Технология создания сложного пространственного профиля газодинамических канавок на рабочих поверхностях колец торцовых уплотнений

УДК 62-762.6:62-233

(ИМАШ РАН, г. Москва)

Технология создания сложного пространственного профиля газодинамических канавок на рабочих поверхностях колец торцовых уплотнений

Аннотация. В работе рассмотрена технология вакуумного ионно-плазменного травления газодинамических канавок на поверхности колец торцовых уплотнений. Теоретически рассчитаны профили канавок для некоторых типовых законов изменения угловой скорости экранирующей маски. Показана возможность получения дна газодинамических канавок с наклоном в радиальном и тангенциальном направлениях.

Ключевые слова. Торцовые уплотнения, газодинамические канавки, ионное травление

Во всем мире «сухие» газовые уплотнения в силу своих преимуществ устанавливаются на 95% новых компрессоров различного назначения. В простейшем случае, один из элементов сухого уплотнения, а именно, кольцо из высокотвердого материала, имеет на свой рабочей торцевой поверхности профилированные канавки глубиной порядка 10 мкм. Форма в плане канавок чрезвычайно разнообразна. Наиболее применяемые в настоящее время канавки: спиральные, шевронные, прямоугольные и в виде «елочки». В поперечном сечении форма канавки имеет П-образную форму, при этом глубина всех канавок, а так же глуб­ина каждой канавки в любом, произвольно взятом сечении должна быть выполнена с точностью 5 – 10% от номинального значения глубины. Геометрические размеры и форма канавок в плане, а также их поло­жение на поверхности изделия рассчитываются конструктором из условия обеспечения требуемой несущей способности [1, 2].

Профилированные канавки работают на эффекте использования вязких свойств газа. При пуске и остановке газовая смазка отсутствует и уплотнение работает в режиме сухого трения. Эффективным способом обеспечения требуемого ресурса работы уплотнительного узла, помимо применения качественных материалов, является оптимизация профиля газодинамической канавки. Создание уклона дна канавки приводит к значительному повышению жесткости несущего газового слоя и, следовательно, к уменьшению вероятности кратковременных касаний в аварийной ситуации и снижению времени контактного взаимодействия в периоды пуска и остановки [3].

Учитывая, что применяемые для газодинамических "сухих" уплотнений материалы (различные керамики в виде компактных изделий или в виде покрытий, твердые сплавы, быстрорежущ­ие стали) обладают повышенной твердостью и стойкостью к агрессивным средам, механические и химические способы формирования канавок с заданной конфигурацией малоэффективны. Ионное и плазменное травление поверхно­стей посредством бомбардировки их высокоэнергетичными ионами через окна в металлической тонколистовой маске (шаблоне), накладываемой предварительно на обрабатываемую поверхность, является, по существу, единственно приемлемым спосо­бом обработки [4]. Маска имеет прорези (окна) требуемой конфигура­ции. Через эти прорези и ведется травление обрабатываемой поверхно­сти изделия в течение определенного времени. Возможны различные способы изготовления масок, к числу которых следует отнести лазерную резку, электроэрозионную обработку, механическую обработку (фрезерование), химическое травление и ряд других спо­собов.

В данной работе предлагается технология получения газодинамических канавок сложного профиля, основанная на применении техники ионно-плазменного травления твердых тел и механизма экранирования области обработки [5]. Теоретически рассчитаны профили канавок для некоторых типовых законов изменения угловой скорости экранирующей маски. Показана возможность получения дна газодинамических канавок с наклоном в радиальном и тангенциальном направлениях с различной степенью уклона.

Для создания наклона дна канавок по ширине (в тангенциальном направлении) и по длине канавки (в радиальном направлении) на поверхности кольца предлагается использование совместно с традиционной маской, применяемой для получения газодинамических канавок с одинаковой глубиной по длине и ширине канавки, дополнительного маскирующего шаблона (маски-шторки), который имеет окна, определенной формы. В процессе ионной обработки маска-шторка совершает возвратно-вращательное движение на некоторый угол g относительно оси кольца. Размеры и форма в плане окон в маске шторки могут быть различными в общем случае. Для получения спиральных газодинамических канавок возможно применение окон в маске-шторке с очертаниями краев как совпадающими с очертаниями края окна в традиционной маске, так и не совпадающими (рис. 1). В последнем случае возможно использование окна, очертания краев которого выполнены по прямой линии (см. рис. 1б).

