USZCZELNIENIA CZOŁOWE W POMPACH GÓRNICZYCH

1-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 55 Kazimierz GOLEC Zakład Mechaniki Przemysłowej ZAMEP, Gliwice Józef KOŁODZIEJ, Stanisław KRAWCZYK, Andrzej SKORUPA Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków USZCZELNIENIA CZOŁOWE W POMPACH GÓRNICZYCH Słowa kluczowe Pompy górnicze, uszczelniania czołowe, zużycie, siły i moment tarcia. Streszczenie W artykule przedstawiono nowe rozwiązanie konstrukcyjne uszczelnienia czołowego przeznaczonego do pomp stosowanych w górnictwie. Zaprezentowano stanowisko do wstępnego docierania pakietu uszczelniającego przed montażem. Na podstawie badań docierania stwierdzono, że niezależnie od materiałów uzyskanie wymaganej szczelności jest możliwe po okresie od 80 do 120 minut. Badania wykazały, że pierścienie z węglików spiekanych gatunku H10 i G40 wykazują bardzo dobrą współpracę, mały moment tarcia oraz najmniejsze zużycie. Podobne efekty uzyskano we współpracy pierścienia z grafitu G1 ze stalą 4H13. Natomiast we współpracy z tą stalą zużycie pierścienia z grafitu G2 było największe. Największy moment tarcia stwierdzono podczas współpracy pierścieni z węglika H10 z brązem napawanym. Wprowadzenie Stosowane powszechnie w górnictwie do pompowania wód kopalnianych pompy wirnikowe zarówno średnio-, jak i wysokociśnieniowe posiadają

56 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2006 uszczelnienia dławnicowe, które co prawda charakteryzują się prostą budową, ale równocześnie mają też kilka wad, które w sposób istotny zwiększają koszy ich eksploatacji [7], a mianowicie: utrzymanie wymaganej szczelności, zwłaszcza po stronie tłocznej, wymaga stałego ich nadzoru (monitorowania) i w razie stwierdzenia nadmiernego przecieku odpowiedniej regulacji. Wymóg ten obecnie jest trudny do spełnienia, gdyż w wyniku restrukturyzacji zatrudnienia w kopalniach zmniejsza się ilość załóg remontowych i utrzymania ruchu, co powoduje ciągłe pogarszanie się warunków eksploatacyjnych pomp z uszczelnieniem dławnicowym, uszczelnienie dławnicowe powoduje szybkie zużywanie się wału wirnika w miejscu uszczelnienia, co w konsekwencji nie pozwala na utrzymanie jego szczelności na drodze regulacji i wymaga przeprowadzenia (w wyspecjalizowanym zakładzie) kosztownego remontu pompy, polegającego na wymianie zużytego wału wirnika. W tej sytuacji zastosowanie w pompach górniczych uszczelnień czołowych w miejsce dławnicowych jest rozwiązaniem szczególnie korzystnym zarówno z punktu widzenia kosztów (tj. bezobsługowej eksploatacji), jak i zwiększenia ich sprawności mechanicznej [4]. Dlatego też w Zakładzie Mechaniki Przemysłowej w Gliwicach we współpracy z Katedrą Wytrzymałości i Technologii Maszyn Akademii Górniczo- -Hutniczej w Krakowie opracowano oryginalną konstrukcję uszczelnień czołowych odciążonych dla szeroko stosowanych w górnictwie pomp średniociśnieniowych typu OS-Z [3]. Główne zespoły i elementy zaprojektowanego uszczelnienia przedstawiono poniżej na rysunku 1. Ważną cechą opracowanego roz- Rys. 1. Schemat uszczelnienia czołowego odciążonego dla pomp średniociśnieniowych typu OS Z: 1 wał wirnika, 2 tuleja montażowa, 3, 7 tuleja i pierścień uszczelniający stały, 4 obudowa pierścienia stałego, 9, 8 tuleja przesuwna i pierścień uszczelniający obrotowy, 13 sprężyna dociskowa centralna, 5, 6, 10, 11, 12 oringi, 14 tuleja dystansowa, 15 korpus pompy (strona tłoczna)

