupra scurgerii prin

etanşarea cu manşetă 35

2.4.3. Viteza periferică şi temperatura de contact 382.4.4. Presiunea de contact 392.4.5. Durabilitatea elementelor de etanşare 432.4.6. Concluzii 45

2.5. Etanşări cu inel alunecător 462.5.1. Generalităţi 462.5.2 Mecanica etanşării 472.5.3. Clasificarea etanşărilor cu inel alunecător 522.5.4. Parametrii funcţionali ai etanşării cu inel alunecător 552.5.5. Durabilitatea şi uzura elementelor etanşării 57

Cap.3 Analiza funcţională şi calculul etanşărilor cu presgarnitură 633.1. Metode folosite pentru analiza etanşărilor cu

presgarnitură 63

3.2. Sinteza metodelor de analiză funcţională a etanşărilorcu presgarnitură 66

Cuprins

2

3.3. Forme şi dimensiuni constructive ale etanşărilor cupresgarnitură 82

3.4. Materiale utilizate pentru confecţionarea garniturilor şicaracteristicile acestora

87

3.5. Aspecte ale modelării materialelor garniturilor deetanşare 93

3.6. Metodă de studiu a etanşărilor cu presgarnitură bazatăpe utilizarea programelor tip “analiză cu element finit” 101

3.6.1. Model teoretic al comportării materialului garniturii 1013.6.2. Ipoteze iniţiale utilizate 1043.6.3. Modele mecanice de analiză a funcţionării etanşării 1063.6.4. Modelul termic de analiză funcţională a etanşării 1103.6.5. Rezultate obţinute prin aplicarea metodei 1133.6.6. Concluzii privind precizia şi aplicabilitatea metodei 122

Bibliografie 124

PREFAŢĂ

Lucrarea se constituie într-un material analitic şi sintetic privindaspectele generale, metode şi algoritmi de calcul pentru etanşările cu contactmobil, accentuându-se asupra etanşărilor cu presgarnitură cu garnituri moi.

Elaborarea şi publicarea lucrării a fost posibilă graţie finanţăriiC.N.C.S.I.S. prin Grant Nr. 34976/2001 care a permis documentarea,efectuarea unor experimente, rularea unor programe software, având caobiectiv principal modernizarea metodologiilor de calcul al etanşărilorluate în studiu.

Prin conţinut şi formă de prezentare lucrarea este o bază dedate documentată, adresându-se cu precădere proiectanţilor de utilaje,dar tot atât de bine oricărui inginer sau student în inginerie care doreştesau are nevoie să se documenteze în domeniul interdisciplinar altribologiei şi eficacităţii etanşărilor cu contact mobil.

Întreaga echipă de lucru a proiectului şi-a adus aportul pemăsura posibilităţilor fiecăruia la dezvoltarea activităţilor proiectuluicât şi la valorificarea rezultatelor acestuia prin elaborarea de lucrăriştiinţifice care s-au prezentat la două sesiuni în străinătate, la Chişinăuşi Belgrad şi prin elaborarea prezentei lucrări.

Împreună cu alte viitoare lucrări ale colectivului de autorilucrarea de faţă v-a constitui un preţios material documentar îndomeniu.

Autorii

CAPITOLUL 1

NOŢIUNI GENERALE

1.1 Etanşări, generalităţi, clasificări.

Etanşările reprezintă ansamblurile de organe de maşini având dreptscop esenţial închiderea cât mai ermetică a unui spaţiu conţinând un mediusub presiune, separarea a două sau mai multe spaţii cu medii aflate subpresiuni diferite, respectiv protecţia etanşă a unor spaţii conţinândlubrifianţi, împotriva pierderii acestora sau împotriva pătrunderii unorcorpuri străine.

Termenul de etanşare reprezintă şi denumirea procedeului prin carese împiedică trecerea de diferite medii sau particule prin interstiţiile dintrepiesele care separă medii învecinate, cuprinzând substanţe diferite, cupresiuni diferite.

Din cele expuse rezultă scopul etanşărilor dar există o paletă foartelargă de metode de realizare a acestuia. In funcţie de configuraţia locului deaplicare, de natura mediilor de separat, de presiunile implicate, de mişcărilerelative ale pieselor, se evidenţiază principii diferite de funcţionare aetanşărilor, de aici rezultând şi tipuri diferite. Din acest motiv este oportunăo prezentare a cerinţelor fundamentale impuse etanşărilor:

- Etanşeitate - proprietate necesară din mai multe motive: pentrumenţinerea unei anumite presiuni, respectiv evitarea pierderilor de mediuetanşat; pentru împiedicarea amestecului de medii diferite; pentru limitareauzurilor mari ca urmare a pătrunderii impurităţilor în mediul protejat. Lipsade etanşeitate are ca efect o pierdere de fluid, care poate fi o scurgere sau untransport. Scurgerea este reprezentată de o pierdere de fluid printreelementele componente ale etanşării, chiar şi în stare de repaus. Transportulde fluid este constituit de un film format pe piesa în mişcare.

- Fiabilitate - proprietate prin care se asigură funcţionarea în modcorect, un timp dat şi în condiţii de utilizare precise. Defectarea unei etanşăritrebuie considerată diferenţiat, după cum poate avea loc o distrugerecompletă a etanşării sau doar apariţia unor neetanşeităţi. Siguranţa înexploatare a unei etanşări trebuie analizată adesea în contextul fiabilităţiisistemului din care face parte.

Capitolul 1 Noţiuni generale

6

- Durabilitate - proprietate ce poate fi considerată din două punctede vedere, în raport cu solicitările de la mediul etanşat sau din condiţiile deexploatare (rezistenţă chimică, rezistenţă la uzare şi stabilitate la temperaturiridicate) şi în raport cu capacitatea etanşării de a suporta demontări repetate,deformările suferite de garnitură trebuind să fie menţinute în domeniulelastic.

- Posibilitate de acces - pentru montare şi demontare (etanşările fiinddemontabile, nedemontabile sau limitat demontabile), proprietate absolutnecesară în anumite cazuri.

- Necesitatea unei întreţineri cât mai reduse - şi a unui cost total deexploatare cât mai redus. Economicitatea unei etanşări nu trebuie apreciatădupă costul de achiziţie ci după suma totală a cheltuielilor pentru toatădurata sa de serviciu

- Rezistenţa mecanică - faţă de eforturile care apar în elementeleetanşării la montaj şi în exploatare.

- Pierderi minime de putere - în etanşare care pot surveni datorităpierderilor de fluid prin etanşare sau datorită frecării ce apare întreelementele etanşării aflate în mişcare relativă.

- Compatibilitate - cu mediul etanşat, proprietate prin care seimpune ca materialele din care sunt executate elementele etanşării să nu fieatacate de acest mediu sau ca aceste materiale să nu aibă asupra mediuluiefecte de contaminare prin desprinderi de particule, care să ducă lamodificarea compoziţiei, culorii, mirosului, gustului şi proprietăţilor deungere.

- Conductibilitate termică - corespunzătoare soluţiei constructivealeasă pentru etanşarea respectivă.

- Rezistenţa şi nepermeabilitatea la gaze - pentru etanşările folositein medii gazoase.

Funcţie de modul de realizare există o mare diversitate de sisteme deetanşare, ordonate în clasificări făcute după diferite criterii. Cele maiimportante criterii de clasificare a etanşărilor sunt:

- contactul dintre suprafaţa pieselor şi a garniturii care realizeazăefectiv etanşarea.

- existenţa mişcării relative între suprafeţele pieselor care realizeazăetanşarea.

- tipul de mişcare relativă din etanşare.- materialul din care este executat elementul principal al etanşării

(garnitura).- modul de obţinere a forţei de apăsare necesară etanşării.- forma suprafeţelor pieselor active din etanşare.- poziţia suprafeţelor pieselor active din etanşare.Este de reţinut faptul că principiile de clasificare enumerate mai sus

nu sunt deloc limitative, neputând fi făcută o delimitare categorică între

Etanşări cu contact mobil

7

diferitele grupe de etanşări. Astfel, nu poate fi stabilită precis o graniţă întreetanşările la care acţiunea de etanşare are loc sub efectul forţelor exterioaresau interioare, acestea putând apare simultan. în tabelul 1.1 este prezentată ovariantă de clasificare generală a etanşărilor.

CLASIFICAREA GENERALĂ A ETANŞĂRILORTabelul 1.1

cucontact

fixe

mobile

cu contact direct

cu contact pringarnitură

cu contact directpentru:

cu contact pringarnitură

planeconicesferice

planeprofilatecu inel “O”

mişcare de rotaţie planămişcare de rotaţie conicămişcare de rotaţie cilindricămişcare de translaţie planămişcare de translaţie cilindrică

cu presare prin -cu presetupă cuforţe exterioare materiale moi

-cu presetupă cu metalmoale

-cu cutie cu elementerigide

-cu cutie cu manşeta-cu inel de pâslă

cu presare prin -cu manşetaforţe interioare -cu inel “O”

-cu inel profilat-cu inel alunecător-cu segmenţi

cu burdufcu membrană

fărăcontact

culabirint

pentru mişcarea derotaţie

pentru mişcarea detranslaţie

frontalradialcu disc aruncătorcu canal elicoidal

cu degajări


8

1.2 Materiale folosite în construcţia etanşărilor

Sistemele de etanşare, indiferent de soluţia constructivă, conţin celpuţin un element activ - garnitura. Materialele pentru garniturile de etanşaretrebuie să prezinte multiple proprietăţi pentru a face faţă condiţiilor de lucruale etanşării. Nu de puţine ori proprietăţile cerute sunt contradictorii, ceea ceface ca alegerea materialului optim să fie o problemă dificilă.

Proprietăţile materialelor pentru garniturile de etanşare se definescprin caracteristici generale de rezistenţă mecanică, caracteristici mecanicespecifice şi o serie de caracteristici speciale legate de îmbătrânire, contracţiaşi umflarea în contact cu diferite medii, etc.

Principalele proprietăţi luate în considerare la alegerea materialelorpentru garniturile de etanşare sunt:

A. Caracteristici de rezistenţă

- rezistenţa la tracţiune - este necesară numai în cazurifoarte rare, întrucât soluţiile constructive folosite evită solicitarea garnituriila tracţiune.

- rezistenţă la compresiune - joacă un rol secundar, fiindnecesară numai în cazul etanşărilor statice în condiţii statice.

- rezistenţă la deformare - determină capacitateamaterialului garniturii de a se adapta la formele suprafeţelor de etanşare.

- rezistenţa la oboseală - constituie o calitate importantă,mai ales în cazul instalaţiilor unde apar vibraţii.

- limita de curgere - curgerea poate avea loc la montajsau în timpul funcţionării şi deci vor trebui considerate ambele limite: limitade curgere la compresiune şi limita de curgere în timp.