Геометрия окон в традиционной маске обеспечивает получение заданного конструктором профиля канавки в плане. Наклон дна канавок обеспечивается формой окон и скоростью движения маски-шторки. По первому варианту (см. рис. 1а) возможно получение наклона канавки в тангенциальном направлении, то есть по ширине канавки. По второму варианту (см. рис. 1б) возможно получение наклона канавки, как по ширине, так и по длине канавки.

В течение одного колебательного движения маски-шторки происходит открытие окна в стандартной маске и затем окно вновь перекрывается маской-шторкой. За время открытия окна идет обработка поверхности кольца. Принимая плотность ионного потока и, следовательно, скорость травления равномерной по всей поверхности обрабатываемого кольца, обработка любой точки обрабатываемой поверхности в зоне окна традиционной маски зависит от скорости перемещения маски-шторки (угловой скорости) и формы (очертания) края маски-шторки, набегающего и перекрывающего материал в окне.

Какой бы не была форма (очертание) края маски-шторки, можно показать, что интенсивность травления одного и того же материала является функцией обратной угловой скорости вращения маски-шторки.

Не вдаваясь вопросом о конструкции механизма или привода, обеспечивающего возвратно-вращательное перемещение маски-шторки относительно оси вращения обрабатываемого кольца, рассмотрим возможные варианты поперечного сечения канавок, получаемые с помощью данной техники. Для этого проанализируем различные законы углового перемещения маски-шторки. Кинематический вариант такого механизма может быть представлен в виде звена-водилы, шарнирно закрепленного в центре кольца, и получающего угловое перемещение с некоторой скоростью. В начальный момент движения и в момент полного перекрытия окна маской-шторкой угловая скорость звена-водилы равна нулю. Затем движение звена-водилы вновь возобновляется, но в противоположную сторону.

Рассмотрим и проанализируем следующие законы движения звена-водилы: 1. движение с равномерной угловой скоростью (идеализированный случай), 2. угловая скорость движения отвечает синусоидальному закону, 3. угловая скорость движения отвечает эллиптическому закону и 4. угловая скорость движения отвечает закону овала Кассини. Будем рассматривать первый этап колебательного движения звена-водилы, заключающийся в перемещении маски-шторки в одном направлении. В результате этого периода происходит открытие ранее закрытой маской-шторкой обрабатываемой поверхности, которая подвергается обработке заряженными частицами.

Вариант равномерного перемещения маски-шторки над окном в традиционной маске рассматривается как идеализированный случай движения, так как при технической реализации он имеет большой недостаток - в конце хода имеет место жесткий удар, и, следовательно, пригоден только для тихоходных механизмов. Такой вид движения маски-шторки труднореализуем в рассматриваемой в данной работе технике получения газодинамических канавок, однако по отношению к этому варианту удобно рассматривать возможные варианты скорости перемещения шторки и формы края шторки.

Из анализа угловых перемещений (рис. 2) наглядно видно, что меняя законы угловой скорости движения звена-водилы можно в широком диапазоне варьировать формой графиков, описывающих изменение угловых перемещений. Наибольшее совпадение с графиком изменения углового перемещения при равномерной во времени угловой скорости движения дают законы движения звена-водилы, при угловых скоростях, описываемых законом овала Кассини. Но если при использовании движения, обеспечивающего равномерную угловую скорость неизбежно в реальном механизме возникновение динамических нагрузок (ударов), то при исследованных выше законах изменения угловой скорости перемещения звена-водилы такие воздействия отсутствуют.

Покажем, что кривые, описывающие изменение углового перемещения маски-шторки от времени характеризуют профиль канавки (глубину травления).

Из рассмотрения физики процесса распыления твердых веществ потоком заряженных частиц (ионов инертного газа), можно заключить, что интенсивность травления материала прямо пропорциональна времени экспозиции обрабатываемой области и природой материала. Для одного и того же материала глубина травления определяется временем экспозиции. Интенсивность травления единичного участка поверхности является обратной величиной угловой скорости перемещения маски-шторки. В зависимости от формы края маски шторки и скорости перемещения ее над окном в традиционной маске глубина травления в различных местах окна будет различной.

