instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z materiałów

instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z materiałów

INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
Politechnika Śląska w Gliwicach
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Z MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
I EKSPLOATACYJNYCH
BADANIE USZCZELEK PŁASKICH
Opracował:
Dr inż. Grzegorz Nowak
Gliwice 2001
Pomiędzy współpracującymi powierzchniami płaskimi lub cylindrycznymi znajduje
się zawsze szczelina, która jest wynikiem niedokładności wykonawczych powierzchni
elementów współpracujących. Wymiary szczeliny określają wielkość przecieku
przedostającego się z przestrzeni o ciśnieniu wyższym do przestrzeni o ciśnieniu niższym.
Szczelinę można zdefiniować jako przestrzeń pomiędzy powierzchniami uszczelnianymi,
której jeden z wymiarów (grubość) jest bardzo mały w porównaniu z pozostałymi (długość,
szerokość).
Aby ograniczyć przeciek należy możliwie zmniejszyć lub wyeliminować szczelinę. W tym
celu stosuje się uszczelniania, które można zdefiniować jako element lub zespół elementów
zakładany pomiędzy dwie powierzchnie będące względem siebie w spoczynku lub ruchu w
celu zamknięcia szczeliny, zapobiegający lub ograniczający przecieki czynnika roboczego
(ciekłego lub gazowego), a także chroniący wnętrze urządzenia przed wnikaniem
zanieczyszczeń z zewnętrz.
Podstawowymi elementami uszczelnienia są:
- element uszczelniający - np. uszczelka w przypadku połączeń spoczynkowych, pierścień
elastyczny lub pakiet pierścieni (szczeliwo), ciecz uszczelniająca (zaporowa) - w przypadku
połączeń ruchowych,
- powierzchnie uszczelniane - np. cylindryczna powierzchnia wałka,
- elementy pomocnicze, które oddziałują na uszczelnienie dociskowo (np. śruby, sprężyny).
Miarą natężenia przecieku jest hPa ∙ dm3 ∙ s-1. Powstały przeciek równy jest jedności
wówczas, gdy ciśnienie w zbiorniku o pojemności 1 dm3 zmienia się w ciągu 1 s o 1 hPa.
Obliczenia natężenia przecieków dokonywane są według wzoru
pV
Q
t
gdzie p jest zmianą ciśnienia (hPa), V objętością zbiornika (dm3), t - czasem pomiaru (s).
Szczelnością nazywamy stan, w którym poziom przecieku znajduje się poniżej określonej,
bardzo małej wartości.
Ocena szczelności może być przeprowadzana jakościowo (szczelny - nieszczelny) za
pomocą zmysłów wzroku, słuchu czy węchu, lub ilościowo, poprzez pomiar przecieku
czynnika za pomocą przyrządów pomiarowych.
Przy zastosowaniu metody jakościowej uznaje się układ za szczelny, jeżeli nie wykazuje on
widocznego przecieku czy zapachu czynnika roboczego lub nie daje wrażeń słuchowych, tj.
szumu, syczenia itp. Sposób jakościowej oceny przecieku czynnika roboczego z urządzenia
jest w praktyce mało dokładny. W większości układów hydraulicznych i pneumatycznych
ocena szczelności jest przeprowadzana po montażu lub w czasie badań okresowych, w celu
ustalenia miejsca przecieku i zapobiegania ewentualnej awarii.
W każdej klasyfikacji uszczelnień wyróżnia się podział podstawowy na :
- uszczelnienia statyczne,
- uszczelnienia dynamiczne,
w zależności od tego, czy między oddzielanymi obszarami znajduje się element spoczynkowy
lub ruchowy.
Dalszy podział uszczelnień na:
- uszczelnienia stykowe,
- uszczelnienia bezstykowe
zakłada przyleganie współpracujących powierzchni lub brak kontaktu między nimi.
Wymaganą szczelność w uszczelnieniach spoczynkowych i stykowych ruchowych
uzyskuje się poprzez wywieranie na przylegające powierzchnie odpowiednio dużego nacisku.
Siła docisku wstępnego jest konieczna dla prawidłowego działania uszczelnień, szczególnie
przy rozruchu i przy niskich ciśnieniach roboczych.
Przeciek Q
1
2
3
Siła docisku F
Rys. 1 Zależność przecieku od siły docisku
Można wyróżnić trzy fazy, charakteryzujące wielkość przecieku w zależności od siły
docisku. W pierwszej fazie (1) uszczelniania zachodzi wstępne wypełnienie szczeliny
materiałem uszczelnienia, zapobiegające przepływowi czynnika i powodujące zmniejszenie
przecieku. W fazie drugiej (2) następuje obniżenie wartości przecieku spowodowane
wypełnieniem mikronierówności powierzchni materiałem uszczelnienia pod wpływem
zwiększonego docisku. Dalsze zwiększanie docisku (faza 3) powoduje już tylko nieznaczne
zmniejszenie przecieku, utrzymujące się na stałym poziomie, niezależnie od wielkości siły.
Rys. 2 Wypełnienie szczeliny przez materiał uszczelki
Dobór materiału, który ma być użyty jako element uszczelniający, opiera się na
analizie własności danego tworzywa. Do podstawowych własności, które należy uwzględnić
przy doborze materiału, należą:
- własności mechaniczne - wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, twardość, udarność,
wydłużenie względne, moduł sprężystości, wytrzymałość zmęczeniowa,
- własności termiczne - współczynnik rozszerzalności liniowej, współczynnik przewodności
cieplnej, odporność na zmiany temperatury,
- własności chemiczne - odporność na działanie czynników kwasowych, zasadowych, olejów
i innych,
- własności elektryczne - stała dielektryczna, oporność właściwa, wytrzymałość na przebicie,
- własności użytkowe - odporność na ścieranie, opory tarcia,
- własności technologiczne - łatwość kształtowania.