- module de elasticitate - se iau în considerare atât latemperatura de montaj cât şi la temperatura de lucru.

- duritatea - este în directă legătură cu modulele deelasticitate.

- rezistenţa la uzură - este o proprietate foarte importantăla garniturile de contact în mişcare. În funcţie de această calitate se apreciazădurabilitatea garniturii.


9

B. Caracteristici tribologice

Pentru garniturile de contact este de o mare importanţă ceoficientulde frecare şi mai ales comportarea lui la diferite temperaturi, viteze şicondiţii de ungere.

C. Stabilitatea chimică

Una din cauzele diversităţii materialelor pentru garnituri este tocmaistabilitatea chimică adică imunitatea structurală a garniturii faţă de mediulrespectiv. Astăzi există pentru fiecare mediu tehnologic câte un materialadecvat.

D. Impermeabilitate

Poate fi dată de însăşi structura materialului sau se poate obţine prinmăsuri de impermeabilizare ulterioare.

E. Dilataţia termică

Coeficientul de dilatare termică al materialului are o importanţădeosebită prin faptul că la garniturile cu contact se modifică ajustajul demontaj, iar la cele fără contact se modifică interstiţiul.

F. Stabilitatea termică

Pentru fiecare material exista un domeniu de temperaturi în careacesta îşi păstrează nemodificate proprietăţile de bază.

G. Prelucrabilitatea

Această proprietate este importantă datorită calităţii impusesuprafeţelor garniturilor.

Materialele folosite pentru construcţia garniturilor de etanşare suntfoarte diferite, atât din punct de vedere al proprietăţilor cât şi din punct devedere al compoziţiei chimice, începând cu hârtia şi terminând cumaterialele plastice de ultimă generaţie. Din această largă gamă se remarcăo serie de materiale mai des utilizate:


10

Hârtie şi carton

Se folosesc destul de des la garnituri statice atât la presiuni mici cât şila presiuni mari. Hârtia simplă se foloseşte mai rar. Pentru îmbunătăţireaproprietăţilor sale se impregnează cu gelatină, ulei, răşini sau latex dincauciuc. Impregnarea cu ulei îmbunătăţeşte mult proprietăţile.

Piele

Proprietăţile şi performanţele pielii diferă după modul de tăbăcire.Pielea tăbăcită cu tananţi vegetali are proprietăţi superioare faţă de ceatratată cu agenţi chimici. Rezistă la uleiuri minerale, benzina, lichide cuconţinut de acid carbonic şi sulf. Se foloseşte atât la garnituri în mişcare, câtşi la cele statice. Datorită faptului că pielea simplă este poroasă, se utilizeazăimpregnarea cu ceară, materie plastică lichidă sau răşini, ceea ce duce lalărgirea domeniilor de folosire.

Fibre vegetale

Se folosesc cânepa, iuta, bumbacul, inul, fibrele de urzici. Suntutilizate mai ales la executarea garniturilor moi. Principalele calităţi suntflexibilitatea şi rezistenţa ridicată la tracţiune. Se folosesc impregnate cusubstanţe de etanşare. O mare răspândire o au garniturile din pâslă-confecţionată din fibre vegetale neţesute şi neîmpletite.

Pluta

Este formată din celule mici umplute cu aer şi legate între ele printr-un liant natural. Greutatea specifică este între 228 şi 480 Kg/m3. Rezistenţala tracţiune este direct proporţională cu greutatea specifică, în timp cecompresibilitatea este invers proporţională cu aceasta. Are proprietatea de ase comprima fără a se lărgi lateral. Este impermeabilă faţă de lichide la joasăpresiune şi permeabilă pentru gaze. Rezistă până la temperaturi demaximum 70oC. Prezintă coeficient de frecare mare, conductivitate termicăredusă, afinitate la mucegaiuri, corodanţă pentru unele aliaje pe bază dealuminiu şi magneziu. Se foloseşte la suprafeţe de etanşare cu denivelărimari, având capacitatea de a le prelua.

Asbest

Este utilizat pe scară largă, dar în general numai în compoziţia unorgarnituri mixte, din cauza slabei capacităţi de etanşare (fiind mineral). Arerezistenţă mecanică scăzută. La temperaturi scăzute se foloseşte încombinaţie cu fibre textile iar la temperaturi ridicate în combinaţie cu fire decupru. Peste 500oC rezistenţa sa scade rapid, datorită eliminării apei decristalizare, iar la 750oC începe descompunerea. Asbestul apare sub două


11

aspecte: crizotilul (asbestul alb) şi crocidulitul (asbestul albastru). Lapresiuni mari se utilizează ţesături din asbest impregnate cu o dispersie deteflon, ce se livrează sub formă de plăci sau piese finite. De remarcat estefaptul că asbestul prezintă un grad ridicat de toxicitate pentru om şi înprezent nu se mai permite utilizarea acestuia la confecţionarea garniturilorde etanşare.

Cauciuc

Diferitele tipuri de cauciuc utilizate pentru garniturile de etanşare sediferenţiază după proprietăţile lor de bază, cele mai importante fiind:duritate, elasticitate, rezistenţa la rupere, rezistenţa la îmbătrânire,friabilitatea, comportarea la temperaturi extreme (joase sau înalte), rezistenţala uzură, permeabilitate la gaze şi abur.In scopuri de etanşare se utilizează,în principal, următoarele tipuri de cauciucuri:

- cauciuc natural - este folosit rar deoarece nu rezistă la temperaturiridicate.

- cauciuc sintetic - se folosesc multe tipuri, cele mai importante fiind:- BUNA S - are proprietăţi asemănătoare cu cauciucul

natural. Sensibilitatea faţă de hidrocarburi este redusă, îmbătrânirea latemperaturi ridicate este lentă, prezintă sensibilitate ridicată la hidrocarburi;

- BUNA N - are elasticitate scăzută, este rezistent lahidrocarburi, lumină şi la uzură. Domeniul de utilizare: între -25oC şi +90oC;

- NEOPREN - are sensibilitate scăzută la hidrocarburi,rezistenţă bună la substanţe refrigerente, rezistenţă scăzută la uzură;

- TIOPLAST - confecţionat prin policondensare, prezintărezistenţă bună faţă de hidrocarburi, rezistenţă faţă de ozon,impermeabilitate la gaze. Are stabilitate scăzută în prezenţa acizilor şibazelor;

- CAUCIUC SILICONIC - este singurul material elasticcare poate fi folosit în intervalele de temperatură de (-90oC; +250oC). Inacest domeniu modificările proprietăţilor sale sunt foarte reduse. Arerezistenţă mare faţă de intemperii, ozon, lumină, hidrocarburi, uzură. Poateabsorbi ulei fără efecte de umflare.

Mase plastice

Reprezintă o importantă clasă de materiale pentru garnituri deetanşare. Se folosesc cu precădere materialele termoplaste- nu se întăresc latemperaturi ridicate. Dintre caracteristicile mecanice sunt de remarcat:


12

rezistenţa la încovoiere relativ mică, modulul de elasticitate transversalredus, duritatea scăzută. Pentru garnituri dinamice, se recurge la o durificaresuperficială care conferă o rezistenţă la uzură mai mare. Printre cele maiutilizate materiale plastice se numără:

- POLIETILENA - este o masă plastică tenace, având caracteristicimecanice apropiate de cele ale plumbului. Işi păstrează flexibilitatea latemperaturi scăzute şi este foarte rezistentă la acizi şi baze. Se utilizează lagarnituri statice şi dinamice care nu au presiuni mari de contact.

- POLICLORURA DE VINIL- este foarte rezistentă la acizi, benzineşi uleiuri. Are conductivitate termică scăzută, rezistenţă mecanică bună,rezistenţă la uzură bună. Temperatura maximă de utilizare este de 60°C.

- POLIAMIDELE - se disting printr-o tenacitate şi o rezistenţăridicate. Poliamidele superioare (perlon, nylon) au proprietăţi tribologicefoarte bune, sunt rezistente la alcool şi hidrocarburi.

- TEFLONUL - sau politetrafluoretilena, prezintă o serie de avantajedeosebite: rezistenţa ridicată faţă de cloruri, esteri, acizi, alcalii; nu estehidrofob; se poate utiliza până la 260°C, fragilitate scăzută (apare sub -180°C), foarte bune proprietăţi tribologice, rezistenţă la şocuri electrice (sevolatilizează fără a se carboniza). Se remarcă şi nişte dezavantaje, care înunele situaţii pot deveni insurmontabile: are duritate ridicată, prezintădeformaţii remanente, peste 350°C se descompune emanând gaze toxice.Garniturile din teflon simplu se folosesc numai în cazuri speciale, la presiunifoarte mari.

METALE

Se folosesc în special metale cu proprietăţi tribologice. Printre celemai utilizate metale sunt:

- PLUMBUL - pentru garnituri plate şi în formă de manşon.- ALUMINIUL - este folosit mai ales la presiuni relativ mici. Se

oxidează, formând un strat protector, care este atacat numai de acizi şi bazeputernice.

- CUPRUL - se foloseşte la presiuni relativ mici. Nu se recomandăutilizarea lui în contact cu piese din oţel, existând pericolul apariţieifenomenului de electroliză.

- OŢELUL - se utilizează în special oţeluri aliate cu vanadiu, crom, şiwolfram, cu durităţi mari şi rezistente la uzură.

- ARGINT - are o rezistenţă la coroziune deosebită, ceea ce îl faceutilizabil în cazuri speciale.

- PLATINA - se foloseşte până la temperaturi de 1300°C, în medii încare nici un alt metal nu rezistă la coroziune.

CAPITOLUL 2

MECANICA ETANŞĂRILOR CUCONTACT MOBIL

2.1. Procesul de etanşare

Decizia privind alegerea unei etanşări corespunzătoare, problemăfoarte dificilă mai ales dacă condiţiile de funcţionare sunt mai puţinobişnuite, trebuie să se bazeze în cea mai mare măsură pe cunoaştereaamănunţită a tuturor factorilor care intervin. Această cunoaştere a aspectelorteoretice şi practice ale procesului etanşării este înlesnită de faptul că pentruoricare din cele trei grupe principale de etanşări cu contact, şi anumeetanşările la piese în repaus, etanşările la piese în mişcare de translaţie şietanşările la piese în rotaţie se pot stabili anumite principii de bază, legate înesenţă de închiderea unui interstiţiu. Aceste principii, care permit alegereatipului optim de etanşare, încearcă să explice procesul de închidere ainterstiţiului, pentru a menţine o anumită presiune într-un spaţiu determinat,respectiv să precizeze factorii care concură la realizarea acestui proces şicare influenţează pierderile prin scurgeri prin acest interstiţiu.