В работе были рассмотрены два варианта получения наклонного дна газодинамической канавки. В первом случае получают газодинамические канавки с изменяющейся глубиной канавки по ширине (изменение дна канавки в тангенциальном направлении). Такой вариант может быть реализован, если маска-шторка имеет окна, у которых очертание края окна точно повторяет очертания профиля газодинамической канавки в плане (см. рис.1а). Во втором случае получают газодинамические канавки с изменяющейся глубиной канавки по ширине и длине канавки (в радиальном направлении). Такой вариант может быть реализован, если маска-шторка имеет окна, у которых очертание края окна отличается от очертания профиля газодинамической канавки в плане (см. рис. 1б). В частности контур края окна маски-шторки представляет собой прямую линию, соединяющую внутреннюю угловую точку одного окна и внешнюю угловую точку предыдущего окна.

Наиболее эффективны по обеспечению несущей способности газового слоя являются газодинамические канавки с изменяющейся глубиной канавки по ширине и длине канавки.

В работе были рассчитаны формы дна канавки на любом радиусе для принятых в данной работе законов движения маски-шторки. В качестве примера на рис. 3 и рис. 4 приведены формы дна канавки для случай движения маски-шторки по синусоидальному закону.

Глубина травления в любой точке открытой поверхности в окне традиционной маске (то есть в области открытой поверхности кольца) зависит от угла открытия маски - шторки и радиуса, на котором располагается данная точка.

Изменение глубины травления вдоль левой и правой стенок канавок для типового кольца

диаметром 186 мм представлены на рис. 3.

График изменения глубины травления по ширине канавки на некотором промежуточном (Ri) радиусе, а также на характерных внутреннем (Rн) и наружнем (Rвн) радиусах представлен на рис. 4.

Выводы: Для технически реализуемой в практике технологии получения газодинамических канавок, основанной на применении ионно-плазменного травления при экранировании области обработки: 1. Теоретически рассчитаны профили канавок для некоторых типовых законов изменения угловой скорости экранирующей маски. 2. Показана возможность получения дна газодинамических канавок с наклоном в радиальном и тангенциальном направлениях с различной степенью уклона.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки, Госконтракт г.

Литература

1.  Степовиков действия, технологические стандарты и требования к проектированию и эксплуатации систем сухих газовых уплотнений. Нефтегазовое дело, 2005, №2, с. 1-20.

2.  http://modecom. narod. ru. Сухие газодинамические уплотнения. ЗАО “НТПБ ”Модеком”)

3.  www. . Проспект фирмы Burgmann. Dry Gas Seals. Burgmann Dichtungswerke GmbH&Co RS.

4.  Воронин ионно-плазменной обработки для снижения трения и повышения износостойкости различных изделий машиностроения. Методы упрочнения поверхностей деталей машин. Под ред. . М, КРАСАНД, 2008, с. 67-90.

5.  Патент РФ № 000. Способ получения газодинамических канавок и устройство для его осуществления. Авт. , Козиков от 01.01.01г. Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 20.06.2011 г.

Автор. , д. т.н., заведующий лабораторией Отдела Трибологии ФГБУ науки Института машиноведения им. РАН (ИМАШ РАН).

Россия, Москва, 101990, Малый Харитоньевский пер, д.4

Раб.

E-mail: *****@***ru

Dr. Sci. N. A. Voronin

A. A. Blagonravov Institute of Machine Science

Russian Academy of Sciences, Mal. Kharitonevskii per. 4

Moscow 101990, Russian Federation

Drpartment of Tribology

Tel. [phone]

E-mail: *****@***ru

N. A. Voronin

The technology of forming a complex spatial profile of the gas-dynamic grooves on the working surfaces of the face seal rings

Abstract. In the paper the technology of vacuum ion-plasma etching gas-dynamic grooves on the surface of the ring face seals is illustrated. Profiles of the grooves for certain generic laws of angular velocity shielding mask are calculated theoretically. The possibility of obtaining a inclined bottom of the gas-dynamic grooves in the radial and tangential directions is demonstrated.

Keywords. Mechanical seals, gasdynamic grooves, ion etching