Szczelność połączenia spoczynkowego z uszczelką płaską uzyskuje się przez
wypełnienie materiałem uszczelki wszystkich mikro- i makronierówności powierzchni
łączonych elementów. Mikronierówności to efekty obróbki powierzchniowej,
makronierówności to falistość i wichrowatość kołnierzy. Uszczelka powinna być ściśnięta z
siłą, która powoduje jej odkształcenie i wypełnienie nierówności powierzchni uszczelnianych
(rys.2). Przy projektowaniu uszczelnienia należy określić minimalne naciski stykowe q kmin ,
przy których zachodzi szczelność połączenia.
Tabela 1 Minimalny nacisk powierzchniowy dla różnych materiałów
Uszczelka
Guma
Guma wzmacniana tkaniną
Korek
Azbest
Tworzywa sztuczne
Ołów
Aluminium
Miedź
Stal miękka
Stal nierdzewna
Minimalny nacisk stykowy [MPa]
0.8 – 1.5
2.8
3.8
11 – 46 *
10 – 45 *
50 – 80 *
100 – 140 *
250 – 310 *
380 – 480 *
500 – 650 *
* w zależności od grubości
Zabudowa uszczelek płaskich w połączeniach kołnierzowych może być wykonana w
następujących wariantach konstrukcyjnych;
- zabudowa otwarta gładka (Rys. 3a) - jest to rozwiązanie często stosowane, łatwe do
wykonania i nie wymagające specjalnego centrowania łączonych elementów;
stosowane przy ciśnieniach do 2,5 MPa w przypadku uszczelek miękkich oraz 4,0
MPa przy uszczelkach metalowych lub z masy azbestowo-kauczukowej,
- zabudowa otwarta rowkowa (Rys. 3b)- w tym rozwiązaniu powierzchnie uszczelniane
mają współśrodkowe rowki, w które wciska się uszczelka, zwiększając szczelność
połączenia,
- zabudowa półotwarta (Rys. 3c)- w tym rozwiązaniu dzięki zmniejszeniu powierzchni
przylegania uzyskuje się zwiększenie nacisku uszczelniającego; występy w chronią
uszczelkę przed wypchnięciem oraz umożliwiają wzajemne środkowanie złącza;
rozwiązanie to stosuje się przy ciśnieniach pn ≤ 10 MPa,
- zabudowa zamknięta (Rys. 3d)- rozwiązanie to stosowane jest przy wysokich
ciśnieniach czynnika (pn > 10 MPa).
a
b
c
d
Rys. 3 Rodzaje połączeń kołnierzowych
Przebieg ćwiczenia
W ramach ćwiczenia należy przebadać zachowanie się uszczelek płaskich
wykonanych z różnych materiałów pod wpływem obciążenia ściskającego wywołanego przez
powierzchnie uszczelniane. Badaniu podlegają uszczelki płaskie o średnicy nominalnej 150
mm (dw=169mm, dz=209mm). Uszczelki umieszczane są na stanowisku badawczym i
obciążane poprzez dokręcanie śrub połączenia kołnierzowego. W trakcie badania wykonuje
się pomiary grubości uszczelki przed i po badaniu oraz rejestruje się wartość przemieszczenia
powierzchni uszczelnianych.
Rys. 4 Stanowisko do badań uszczelek płaskich
Stanowisko badawcze składa się z usytuowanego na stoliku połączenia kołnierzowego
o średnicy nominalnej 150mm. Docisk w przypadku tego połączenia realizowany jest przy
pomocy 8 śrub M16. W trakcie badania uszczelką umieszcza się pomiędzy powierzchniami
połączenia i dociska się poprzez dokręcanie śrub. Śruby dokręcane są momentem M=110Nm
przy wykorzystaniu klucza dynamometrycznego. Ze względu na odsadzenie kołnierza docisk
uszczelki realizowany jest na pierścieniu o dw=169mm i dz=202mm.
Wartość docisku można wyznaczyć na podstawie uproszczonej zależności pomiędzy
wartością siły powstającej w śrubie a momentem dokręcania śruby:
M
F
0.2 Dr
gdzie: M jest momentem dokręcenia śruby [Nm], Dr – średnicą śruby.
Pomiaru grubości uszczelki dokonuje się przy pomocy mikrometru o zakresie
pomiarowym 0-10 mm, zaś rejestracji przemieszczeń powierzchni uszczelnianych poprzez
pomiar odległości powierzchni kołnierza przed i po dokręceniu śrub. Do tych pomiarów
wykorzystywany jest mikrometr o zakresie pomiaru 25-50mm. Oba wspomniane mikrometry
maja dokładność pomiarową 0.01mm. Pomiary należy wykonać w czterech miejscach na
obwodzie a następnie uzyskane wartości uśrednić.
W trakcie ćwiczenia należy zaobserwować stan uszczelki po badaniu (odkształcenia trwałe,
uszkodzenia, rozwarstwienia itd.)
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
1. Opis ćwiczenia i stanowiska badawczego
2. Opis badanej uszczelki
3. Wyniki pomiarów
4. Opis stanu uszczelki po badaniu
5. Wyznaczoną wartość nacisku stykowego