Procesul etanşării este influenţat, în afară de fenomenele dininterstiţiul etanşării, şi de tipul şi forma garniturii, materialul acesteia şi deproprietăţile mediului etanşat.

Până în prezent nu a fost elaborată o teorie generală a etanşării caresă explice toate aspectele legate de aceasta. Procesul etanşării prin. contactlegat de prezenţa unui interstiţiu ce trebuie închis poate fi însă bine

caracterizat prin gradientul presiuniidt

dP , mărime care determină alura

curbei căderii de presiune de-a lungul lungimii l a interstiţiului etanşării. Cucât gradientul este mai mare, cu atât curba variaţiei presiunii în interstiţiueste mai abruptă. Fiecare tip de etanşare are o curbă a căderii de presiunecaracteristică.

Existenţa unei căderi de presiune arată de fapt şi existenţa uneiscurgeri de fluid, chiar neînsemnată. O cădere mare de presiune, care este

Capitolul 2 Mecanica etanşărilor cu contact mobil

14

echivalentă cu un gradient mare al presiunii impune o presare mare aplicatălocal garniturii, pentru a închide trecerea fluidului.

Presarea de etanşare poate fi realizată în moduri diferite:— prin forţe exterioare, realizate prin şuruburi de strângere,

capace filetate, arcuri;— prin forţe interioare, provenite de la presiunea fluidului etanşat

(autoetanşare);— prin forţe exterioare şi interioare, acţionând simultan sau

succesiv.

2.2. Problematica etanşărilor cu contact mobil

Prin etanşări cu contact mobil se identifică acea clasă de etanşări lacare există contact direct între elementele etanşării, acestea fiind în mişcarerelativă unele faţă de altele.

Principala problemă a etanşărilor cu contact mobil constă înasigurarea etanşării pentru un timp de funcţionare cât mai îndelungat, cupierderi de energie prin frecare minime. Etanşeitatea presupune realizareaunui interstiţiu foarte îngust şi de lungime mare, ceea ce înseamnă presiunişi suprafeţe de contact mari între piesele ce formează interstiţiul. Aceastaduce la apariţia unor forţe de frecare mari şi deci la uzuri mari.

Astfel pusă problema este nerezolvabilă, dacă se doreşte îndeplinireatuturor condiţiilor impuse, acestea fiind contradictorii. In această situaţie serecurge la o soluţie de compromis, optimizând opoziţia etanşeitate-durabilitate prin acceptarea unei neetanşeităţi care va duce însă lamicşorarea frecărilor, îmbunătăţind funcţionarea tribosistemului.

Pentru rezolvarea acestor probleme de optimizare, care diferă pentrudiferite sisteme de etanşare, a fost necesară abordarea unor cercetări deprofunzime, în care experimentul are cea mai mare pondere. Literatura despecialitate este foarte săracă în prezentarea unor cercetări de ultimă orăprivind etanşările cu contact mobil. Acest aspect este abordat pe larg înlucrările elaborate de Prof.dr.ing. Fălticeanu C. de la Universitatea “Dunăreade Jos” din Galaţi.

Cele mai utilizate etanşări cu contact mobil, în special în industriaalimentară, sunt:

- Etanşări cu garnituri moi presate- Etanşări cu manşetă- Etanşări cu inel alunecător


15

2.3. Etanşări cu presgarnitură2.3.1. Generalităţi

Acest tip de etanşări face parte din grupa sistemelor de etanşaredinamice cu contact, presarea realizându-se axial. Garniturile suntdeformabile, închiderea interstiţiului având loc prin deformarea elastică sauelasto-plastică a garniturii, sub influenţa forţei de presare axiale exterioare.

În literatura de specialitate, acest sistem de etanşare este cunoscut subdenumirea de “etanşare cu presetupă“ sau “etanşare cu presgarnitură“. Dinpunct de vedere constructiv o etanşare cu presetupă se compune din maimulte elemente, prezentate în figura 2.1.

Păstrareaetanşeităţii în timpulfuncţionării estecondiţionată de

păstrareacaracteristicilor

fizico-mecanice alematerialului garniturii

(elasticitatea,rezistenţa la

coroziune).Garniturile sunt confecţionate în general din piele, in, cânepă, bumbac,asbest, cauciuc şi se prezintă sub formă de inele secţionate, executate peclase de dimensiuni, sau sub formă de şnur, cu secţiune pătrată şi, mai rarrotundă sau dreptunghiulară. Atât şnurul cât şi inelele se confecţionează prinrăsucirea sau împletirea firelor din materialul respectiv.

În funcţie de modul de împletire rezultă şi capacitatea de deformaretransversală a garniturii. Din figura 2.2 se observă că la împletirea pediagonală, la aceeaşi presare axială, se dezvoltă presiuni radiale mai mari.

Pentru reducerea frecărilor dintre arbore şi garnituri, acestea din urmăsunt impregnate cu diferite substanţe lubrifiante alese în funcţie deparametrii funcţionali ai etanşării şi de mediul etanşat. În general suntfolosite ca lubrifianţi materiale ca: ulei mineral, talc, parafină, grafit, teflon.

Fig. 2.1


16

Se utilizează şi garnituri mixte, confecţionate din material moale şimetal, ceea ce duce la creşterea substanţială a rezistenţei mecanice şi lascăderea uzurii. Dezavantajul acestor garnituri, faţă de cele moi, constă înelasticitatea şi capacitatea de deformare relativ reduse.

În tabelul 2.1 sunt prezentate presiunile maxime recomandate a fietanşate cu presetupe,având în vederecondiţiile defuncţionare impuse.

2.3.2. Mecanica etanşării2.3.2.1. Interstiţiu, forţe specifice

Pentru explicarea etanşarii perfecte a unui intersţiţiu se face apel laefectul forţelor moleculare.

Motivele pentru care la existenţa unei secţiuni neetanşe finite nuapare nici o curgere, sub influenţa unei diferenţe de presiune, nu suntcomplet elucidate propunându-se mai multe teorii.

Astfel, în pereţii interstiţiului de etanşare sunt adsorbite câtevastraturi de molecule. Forţele de adsorbţie depind de materialele din care suntexecutaţi aceşti pereţi, de mărimea, forma şi felul particulelor de fluid, fiindinvers proporţională cu dimensiunea interstiţiului. Din alt punct de vedere,între moleculele de fluid există forţe de coeziune intermoleculară careacţionează împotriva forţelor tangenţiale provocate de diferenţa de presiune.

La echilibru există egalitatea:

2 L = p h (2.1)

unde: L = lungimea interstiţiului; = tensiunea tangenţială; h = înălţimeainterstiţiului; p = diferenţa de presiune.

Fig. 2.2


17

În acelaşi timp intervine şi tensiunea superficială din a cărei cauză nuau loc scurgeri prin interstiţiu deşi există diferenţă de presiune. Intretensiunea superficială şi diferenţa de presiune există relaţia:

2 T cos = p h (2.2)

semnificaţia mărimilor rezultând din figura 2.3.Efectul tensiunilor superficiale este oarecum

minimalizat, evidenţiindu-se rolul microasperităţilorîn producerea efectului de oprire a scurgerii chiar încondiţiile diferenţei de presiune.

A treia componentă este constituită de efectulforţelor capilare ce pot atinge, în cazul unorinterstiţii foarte mici, valori foarte mari. Rezultantaacestor trei componente poate atinge valori maximela interstiţii minime, desprinzându-se concluzia căpentru asigurarea etanşării trebuie să se realizezeinterstiţii foarte mici. Acest lucru nu este

întotdeauna posibil de realizat fără a induce efecte nedorite cum ar fi, deexemplu, presarea iniţială foarte mare necesară compensării neregularităţilorsuperficiale.

Din această cauză, una din feţele interstiţiului este garnitura, moale,adaptabilă la forma suprafeţelor, cu capacitate ridicată de compensare aabaterilor micro şi macrogeometrice.

În literatura de specialitate, sunt prezentate diagrame de forma celeidin figura 2.4, unde se observă diferenţa de variaţie a forţei specifice depresare în funcţie de presiunea etanşată, cu o garnitura moale, în cazulmediilor lichide şi gazoase.

Fig. 2.3


18

În figura 2.5 se poate observa acelaşi lucru dar la o etanşare fărăgarnitură, interstiţiul fiind realizat prin prelucrarea şi presarea suprafeţelor încontact. Mediul etanşat este aer.

Prin comparaţie se observă că forţa de presare specifică în cazulgarniturii moi este de 13 ori mai mică decât la etanşarea fără garnitură.

Presiuni maxime recomandate pentru presetupe

Tabelul 2.1

Tipul presetupei

Presetupe pentru tijede armături şi

diferite aparate şimecanisme cu oviteză periferică

v


19

deosebită importanţă în buna funcţionare a etanşării deoarece după trecerea“timpului de relaxare” scade considerabil forţa aplicată pentru presareagarniturii.

În diagrama din figura 2.6 se vede modul de variaţie a tensiunilorîntr-un material cu comportament reologic.

Cunoaşterea timpului de relaxare este necesară pentru a stabilimomentul în care trebuiereadusă la valoareacorespunzătoare forţa deetanşare. In practică acest timpeste cunoscut sub denumirea de“timp de formare” a garniturii.

Un studiu teoretic alfenomenelor şi proceselor careapar în material, se poaterealiza, prin modelareamatematică a acestora utilizândcombinaţia serie a modelelorMaxwell - al deformaţiilor înalt

elastice şi Kelvin - al deformaţiilor elasto-plastice, conform figurii 2.7,acesta fiind de fapt modelul general Birgers.

Ecuaţia reologică de stare este obţinută prin combinarea ecuaţiilorreologice ale celor două modele, conform montajului menţionat mai sus.

1111 CE ;

/01 1 teE ;

(2.3)

/22teE ;

222 CE

Punând condiţia cadeformaţia totală să fie suma deformaţiilor şi tensiunea totală să fie aceeaşi,se obţine:

2

1

2

1

2

1

1

11111 1 E

C

C

C

E

E

C

ECE

(2.4)

Fig. 2.6

Fig. 2.7


20

Prin integrare se obţine funcţia de relaxare:

/

"1

1/1

1

"2

0)(

ttt e

CEe

CE

l

Er (2.5)

şi funcţia de fluaj:

2

/12

0)( 1 C

teIIf tt

(2.6)

unde I=1/E.Reprezentarea grafică a variaţiei deformaţiei în timp, la tensiune

constantă, este prezentată în figura 2.8, iar diagrama de relaxare a tensiunilorîn timp în figura 2.9.

Se observădeformaţia elastică ceapare instantaneu laapariţia forţei, urmată dedeformaţia elasticăîntârziată, care are formăde exponenţialăascendentă, stabilizatădupă un anumit timp idenumit timp deîntârziere. La descărcareordinea este aceeaşi, în

final modelul rămânând cu o deformaţie plastică, datorată componenteivâscoase. La deformaţie constantă,tensiunea scade tinzând asimptotic cătreo valoare stabilizată, după un timp r,numit timp de relaxare.

Rezultatele obţinuteexperimental, figura 2.10, prin testareaunor materiale pentru garnituri moi,rezultate confirmă calculul teoreticefectuat cu ajutorul relaţiilor (2.3-2.6).

Fig.2.8

Fig.2.9


21

În fig.2.11, seevidenţiază o relaţieliniară întrepresiunile axială şiradială şi o

dependenţăexponenţială, cutendinţa destabilizare, întrepresiunea axială şi

deformaţiatransversală t.

2.3.2.3. Comportarea mecanică a materialului pentru garnituri

În cazul garniturilor presate, forţa de etanşare este creată din exterior.In timpul funcţionării apar şi alte componente, generate de apariţia presiuniifluidului etanşat. Compunerea acestor forţe este prezentată pe larg înliteratură. În figura 2.11 se prezintă garnitura de etanşare în cele trei etape:a) înainte de montare, b) după montare (fără presiunea mediului etanşat), c)după montare (cu presiunea mediului etanşat) După montare se stabileşte opresiune iniţială po, datorată ajustajului presat, figura 2.11, cazul b). Înaceastă situaţie se asigură etanşarea, datorită elasticităţii garniturii, atât timpcât presiunea de etanşat pi nu depăşeşte valoarea po. Odată cu apariţiapresiunii interioare de exploatare, pi, se modifică repartiţia forţelor dinetanşare, pe feţele laterale apărând acum presiunea po+pi. Rezultă că oricâtde mare ar fi pi există o rezervă de forţă, datorită lui po, care asigurăetanşarea.

Fig. 2.10

Fig. 2.11


22

Există totuşi o situaţie limită, anume atunci când presiunea deexploatare împinge afară garnitura prin interstiţiu.

Acest mod de comportare este legat de anumite proprietăţi alematerialului garniturii cum ar fi, de exemplu, compresibilitatea, elasticitateaşi capacitatea de preluare a eforturilor

Pentru studiul comportării materialului, se porneşte de la analiza unuicub elementar din material elastic supus eforturilor de compresiune x, y şiz, ca în figura 2.12. Alungirile pe cele trei direcţii se pot calcule cu relaţiile:

zyxx EE

; zxyy EE

;

yxzz EE

(2.7)

unde E este modulul de elasticitate şi este coeficientul lui Poisson,pentru materialul garniturii.

Patru din feţele cubului suntîmpiedicate să se dilate (prinînchiderea spaţiului de etanşare),deci se poate scrie:

00 zxyx EE

;

00 xyzz EE

;

zy (2.8)

Prelucrând ecuaţiile de mai sus se obţine:

1xzy

(2.9)

Din ecuaţia de mai sus se observă că presarea laterală depinde deforţa axială (reprezentată de x) şi de coeficientul de dilatare transversală allui Poisson. Dacă un cub cu latura L, în stare descărcată, este încărcat cupresiunile elementare dx = dy = dz volumul său se micşorează princompresibilitate cu dV. Considerând volumul iniţial V = L3 se poate scrie:

Fig. 2.12


23

dV = 3L2dL = 3VdL/L de unde rezultă dV/V = 3dL/L (2.10)

Prin rezolvarea ecuaţiilor 2.7, în raport cu ipoteza x = y = z = dL/Lse obţine:

Pax = Pap e-k(µ1+µ2)x/b (2.11)

unde:Pax- forţa de presare în secţiunea X;Pap- forţa de presare;k - factor de conversie a forţei axiale în forţă radială (k = Pr/Pa);

k = 0 la corpuri perfect rigide;k = 1 la corpuri perfect elastice;

µ1, µ2- coeficienţii de frecare între garnituri şi arbore şi între garniturişi pereţii cutiei de etanşare.

În figura 2.13 se prezintă curbateoretică de variaţie a presiunii axialepe lungimea etanşării.

Această rezolvare teoretică aproblemei este valabilă în cazul încare E şi ar avea valori strictconstante. Practic, ele variază în timpdatorită condiţiilor de funcţionare,fiind influenţate de temperatură,calitatea mediului etanşat, etc.

Din determinărileexperimentale rezultă că valorileparametrilor k, µ1, µ2 variază cu

forţele de presareaplicate şi devinconstante numaidupă depăşirea uneianumite valoridenumită “presarecritică“ Odată cuaceasta, înmomentul apariţieipresiunii mediuluietanşat, se produceo modificare apresărilor aplicateîn sensul unei

Fig. 2.13

Fig. 2.14


24

descărcări a garniturii, prin scăderea valorilor Pao şi Pap, faţă de cazul iniţial,în figura 2.14 fiind prezentată această situaţie.

2.3.3. Factori de influenţă asupra etanşării

Presarea iniţialăUn alt aspect demn de remarcat este faptul că s-a dovedit

experimental că inelele pachetului de garnituri, supuse individual la opresare iniţială şi introduse apoi în locaş se comportă mult mai bine,realizând etanşarea la aceeaşi parametri, cu forţe de presare exterioare multmai mici. În figura 2.15 se evidenţiază acest lucru.

Se observă că, în cazul presării iniţiale, forţa axială scade de cca. 8-10 ori, lucru foarte avantajos deoarece scade frecarea, creşte durabilitatea şise micşorează pierderile de putere.

Mediul etanşatInfluenţează comportarea garniturii atât prin agenţii chimici conţinuţi

cât şi prin acţiunile mecanice induse. Mediile agresive duc la modificareacalităţilor materialului garniturii prin coroziune şi prin eroziune.

Calitatea suprafeţelor în contact cu garnituraRugozitatea suprafeţei arborelui influenţează, prin mărime şi prin

orientare, calitatea etanşării. S-a constatat experimental că rugozitateaarborelui trebuie să aibă o valoare optimă, valori mari generând frecări marideci temperaturi ridicate şi uzură, valori prea mici împiedecând formareapeliculei intermediare. Referitor la rugozităţi, în literatura de specialitatereferinţele sunt foarte sumare, autorii prezentând rezultatele

Fig. 2.15


25

experimentărilor proprii asupra influenţei rugozităţii în variaţia forţei defrecare, figura 2.16.

Fig. 2.17 Fig. 2.18

Fig. 2.16

FrecareaEste un fenomen nedorit şi inevitabil la toate etanşările mobile.Frecarea este influenţată de un număr mare de factori, lucru ilustrat în

printr-o serie de diagrame calitative, fig.2.17-2.20.


26

Fig. 2.19 Fig. 2.20

Există o serie de rezultate, obţinute în urma unor cercetăriexperimentale, efectuate în scopul stabilirii variaţiei forţelor de frecare înetanşările cu presetupe, rezultate ce au condus la stabilirea următoarei relaţiide calcul pentru coeficientul de frecare în presetupe:

dxmxePKd

EfKVX

ao1(2.12)

unde K şi K1 reprezintă coeficienţii de transformare a presiunilor axiale înpresiuni radiale, V este un factor ce depinde de material, de dimensiunileetanşării, de rugozitate şi de regimul de ungere, iar m este coeficientul deproporţionalitate între presiunea fluidului şi presiunea axială. Pe baza acesteirelaţii s-au stabilit valori teoretice pentru coeficientul de frecare, valoriverificate apoi în totalitate prin determinări experimentale.

Temperatura în zona de lucruPrin natura funcţionării lor, etanşările cu presetupă, sunt mari

consumatoare de energie. Cantitatea de energie consumată în timpulfuncţionării este transformată în căldură, prin frecările interne etanşării, ceeace duce la creşterea temperaturii în zona de lucru.

În acest context cunoaşterea temperaturii în zona de contact devine oproblemă foarte importantă, în ansamblul studiului acestor etanşări,temperatura devenind un indicator preţios atât al pierderilor prin frecare câtşi al funcţionării, în general, a etanşării.

Există metode experimentale pentru stabilirea influenţelor diverşilorfactori, implicaţi în funcţionarea etanşărilor cu presetupă, asupratemperaturii din zona de contact dintre arbore şi garnitură. În figura 2.21, sepoate observa dinamica temperaturii de contact, în câteva situaţiireprezentative pentru acest tip de etanşări.


27

Din diagramă rezultă o variaţie continuă ascendentă a temperaturiipână la o valoare stabilizată. Această valoare precum şi timpul scurs până lastabilizare, diferă funcţie de regimul de frecare, de sistemul de răcire şi deceilalţi parametri, existând o valoare precisă în toate cazurile.

Fig. 2.21

Debitul scurgerilorPierderile de fluid prin presetupă reprezintă un factor foarte

important caredetermină gradul deeficienţă pentru oetanşare în general. Inurma unorexperimentări făcutepe garnituri moi arezultat legăturadintre debit, presiuneaetanşată, vitezaperiferică şi produsul(PV), legăturăevidenţiată în figura2.22. Practic s-aobservat că după unanumit număr de ore

de funcţionare, care depinde de cuplul de materiale arbore-garnitură şi deregimul de frecare, debitul de scurgeri creşte considerabil. În urma unor

Fig. 2.22


28

cercetări experimentaleefectuate pe etanşări cupresetupă, s-a ajuns laconcluzia că, după un anumittimp de funcţionare,capacitatea de etanşare scadefoarte mult, existând unmoment de la care garnituranu mai poate fi folosită,numărul teoretic de strângeridevenind neeconomic,fig.2.23.

Cunoscând călegătura dintre presiuneaaxială pe lunetă şi presiunearadială de etanşare serealizează prin coeficientulde transformare K, rezultă că

scăderea capacităţii de etanşare în timp are loc datorită modificării valoriloracestui coeficient. În fig.2.24, se prezintă legătura dintre coeficientul K şidurata de serviciu a garniturii. Se observă că alura curbelor de variaţie,obţinute prin măsurători efective la garnituri aflate în diferite momente defuncţionare, este asemănătoare cu cea de la curbele capacităţii de etanşareCe.

Uzura garnituriiUzura garniturii de

etanşare la presetupe este unproces complex, având la bazămodificarea unor proprietăţifizico-mecanice ale materialuluişi îndepărtarea de particule de pesuprafeţele în contact. Acestproces influenţează în moddirect capacitatea de etanşare apresetupei, ducând, după uninterval oarecare de timp, lapierderea totală a etanşeităţii. Înliteratură se prezintă o serie dedeterminări experimentale, care

duc la concluzia că determinarea valorii uzurii la presetupe, figura 2.25, se

Fig. 2.23

Fig. 2.24


29

poate face utilizând fie coeficientul de transformare K, fie gradul dedeformaţie , acesta din urmă fiind direct proporţional cu K.

2.3.4. Concluzii

In urma celor arătate, se poate concluziona că etanşările cu presetupăocupă un loc important în clasa etanşărilor mobile cu contact, metodele decalcul funcţional şi constructiv fiind relativ bine puse la punct. La oraactuală etanşările cu presetupă au o arie largă de utilizare în toate ramurileindustriale. Acest fapt se datorează multiplelor avantaje oferite, precum:

- simplitate constructivă;- gamă largă de temperaturi de funcţionare: de la -30°C până la

+300°C, pentru temperaturi peste +150°C fiind nevoie de sisteme de răcire- gamă largă de presiuni etanşate: de la 0,65 bar până la 16 bar;

- turaţii la arbore depână la 250 rot/min.;

- diametre de arboreîntre 25mm şi 140mm;

Printre principaleledezavantaje prezente laetanşările cu presetupă se potaminti:

- pierderi mari deputere prin frecare;

- uzurasemnificativă a arborelui;

- perioade demenţinere a performanţelorîn funcţionare relativscăzute;

În industria alimentară se folosesc pe scară largă etanşări cupresetupă, etanşarea propriu-zisă putând lucra cu garnituri din materialediferite. Acest fapt are o importanţă deosebită deoarece în acest mod sepoate rezolva favorabil problema compatibilităţii etanşării cu mediul etanşat.Nu sunt excluse dificultăţile, mai ales în condiţii extreme de funcţionare(temperaturi ridicate, dimensiuni mari, presiuni etanşate ridicate), acesteaimpunând utilizarea lichidelor de răcire şi a materialelor de ungere.

Fig. 2.25


30

Deşi dimensiunile constructive ale principalelor sisteme de etanşarecu presetupă sunt reglementate de diverse normative, la noi în ţară fiind învigoare mai multe standarde cu acest obiect, în literatura de specialitatedatele necesare unei proiectări optimale sunt fragmentate, acestea fiind utiledoar în cazul materialelor tradiţionale, atunci când se prefigurează folosireaunui nou material cercetarea experimentală rămânând singura sursă dereferinţă valabilă.

2.4. Etanşări cu manşetă2.4.1 Generalităţi

În această clasă sunt cuprinse sistemele de etanşare care utilizeazăatât forţe elastice, generate prin deformarea iniţială a garniturii prin presareaacesteia pe suprafaţa de contact, cât şi forţe ce provin direct din mediuletanşat. Acest principiu de funcţionare este cunoscut sub denumirea de“autoetanşare”.

Procesul de etanşare în cazul garniturilor elastice de tip manşetă estefoarte complex, fiind influenţat de mulţi factori cu ponderi cantitative şicalitative diferite, cu multe aspecte încă neelucidate. Cercetările în domeniuarată că, materialele elastice folosite pentru garnituri fiind sensibile lafrecarea uscată, etanşarea nu poate avea loc decât în prezenţa unor scurgeriminime, al căror debit trebuie astfel reglat încât să se realizeze un optimîntre frecare, uzură, durabilitate, mentenabilitate şi fiabilitate.

Constructiv, elementul caracteristic al garniturilor tip manşetă estebuza de etanşare. In literatura de specialitate, această parte a garniturii esteidentificată prin termenul “LIP”. Diferitele tipuri de garnituri-manşetă

rezultă prinmodificarea

dispunerii buzelor deetanşare în raport cucorpul acestora şi cusuprafaţa cilindrică apiesei în mişcare.

În figura 2.26sunt prezentate celemai importantevariante constructiveale acestui tip deetanşare. In funcţie dematerialul utilizatpentru executaremanşetelor, formele

Fig. 2.26


31

acestora diferă. Materialele din care se execută garniturile tip manşetă suntmateriale elastice, în principal piele şi cauciuc.

Etanşările cu garnituri de piele (figura 2.26a,b,c) se deosebesc prinstructura matisată a garniturii şi prin tipul arcului folosit pentru compensareaautomată a uzurii elementelor în contact.

Etanşările cu garnituri din cauciuc (figura 2.26d,e,f) se caracterizeazăprin modul de amplasare al armăturii metalice care serveşte la rigidizareamanşetei. Armătura se poate amplasa pe partea exterioară (figura 2.26d,f),sau pe partea interioară (figura 2.26e).

Forma constructivă cel mai frecvent utilizată este cea cu o buză deetanşare şi armătură metalică la interior, figura 2.27.

Pentru protecţia împotriva impurităţilor din exterior, care potpătrunde în etanşare, garnitura tip manşetă este prevăzută în, caz denecesitate, cu o ranforsare orientată în sens contrar buzei de etanşare.

Materialele utilizate la construcţia garniturilor tip manşetă se potgrupa în două categorii:

- materiale deinserţie, formate din ţesăturidin bumbac, fire de materialplastic sau asbest,impregnate cu cauciuc saumaterial plastic. Prezintăcalităţi deosebite la uzură,compresiune şi forfecare,oferind în acelaşi timpcondiţii de producere apeliculei de lubrifiant.

- elastomeri carese pot împărţi în patru tipuride bază:

- cauciuc nitril-butadien (Perbunan, Buna-N, Hycar,etc.), ce oferă o gamă largă de temperaturi de utilizare - de la -40°C la+100°C. Este sensibil la combustibili şi uleiuri minerale, prezentând tendinţede umflare în prezenţa acestora.

- cauciuc acrilat, are o comportare excelentă în prezenţahidrocarburilor aromatice neprezentând tendinţe de umflare sau întărire.Este instabil la apă, soluţii apoase şi vapori. Are un preţ mai ridicat decâtcauciucul nitril-butadien.

Fig. 2.27


32

- cauciuc siliconic (Siloprene), este utilizat acolo undecelelalte materiale prezentate nu fac faţă, datorită instabilităţii termice şi aflexibilităţii la rece reduse. Pe lângă domeniul de temperaturi de funcţionarefoarte larg - de la -50°C la +150°C- prezintă avantajul unei rezistenţeaproape nelimitate la aer, ozon şi oxigen. Are dezavantajul că în prezenţahidrocarburilor cu molecule mici şi lanţuri scurte - combustibilii, în general -are tendinţa de umflare.

- fluor-cauciucul este cel mai scump material, fiind şidificil de prelucrat. Prezintă rezistenţă la hidrocarburi aromatice, la uleiurilede motor, păcura, combustibili de orice tip. Temperatura maximă defuncţionare este de 170°C.

- plastomeri sunt în general polimeri cu fluor, poliamidecu indicaţii de utilizare în sistemele hidraulice şi pneumatice.

- piele tăbăcită cu crom.Cu excepţia pielii, celorlalte materiale li se pot îmbunătăţi calităţile

de frecare prin tratare cu bisulfura de molibden.

2.4.2. Fenomene interstiţiale

În etanşările cu manşetă, la fel ca în orice alt sistem mecanic deetanşare, pelicula de fluid ce se formează între elementele etanşării are unrol deosebit în formarea barierei împotriva scurgerilor. Optimizareadinamică a etanşării este strâns legată de cunoaşterea caracteristicilorfilmului de fluid: presiunea fluidului, grosimea peliculei, precum şiparametrii dinamici relativi, aceştia stând la baza elaborării modeluluimatematic al fenomenului de transport prin etanşare.

Microgeometria suprafeţelor în contact se dovedeşte a fi hotărâtoareîn desfăşurarea fenomenului. Jagger a emis în 1957, o teorie conform căreiatensiunile superficiale dintre suprafeţele etanşării sunt răspunzătoare demenţinerea filmului de lubrifiant. Cercetări ulterioare au infirmat aceastăipoteză, aducând pe prim plan rolul asperităţilor suprafeţelor de etanşare.

Kawahara în 1977 şi Kammüller în 1978, indică drept factori detransport de masă în peliculă, rugozităţile şi orientarea lor.

Nakamura în 1984, prin analize dinamice, a obţinut detalii desprerolul pe care îl joacă rugozităţile în formarea peliculei şi fenomenele dinaceasta. Folosind un arbore din sticlă, el a observat influenţele modelului derugozităţi, densităţii acestora şi a orientării lor, asupra debitului de scurgeriprin etanşare.


33

Ogata în 1987, evidenţiază, în urma investigaţiilor făcute, căformarea peliculei este în strânsă legătură cu asperităţile din zona de contact.

Pentru înţelegerea fenomenelor care generează, între suprafeţele deetanşare, o capacitate portantă s-a recurs la analiza intimă a microgeometrieiacestei zone. In acest scop sa-u dezvoltat diferite metode (arbore de sticlă,fereastră transparentă sub aria de contact, etc.). Nakamura, în 1984, a pus lapunct o instalaţie optică de vizualizare a contactului de etanşare, pe bazametodei cu lumină albastră fluorescentă. Cu aceeaşi metodă Ford, în 1978 şiKassfeld, în 1987, au reuşit o analiză a filmului de fluid, folosind unlubrifiant special, format dintr-o soluţie de ulei şi un colorant fluorescent.

Concluziile obţinute în urma observaţiilor microscopice sunt:- reţeaua de rugozităţi are un rol fundamental în mecanismul de

lubrifiere a etanşărilor cu manşetă de cauciuc.- rugozităţile permit păstrarea unei cantităţi critice de lubrifiant în

interiorul ariei de contact, ceea ce permite lubrifierea chiar la viteze foartemici.

- ca efect secundar, rugozităţile joacă rolul de micro-lagăresusţinând buza de etanşare.

2.4.2.1. Scurgeri prin interstiţiu

Distribuţia presiunii şi câmpul scurgerilor prin pelicula de fluid suntdescrise de ecuaţiile lui Reynolds. Grosimea peliculei fiind foarte mică înraport cu raza arborelui, curbura acestuia poate fi neglijată scriind astfelecuaţia lui Reynolds în coordonate carteziene:

x

hV

y

Ph

yx

Ph

x

)(

6][][ 33 (2.13)

unde:x - coordonata circumferenţialăy - coordonata axială - densitateh - grosimea filmului de lubrifiantP - presiunea din peliculăµ - vâscozitateaV - viteza periferică


34

Deşi fluidul este considerat a fi lichid, pelicula nu este întotdeauna întotalitate lichidă. In regiunile unde ecuaţia (2.13) indică o scădere a presiuniilocale, lichidul şi gazul (sau vaporii) sunt prezenţi la o presiune constantă Pc(presiune de cavitaţie). In regiunea lichidă a filmului de lubrifiant, undedensitatea este constantă, ecuaţia (2.13) devine:

x

hV

y

Ph

yx

Ph

x

)(

6][][ 33 (2.14)

În regiunea cu cavitaţie, unde presiunea este constantă, ecuaţia (2.13)devine:

0)(

x

h

(2.15)

Condiţiile pe contur sunt:la y=b P=PSla y=0 corespund două situaţii:

- nu există cavitaţie pe contur: P=Pa- există cavitaţie pe contur:

În locurile de ruptură a peliculei (zona de început de cavitaţie), sepoate scrie:

0n

P

(2.16)

unde:n - direcţia normală la conturul regiunii de cavitaţieIn locurile de refacere a peliculei (sfârşit de cavitaţie), se poate scrie:

]1[212

2

C

nV

n

Ph

(2.17)

Cu ajutorul ecuaţiilor de mai sus, prin diferite metode, s-au obţinutrelaţii referitoare la grosimea filmului, debitul scurgerilor, distribuţiapresiunii în peliculă.


35

2.4.2.2. Influenţa microgeometriei asupra scurgerii prinetanşarea cu manşetă

În 1992, R. Salant menţionează unele soluţii ale ecuaţiilor prezentatemai sus, folosite în scopul analizei rolului jucat de microasperităţi înprocesul de curgere.

Rezultatele indică faptul că modelul microasperităţilor de pesuprafaţa buzei manşetei poate interveni decisiv în reglajul scurgerilor,printr-un mecanism de pompare reversibilă. Factorii importanţi careinfluenţează debitul scurgerilor sunt următorii:

- amplitudinea microondulaţiilor. Influenţa acestui factor esteevidenţiată în figura 2.28.

unde: Q - debituladimensional pe omicroondulaţie

h2 -amplitudinea adimensionalăa microondulaţiilor

V - vitezaperiferică adimensională

Fig. 2.28 Fig. 2.29

Fig. 2.30


36

Se observă că mărirea lui h2 accelerează scăderea lui Q cu creştereavitezei. Peste anumite viteze, pentru h2>0.2, scurgerile dispar.

profilul axial al

garniturii. În figura

2.29 este prezentatăinfluenţa acestui factor,h1 fiind un parametru ce

descrie profilul axial al

buzei garniturii

elasticitatea

suprafeţei garniturii. Efectul acestui parametru este prezentat în figura2.30, unde este un factor adimensional care este definit de elasticitatea

garniturii.

Se remarcă faptul odatăcu creşterea elasticităţiigarniturii, se micşorează pragulde viteză de la care disparscurgerile. Pentru elasticitate

nulă (=0) se observă că debitulnu este afectat de viteză,rămânând constant la valoarea

maximă.poziţia axială unde grosimea medie a peliculei este minimă (

yb).Valoarea yb determină geometria modelului microondulaţiilor în planulx-y.

Se observă (figura 2.31) că la valori yb>0,5 apare fenomenul depompare inversă, iar peste anumite viteze debitul se anulează complet. Lavalori yb


37

aplatizarea microondulaţiilor. În figura 2.32 estereprezentat efectul acestuiparametru. S-a notat cu ßaplatizarea în condiţii depresiune ridicată (ß=0 nuexistă aplatizări, ß=1aplatizările sunt maxime).Diagrama este ridicată încondiţiile unei amplitudini(h2) constante. Reiese căaplatizarea degradeazăcalitatea etanşării, ducândla creşterea debitului descurgeri.

lungimea de undă a microondulaţiei. Notând lungimeade undă (parametru adimensional) cu , se poate construi o diagramă cuinfluenţa acestui parametru (figura 2.33).

Se observă o independenţă a debitului în raport cu valori ale lui0.5 scade eficienţa etanşării.

presiunea din pelicula de fluid. Este notat cu simbolul şi reprezintă un

parametruadimensional alpresiunii. În figura 2.34se exemplifică modulde influenţare aldebitului de scurgeri.Se evidenţiază că lacreşterea presiunii,odată cu creştereavitezei, este posibilăapariţia debituluinegativ.

Concluzia importantă ce se poate trage în urma analizării celorprezentate, este că pentru anumite valori ale acestor parametri -corespunzătoare unei bune etanşări - debitul de scurgeri atinge valori practicnule. Totuşi nu rezultă durata acestei stări de fapt, respectiv durabilitateaetanşării.

Fig. 2.33

Fig. 2.34


38

2.4.3. Viteza periferică şi temperatura la contact

Aceşti doi factori au o influenţă foarte mare asupra procesului deetanşare, condiţionând şi durabilitateaei. Practica arată că elementele deetanşare din piele se pot folosi încondiţiile unei viteze perifericearborelui de până la 10 m/s şi latemperaturi pe suprafaţa arborelui depână la 110°C.

Elementele de etanşare dincauciuc sintetic pot lucra până laviteze periferice de 20-25 m/s şifuncţie de tipul cauciucului, până latemperaturi de 150°C.

Limitele de utilizare agarniturilor tip manşetă sunt dependente de temperaturile care apar pesuprafaţa de etanşare, de căldura produsă prin frecare, de condiţiile deevacuare ale acesteia şi de temperatura mediului ambiant. În figura 2.35 esteprezentată schema de distribuţie a câmpurilor termice într-o manşetă dincauciuc, iar în figura 2.36 se arată dependenţa durabilităţii de temperatura defuncţionare, dependenţă ridicată prin metode statistice pentru unelemateriale mai des utilizate pentru construcţia manşetelor.

Fig. 2.35

Fig. 2.36


39

S-a constatat că pentru diametre mici ale arborilor viteza perifericătrebuie micşorată,de exemplu pentruarborii de până la 20mm, vitezaperiferică nu trebuiesă depăşească 4m/s,. O asemeneavariaţie a vitezeiperiferice admisibileîn funcţie dediametru, esteurmarea faptului că

secţiunea transversală a arborelui creşte sau scade cu puterea a 2-a adiametrului, posibilitatea evacuării căldurii crescând sau scăzând în aceeaşimăsură. În afară de acest fapt, diametrelor mici le corespund frecvenţe maiînalte provenite din bătaia radială a arborelui, ceea ce duce la afectarea,pentru turaţii mari, capacităţii de restabilire a formei garniturii. Datorităacestor aspecte, este de preferat să se tindă către amplasarea manşetelor deetanşare pe zone ale arborelui cu diametre mici.

2.4.4. Presiunea de contact

Presiunea exercitată asupra garniturii de etanşare (presiunea decontact), este unul dintre parametrii cei mai importanţi ai procesului deetanşare. Pentru fiecare garnitură în parte (funcţie de material, soluţieconstructivă, etc.) şi pentru fiecare set de condiţii de lucru (căderi depresiune, temperaturi, vâscozităţi) există valori critice ale presiunii decontact, sub care etanşarea devine imposibilă. De aceea, pentru mărireadurabilităţii în condiţiile unei etanşări optime, presiunea de contact trebuiemenţinută la valori cu puţin peste cele critice. In literatura de specialitate sefac recomandări referitoare la aceste valori. Astfel, Brink recomandă opresiune liniară de contact, realizată de arcul manşetei, de 60 N/cm2. Incazul lipsei arcului de prestrângere se recomandă valori de 15-22 N/cm2 laviteze de 4-5 m/s şi de 9,5-13 N/cm2 la 15-20 m/s. În absenţa lichidului,T.M. Basta recomandă valori cuprinse între 12-15 N/cm2.

Fig. 2.37


40

Calculul presiunii liniare de contact prezintă unele dificultăţi legatede următoarele aspecte:

- La contactul garniturii cuarborele, pe lăţime, presiunea decontact se repartizează după legicomplexă cu aspectul din figura2.37a, sau cu aspectul din figura2.37b.

Rezultă că se poatedetermina aproximativ numaivaloarea medie a presiunii liniare decontact. A.M.Fomanin a încercataproximarea epurei presiunii decontact cu un segment de sinusoidă.

- Forţa radială peperimetrul elementului etanşat se repartizează neuniform. În literatură seprezintă principalele cauze ale acestui fenomen:

- diametrul interior dM şi cel exterior DM ale manşetei suntvariabile, semidiferenţa lor reprezentând de fapt grosimea garniturii. Înfig.2.38 se prezintă câteva grosimi de garnituri din cauciuc, cu dM=50 mm,testate de A.A.Teaste;

- neuniformitatea arcului de strângere. În literatură se aratăcă în zona de îmbinare a capetelor arcului de strângere apare oneuniformitate în repartiţia presiunii de contact;

- neomogenitatea proprietăţilor mecanice ale cauciuculuişi defectele de prelucrare ale garniturii;

- În timpul funcţionării garniturii se schimbă lăţimea zonei decontact a garniturii cu arborele datorită rodajului, uzurii, şi a căderii depresiune pe garnitură.

- În procesul de funcţionare, sub influenţa temperaturii degajateprin frecare, se schimbă proprietăţile fizico-mecanice ale materialuluigarniturii.

- Prin uzură se modifică profilul iniţial al garniturii.Pentru modelarea garniturii există mai multe metode. Una dintre ele

studiază porţiunea elementară a garniturii - formată din secţiuni axiale infinitapropiate - ca o grindă static nedeterminată încastrată la un capăt şi rezematăla celălalt capăt. Se are în vedere că garniturile se fabrică, în mod uzual, dinmaterial foarte elastic cu o duritate mică, astfel încât presiunea se transmite

Fig. 2.38


41

- prin elementul elastic - la arbore. Se pot afla, în acest mod, valorilereacţiunilor din reazem, dintre garnitura şi arbore şi pe tot conturul zonei decontact.

Altă metodă constă în modelarea garniturii cu înveliş simetric faţă deaxă. Modelul a fost aplicat pentru studierea excentricităţii dinamice. Totuşi,din studiul efectuat nu rezultă dependenţe ale presiunii de contact deparametrii garniturii.

A.A.Teaste a modelat garnitura cu înveliş conic, sau cu douăînvelişuri conice, în funcţie de profilul garniturii. De aici au fost obţinuteprimele sisteme de ecuaţii liniare pentru determinarea constantelor dinefortul de contact.

De remarcat că A.M.Fomanin a obţinut, în urma modelării buzeimanşetei cu înveliş cilindric cu pereţi subţiri încărcată cu arc spiral şi cuforţa de prestrângere, o relaţie de calcul pentru presiunea de contact ce acorespuns cu expresia găsită de A.Golubev.

Toate calculele s-au făcut în ipoteza materialului elastic,incompresibil, cu deformaţii în domeniul elasticităţii liniare.

Una din formulele mai des utilizate pentru calculul presiunii decontact, are următoarea formă:

Pk=Pg+Pa+Pm (2.18)

unde: Pg=A1 ahE este presiunea furnizată de materialul garniturii.

Pa= arTb

este presiunea dată de arcul brăţară.

Pm=A3P este presiunea provenită din mediul etanşat.

Coeficienţii ce intervin în ecuaţiile de mai sus depind de configuraţiageometrică a elementelor sistemului de etanşare şi de materialele folosite. Eipot fi calculaţi cu următoarele relaţii:

A1=yr

kl

l

k

rr

ha

BMB

i 02

3

4 (2.19)

A3=P

P

a

l

20

cos37,01 (2.20)


42

Ceilalţi parametri ce intervin în relaţiile (2.19) şi (2.20) sunt definiţiîn figura 2.39

Pentru o prezentarematematică a fenomenelor ce sepetrec în etanşare se definesc oserie de parametri:

- întinderea radialădatorată forţelor elastice dinmarginea de lucru.

np - întinderea radialăprodusă de resortul comprimat.

rB - raza suprafeţei decontact a arborelui.

NB - uzura arborelui.NM - uzura manşonului.

Întreruperea procesului de etanşare se poate produce doar dacă esteîndeplinită condiţia:

Pg+Pa=0 (2.21)

Acest lucru este posibil numai în cazul în care componenta Pg devinenegativă, ceea ce se întâmplă în momentul rodării manşonului etanşării cuvaloarea:

NM+NB= (2.22)

În acest moment, raza arborelui uzat este rB-rM. Uzura continuând, seajunge la formarea unui joc între marginea manşonului şi suprafaţaarborelui, care se compensează prin deformaţiile induse de apăsarea arcului.Astfel, se ajunge treptat la starea limită a etanşării cu manşon, descrisă derelaţia (2.21), când presiunea de contact devine nulă. Componenta datoratăpresiunii produse de mediul etanşat, Pm manifestă, în această situaţie, ungrad ridicat de instabilitate explicabil prin aceea că la cea mai mică scădere aermetizării, datorate bătăilor radiale sau ondulaţiilor, au loc scurgeri defluid. Luând în considerare cel mai defavorabil caz, Pm=0, din ecuaţia stăriilimită se obţine:

MErA

T

1

np (2.23)

Fig. 2.39


43

Neglijând influenţa îmbătrânirii asupra caracteristicilor de rezistenţăale manşonului, analizând figura 2.40, se poate deduce că starea limită a

etanşării cu manşon poate fi descrisă de ecuaţia:

NB+NM=+ np (2.24)

Procesul de îmbătrânire influenţează capacitatea funcţională amanşonului în două moduri:

- pentru valori mici ale frecării, NB+NM procesul de scădere apresiunii de contact se încetineşte, forţele elastice ale manşonului opunându-se forţelor de strângere ale arcului colier asupra marginilor de lucru. Se ştiecă îmbătrânirea cauciucului duce la scăderea proprietăţilor elastice şi apariţiadeformaţiilor remanente în garnitură. Deci, dacă în prima situaţiedeformaţiile remanente de încovoiere reduc rezistenţa manşonului, în ceade-a doua, se întâmplă exact invers, resortul opunând mai puţină rezistenţă,decalează momentul declanşării stării limită.

2.4.5. Durabilitatea elementelor de etanşare.

Factorii care exercită influenţe asupra durabilităţii etanşării sunt:fineţea şi duritatea suprafeţei arborelui, presiunea de lucru, viteza periferică,temperatura pe suprafaţa de etanşare, precum şi erorile de execuţie alearborelui cum ar fi: abaterea de la cilindricitate, lipsa coaxialităţii, săgeţiprovenite din încovoiere, etc. In continuare, vor fi trecuţi în revistăprincipalii factori de influenţă a durabilităţii.

Fig. 2.40


44

- Rugozitatea suprafeţelor de lucru. Durabilitatea garnituriidepinde în mare măsură de forma precisă şi rugozitatea suprafeţelor ce vinîn contact cu elementul de etanşare, precum şi de gradul de contaminare alfluidului cu particule abrazive.

Pentru un regim normal de lucru al garniturii, fusul arborelui trebuiesă aibă o rugozitate minimă de Ra=1,6 pentru viteze periferice vp4m/s. De remarcat faptul că dimensiunea rugozităţilortrebuie aleasă astfel încât să existe posibilitatea formării peliculei de ungere.In cazul unor prelucrări deosebit de fine, momentul de frecare creşte caurmare a înrăutăţirii condiţiilor de ungere.

Existenţa unor canale elicoidale nu prea adânci, formate pe suprafaţaarborelui în urma prelucrărilor mecanice, poate influenţa substanţialparametrii funcţionali ai etanşării, pozitiv sau negativ, funcţie de poziţiaacestor canale faţă de sensul de rotaţie, printr-un fenomen de pompare afluidului prin interstiţiu. Totuşi, existenţa canalelor ducând la creşterearapidă a uzurii, se preferă în practică crearea lor pe garnitura de cauciuc.

- Duritatea suprafeţei arborelui. Uzura fusurilor pentru garnituridepinde de duritatea lor superficială şi de aceea este important să se asigurevalori corespunzătoare ale durităţii. Cele mai favorabile rezultate din punctde vedere al uzurii în zona de etanşare s-au obţinut la arborii cromaţi dur,rezistenţa acestora la uzură crescând de cca. 10 ori faţă de arborii netrataţi.

Nu trebuie uitată problema particulelor dure ce pot pătrunde în zonade etanşare, contribuind astfel la creşterea uzurii abrazive şi la scădereadurabilităţii. Pentru evitarea acestor fenomene nedorite se procedează,deseori, la montarea pe arbore, în zona de etanşare, a unei bucşe dinmateriale deosebit de dure (stelit, oţel înalt aliat cu crom, etc.).

- Necoaxialitatea şi bătaia arborelui. Reprezintă factori deosebitde importanţi. Ei pot duce la scăderea drastică a calităţii etanşării. In situaţiaîn care nu pot fi evitate aceste două situaţii nedorite, se impune luarea unormăsuri compensatorii, acestea fiind reducerea vitezei periferice şiîmbunătăţirea rugozităţii.

In cazul bătăii radiale, trebuie corelată turaţia sau frecvenţa deoscilaţie a unui punct curent de pe suprafaţa periferică a arborelui, cu vitezade revenire a garniturii în mişcarea sa de urmărire a periferiei arborelui,astfel încât contactul de etanşare să fie continuu. Limitarea bătăii axiale aarborelui este condiţionată de faptul că rizurile de pe partea uzată a arboreluigenerează deplasări axiale relative, ce pot duce la distrugerea muchiei deetanşare a garniturii.


45

- Lăţimea muchiei de etanşare. La montarea garniturii, parteacare vine în contact cu arborele se deformează, generându-se astfel osuprafaţă cilindrică de alunecare cu o lăţime de câteva zecimi de milimetru,care creează contactul de etanşare. Deoarece forţa de frecare şi călduradegajată depind, în mare măsură, de aria de contact a garniturii cu arborele,unul din mijloacele de control a încălzirii locale în zona de etanşare estereducerea la minimum a lăţimii de contact, concomitent cu reducereatensiunii din arc.

2.4.6. Concluzii

Analizând cele prezentate mai sus, etanşările cu garnitură tip manşetăpot fi apreciate ca fiind deosebit de eficiente cu condiţia corelării varianteiconstructive şi a materialului garniturii cu natura mediului etanşat. La oraactuală există o gamă largă de cauciucuri, gamă ce acoperă aproape întotalitate necesarul de condiţii impuse pentru utilizarea în industriaalimentară.

Spre deosebire de etanşările analizate anterior, etanşările cu garniturătip manşetă sunt mult mai sensibile la condiţiile tehnologice de realizare.Succesul unei astfel de etanşări depinde de soluţia constructivă aleasă laproiectare, de calitatea realizării elementelor de etanşare şi de modul în careeste executat montajul.

Garniturile tip manşetă, cu buză de etanşare, dispar din câmpul vizualdupă montare, astfel încât singura garanţie pentru o bună funcţionare rămânexecuţia şi montajul corect.

Execuţia alezajelor şi arborilor ce participă la procesul de etanşaretrebuie făcută cu toleranţe ridicate, (H8;h11), iar la montaj trebuie realizatăo centrare optimă a elementelor etanşării, orice abatere fiind preluată debuza de etanşare a manşetei. Deoarece elasticitatea manşetei este limitată,pentru obţinerea unei bune etanşări, se impune ca abaterile de montaj şiexecuţie să fie minime.

Unul dintre cele mai frecvente motive de funcţionare defectuoasă aunei etanşări cu manşetă este abaterea de concentricitate, aceasta apărând înurma erorilor de montaj, în urma erorilor de execuţie sau chiar în procesulde lucru - datorită unor vibraţii de încovoiere induse în zona de etanşare.ştiind că amplitudinea bătăii radiale creşte odată cu distanţa dintre manşetăşi lagăr, se impune ca la proiectare să se micşoreze la minimum aceastădistanţă. Alţi factori de influenţă importanţi pentru mărimea bătăii radialesunt turaţia de regim şi tipul de material din care este executată garnitura.

O problemă nu lipsită de importanţă este modul de evacuare alcăldurii produse prin frecare în timpul funcţionării manşetei. Valorile mari


46

ale coeficienţilor de frecare dintre manşete şi arbori, conductibilitateatermică scăzută a garniturii, impun utilizarea agenţilor de ungere şi răcire. Ingeneral se foloseşte în acest scop chiar debitul de scurgere prin etanşare. Incazul aplicaţiilor din industria alimentară, mediile etanşate neavândproprietăţile tribologice necesare, trebuie prevăzute încă din faza deproiectare posibilităţi de ungere şi răcire, prin folosirea unor materialecompatibile cu mediul etanşat.

2.5 Etanşări cu inel alunecător2.5.1 Generalităţi

Etanşările cu inel alunecător, cunoscute şi sub numele de etanşărifrontale, se clasifică în două mari categorii, funcţie de direcţia de scurgere apierderilor:

- etanşări frontale plane, pentru direcţie radială ascurgerilor, între suprafeţe plane - etanşări plane, figura 2.41.

- etanşări frontale axiale, pentru direcţie axială ascurgerilor, între suprafeţe cilindrice - bucşe de etanşare, figura 2.42.

Pierderileprin scurgere suntcontrolate de forţeleaxiale, în cazuletanşărilor plane şide jocul radial, încazul etanşărilor cubucşă. Etanşărileplane prezintă oserie de avantajefaţă de etanşările cu

bucşă, cele mai importante fiind: debitul foarte mic al scurgerilor, întreţinereuşoară, durabilitate ridicată, pierderi mici de putere prin frecare.

Fig. 2.41


47

Acest tip deetanşări acoperă undomeniu foarte largde utilizări, fiindcapabile să suportepresiuni de la 10-5mm col.Hg. până la25 MPa, temperaturide la - 200°C la1000°C şi vitezeperiferice peste 100m/s. Mediileetanşate pot fi foarte

agresive, ca de exemplu acizi sau reziduuri radioactive. Practic acest tip deetanşare poate fi regăsit în orice domeniu industrial.

În proiectarea şi dimensionarea etanşărilor frontale, trebuie luate înconsiderare o serie de cerinţe acestora: eficienţa etanşării, durabilitate,fiabilitate, consum energetic redus, dimensiuni reduse, raport cost-eficienţăoptim.

2.5.2 Mecanica etanşării

Funcţionarea eficientă a sistemelor de etanşare cu inel alunecătordepinde, în primul rând, de calitatea peliculei de fluid ce se formează îninterstiţiu. Acest interstiţiu ia naştere între două inele, 1 şi 2 din figura 2.43,cu suprafeţe de contact frontale, aflate în mişcare relativă, sub acţiunea unor

forţe de presareaxiale Fa. Înfigura 2.43 ineleleau fost

reprezentatedistanţat pentru aputea evidenţiadistribuţia forţeloraxiale. Scopulacţiunii forţelor Faeste de a menţineinterstiţiul la

Fig. 2.42

Fig. 2.43


48

valori minime, asigurând astfel un debit de scurgeri cât mai mic. În figura2.43 apar şi alte sisteme de etanşare, cu rol secundar, realizate cu garniturielastice.

Forţa axială ce acţionează asupra inelelor de etanşare, este orezultantă a mai multe forţe:

Far = Far + Fh - Fis Ff (2.25)

unde:Far - este forţa dezvoltată de arc;Fh - este forţa rezultată din acţiunea fluidului etanşat;Fis - este forţa rezultată din presiunea în interstiţiu;Ff - este forţa de frecare a inelului de etanşare fix.

Raportând aceste forţe la suprafaţa de contact a etanşării A, relaţia(2.25) se transformă într-o relaţie între presiuni:

pa = par + ph - pis pf (2.26)

În urma unor încercări de durată, a rezultat că dimensiunea medie ainterstiţiului h şi forţa axială Fa determină un anumit regim de presiune îninterstiţiu, influenţând ungerea suprafeţelor în contact, durabilitatea şietanşeitatea.

Notând cu p presiunea fluidului etanşat, considerând ph=kp şineglijând forţa de frecare,relaţia (2.26) devine:

pa = par + kp - pis (2.27)

Experimental arezultat că există o legăturăîntre presiunea de contactpa pe inelul mobil,dimensiunea interstiţiului hşi presiunea fluiduluietanşat.

În figura 2.44,domeniul 1 corespundezonei unde nu se formeazăo presiune în interstiţiu,adică pis0 şi pa=par+kp.Interstiţiul conţine fluid

Fig. 2.44


49

care se scurge printre neregularităţile suprafeţelor aflate în contact.În acest mod are loc o ungere limită ce evoluează rapid spre o frecare

uscată, ceea ce duce la creşterea foarte rapidă a uzurii. Pierderile de fluid potapreciate folosind o relaţie empirică:

2

2)

a

z

p

Shpep-d(p=Q

[cm3/s] (2.28)

unde:d - diametrul de intrare al fluidului în interstiţiu;p - presiunea fluidului etanşat;pe - presiunea exterioară;pz - presiunea datorată forţelor centrifuge, semnul indicând

sensul curgerii: plus - de la interior la exterior, minus - de la exterior lainterior;

S - coeficient caracteristic interstiţiului, dependent deviteza relativă de alunecare;

h - dimensiunea interstiţiului;pa - presiunea axială.

Mergând mai departe cu raţionamentul se poate scrie:

2* avr

b

g

yp (2.29)

unde: - greutatea specifică a fluidului etanşat;b - lăţimea de contact;g - acceleraţia gravitaţională;r - raza interioară a inelului mobil;v - viteza medie de alunecare.

Se observă că pierderea fluidului prin scurgeri este influenţată înprincipal de dimensiunea interstiţiului şi de presiunea de contact.Funcţionarea în acest domeniu se caracterizează prin stabilitate, presiuneredusă în interstiţiu şi scurgeri minime de fluid.

În domeniul 2, se observă dezvoltarea în interstiţiu a unei presiuni piscare poate creşte până la valoarea presiunii p a fluidului etanşat, în timp cepresiunea de contact pa poate fi mai mare sau egală cu presiunea fluidului. Ininterstiţiu are loc o frecare mixtă cu un coeficient de frecare mai redus.


50

Relaţia de calcul pentru debitul scurgerilor prin etanşare, (2.28), dedusăpentru domeniul 1 poate fi aplicată şi aici

În domeniul 3, sunt cele mai bune condiţii din punct de vedere alfrecării în interstiţiu, dar şi cele mai mari scurgeri de fluid. In acest domeniu,presiunea în interstiţiu variază de la valoarea presiunii fluidului etanşat - ladiametrul interior al inelului de etanşare, până la presiunea exterioară - ladiametrul exterior al acestuia, fiind în medie jumătate din presiuneafluidului. In interstiţiu se stabileşte o curgere laminară a fluidului al căreidebit se poate calcula cu relaţia:

b

hdpQ mz

12

) 3 e

p-(p[cm3/s] (2.30)

unde:dm - diametrul mediu al inelului; - vâscozitatea dinamică a fluidului etanşat.

O etanşare frontală se compune în general din elementele prezentateîn figura 2.41, cu observaţia că în locul arcului de compresiune poate fifolosit, drept element elastic, un burduf de cauciuc sau o membrană. Forţade apăsare dintre inelele de etanşare poate realizată şi magnetic. Subacţiunea acestei forţe ia naştere între inele interstiţiul care produce efectivetanşarea. Intre cele două inele şi arbore - respectiv carcasă, se prevădetanşări radiale cu inele O sau manşete, acestea având un rol secundar îndispozitiv.

În relaţia de calcul a forţei de presare a inelelor, (2.25), componentadatorată arcului Far, poate fi calculată cu uşurinţă, iar forţa rezultată dinacţiunea fluidului la presiunea p pe aria Ah se poate determina folosindrelaţia:

pdDpA hhh )(422

hF (2.31)

Forţa dată de presiunea din interstiţiu Fis are un efect hotărâtor asupracomportării etanşării, mărimea ei depinzând de condiţiile de lucru.

Forţa de frecare Ff este mai greu de calculat exact din cauzaintervenţiei unor factori precum uzura, variaţia presiunii, încălzirea, factorice pot induce modificări în mărimea şi sensul ei de acţionare.

Pentru ca suprafeţele de etanşare să nu piardă contactul, este necesarca în relaţia (2.25) suma forţelor care acţionează în sensul închiderii,


51

respectiv presarea inelelor, să fie mai mare decât suma forţelor careacţionează în sensul deschiderii interstiţiului.

Presiunea de contact a celor două inele, determinată de forţa Farepartizată pe suprafaţa de contact A este:

)(4

22 dD

F

A

F aa

ap (2.32)

Sub efectul acestei presiuni, lichidul cuprins între suprafeţele planeeste expulzat, până ce acestea se apropie la o distanţă h care este grosimeainterstiţiului. Iniţial s-a presupus că inelele nu se pot apropia mai multdatorită acţiunii tensiunilor superficiale. Ulterior această teorie a fostinfirmată, formarea peliculei fiind pusă pe seama microasperităţilor încontact.

În figura 2.45 se prezintă cele mai importante situaţii de lucru aleetanşării, funcţie de valorile presiunii mediului etanşat p şi presiunii decontact pa.

Fig. 2.45


52

Cazul A: ppa, fig.2.45c, apare astfel o cădere de presiune liniară, dela p la pa. Tensiunea superficială strangulează incomplet interstiţiul, apărândun debit de scurgeri prin etanşare.

Cazul D: p>>pa, fig.2.45d, influenţa tensiunii superficiale este, înacest caz, practic nulă. Căderea de presiune este liniară, etanşarea fiindpractic ineficientă.

2.5.3. Clasificarea etanşărilor cu inel alunecător.

Clasificarea acestor etanşări se poate face după mai multe criterii,cele mai utilizate fiind:raportul pa/p,amplasarea relativă ainelelor mobile şisoluţia constructivă.

În cazul luării înconsideraţie araportului p/pa, seneglijează forţa defrecare Ff, forţa dininterstiţiu Fis şi forţadată de arcul etanşării.Din relaţiile (2.31) şi(2.32) se obţine:

Fig. 2.46


53

kb

b

A

A hh ppa (2.34)

se poate face următoarea clasificare:- etanşări cu k>1, figura 2.46a;- etanşări cu k=1, figura 2.46b;- etanşări cu k


54

Folosindultimul criteriumenţionat, etanşărilefrontale se clasificăastfel:

- etanşări cuarcul plasat spreinterior, în spaţiulfluidului sub presiune,arcul fiind în mişcarede rotaţie odată cu

arborele, figura 2.49.- etanşări

cu arcul amplasat spreinterior, în afara spaţiuluiocupat de fluidul subpresiune, arcul rotindu-seodată cu arborele şi fiind încontact cu scurgerile de fluid,

figura 2.48.- etanşări

cu arcul amplasat spreexterior, fără a veni încontact cu fluidul subpresiune, arcul fiind înrotaţie cu arborele, figura2.47 sau cu arcul fix, dar încontact cu scurgerile defluid, contact ce poate fi

evitat prin spălare cu un lichid suplimentar, figura 2.50.- etanşări cu arcul amplasat spre exterior, rotindu-se odată cu

arborele, în contact doar cu scurgerile de fluid, figura 2.51.- etanşări cu arcul în rotaţie, împreună cu arborele, figura 2.47;

2.48; 2.49, sau sprijinit pe inelul mobil şi în rotaţie fiind solicitat de forţecentrifuge.

- etanşări cu arcul staţionar, figura 2.50, fără a fi supus forţeicentrifuge şi fără a suporta frecări datorate aşezării sau răsucirii.

Fig. 2.50

Fig. 2.49

Fig. 2.51


55

2.5.4. Parametri funcţionali ai etanşării cu inel alunecător

Funcţionarea etanşărilor frontale este influenţată de o gamă întreagăde parametri, cei mai importanţi fiind următorii:

Raportul suprafeţelor. Notând cuA

A=k h , se observă că

acest raport poate lua doar valori pozitive. Corespunzător valorii k,presiunea de contact ps, poate fi mai mare, egală sau mai mică decâtpresiunea fluidului etanşat, p.

După cum s-a menţionat mai sus, etanşările neechilibrate având k>1,adică pa>p, se situează în domeniile 1 şi 2 de funcţionare, figura 2.44,prezentând o uzură mai pronunţată a inelelor de alunecare dar şi ofuncţionare mai stabilă, cu pierderi minime. Valorile lui k se situează practicîn intervalul (1,1-1,2) pentru etanşările neechilibrate şi în intervalul (0,6-0,9)pentru etanşările echilibrate. La acestea din urmă, presarea este asigurată deforţa arcului, situaţie specifică etanşărilor de protecţie.

De remarcat faptul că la diametre mari, presarea indusă

ghid pentru proiectarea etanŞĂrilor cu presgarniturĂim.ugal.ro/om/biblioteca/etansari cu contact...

Documents