1-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 57 wiązania uszczelnienia czołowego jest prosta i zwarta budowa w postaci kompletnego zespołu wymiennego oraz możliwość jego zastosowania w dotychczas wyprodukowanych pompach w miejsce uszczelnienia dławnicowego, bez konieczności wykonywania istotnych zmian w ich konstrukcji. Ponadto konstrukcja uszczelnienia w przypadku nadmiernego zużycia lub uszkodzenia pierścieni pozwala na jego łatwą i szybką wymianę bezpośrednio na stanowisku pracy pompy. Prototypy zaprojektowanych uszczelnień poddano badaniom laboratoryjnym na specjalnie do tego celu przystosowanym stanowisku badawczo- -pomiarowym. Obecnie prowadzone są badania eksploatacyjne w celu ostatecznej oceny przydatności proponowanego rozwiązania. 1. Cel i zakres badań Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie poprawności działania zaprojektowanych prototypów uszczelnień czołowych oraz dobór najkorzystniejszych materiałów na pierścienie uszczelniające, pozwalających na uzyskanie jak najlepszych warunków ich współpracy. Oceny przydatności różnych materiałów, z których wykonano pierścienie uszczelniające dokonano na podstawie pomiarów: momentu sił tarcia pomiędzy obracającym się pierścieniem ruchomym a pierścieniem stałym, temperatury masowej w węźle tarcia, pomiarów zużycia liniowego pierścienia stałego oraz występujących w trakcie prób przecieków. 2. Materiały pierścieni uszczelniających wytypowanych do badań Powszechnie stosowanym materiałem na pierścienie uszczelnienia czołowego jest grafit lub węgiel grafityzowany współpracujący ze stalowym pierścieniem. To skojarzenie tribologiczne jest efektywne przy pompowaniu cieczy niezanieczyszczonych produktami stałymi. Pompy pracujące w górnictwie z reguły pompują ciecze o dużym zasoleniu i silnie zanieczyszczone cząsteczkami stałymi pochodzenia mineralnego, dlatego pierścienie uszczelniające zwłaszcza po stronie tłoczonej powinny charakteryzować się bardzo dużą odpornością na zużycie ścierne. Do badań wytypowano obok pierścieni grafitowych, oznaczonych umownie G1 i G2, z tworzywa GSŁ o twardości wg Shorea D odpowiednio 60 oraz 43 jednostki, pierścienie ze stali 4H13 w stanie ulepszonym cieplnie do twardości ok. 58HRC. Badano również współpracę pierścieni z węglików spiekanych gatunku H10 i G40 oraz napawane brązem CuSn6 metodą MIG wg technologii opracowanej w Katedrze Wytrzymałości i Technologii Maszyn AGH [6]. Ze względu na wymagania kształtowo-wymiarowe wszystkie pierścienie były poddane odpowiedniej obróbce mechanicznej, pozwalającej na uzyskanie

58 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2006 wymaganej płaskości współpracujących powierzchni. Największe problemy pojawiły się przy obróbce pierścieni z węglików, ponieważ po szlifowaniu ściernicami diamentowymi nie uzyskano wymaganej ich płaskości. Dlatego poddano je kolejnej operacji docierania na płaskiej żeliwnej płycie z użyciem drobnoziarnistego proszku z węglika krzemu. 3. Stanowisko do badań i wstępnego docierania pierścieni uszczelniających Badania przeprowadzono na specjalnie do tego celu zbudowanym stanowisku badawczym (rys. 2) wyposażonym w urządzenia pozwalające na: zmianę wartości nacisków statycznych w węźle tarcia w zakresie od 0 1500 N, stopniową zmianę prędkości obrotowej ruchomego pierścienia uszczelniającego w zakresie 500 1800 obr/min oraz aparaturę do pomiaru i rejestracji sił tarcia i średniej temperatury masowej w węźle tarcia. Siły tarcia mierzono za pomocą czujnika tensometrycznego typu CSR produkcji Przedsiębiorstwa Zagranicznego SEBA, który poprzez mikroprocesorowy system sterowania i pomiarów, pozwalał na archiwizowanie wartości mierzonej siły na twardym dysku komputera klasy PC. Temperatura masowa węzła tarcia mierzona termoelektrycznym czujnikiem temperatury NiCr-NiAl typu PT11, produkcji Zakładu Urządzeń Elektrycznych CZAKI była również okresowo rejestrowana na dysku komputera. Pierścień obrotowy uszczelnienia czołowego obciążano siłą statyczną, pochodzącą od centralnej sprężyny śrubowej. Badane uszczelnienia pracowały pod stałym ciśnieniem, wody wynoszącym 0,6 MPa. Rys. 2. Widok stanowiska do badań i wstępnego docierania pierścieni uszczelniających: 1 wiertarka stołowa WS-15, 2 zasilanie z sieci wodociągowej, 3 dźwignia obciążenia, 4 sprężyna dociskowa, 5 tuleja przesuwna z pierścieniem obrotowym, 6 oprawa pierścienia stałego, 7 czujnik temperatury, 8 czujnik tensometryczny do pomiaru momentu tarcia, 9 komputer klasy PC, 10 mikroprocesorowy sterownik tribologiczny

1-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 59 4. Metodyka i wyniki badań Pierścienie uszczelniające wykonane z różnych materiałów w trakcie badań pracowały w następujących skojarzeniach: pierścień obrotowy ze stali 4H13 ulepszonej cieplnie współpracował z pierścieniem stałym z grafitu G1 i G2 oraz z brązem napawanym CuSn6. Natomiast pierścień obrotowy z węglika w gatunku H10 współpracował z pierścieniem stałym z węglika G40 oraz z grafitu G1 i z pierścieniem napawanym brązem CuSn6. Badania dla tych skojarzeń przeprowadzono przy ustalonym nacisku statycznym wynoszącym ok. 1110 N i prędkości obrotowej jednego z pierścieni wynoszącej 1800 obr/min, co odpowiadało liniowej prędkości w węźle tarcia pomiędzy pierścieniami równej 6,5 m/s. Cykl badań każdej pary pierścieni polegał na tym, że po 10 minutach próby zapisywano na twardym dysku komputera zarówno przebiegi chwilowych wartości siły tarcia, jak i wartości temperatury masowej w węźle tarcia. Po 10 takich przebiegach próbę przerywano i na optimetrze pionowym firmy Zeiss o wartości działki elementarnej We = 0,001 mm dokonywano pomiaru zużycia liniowego stałego pierścienia uszczelniającego. Pomiary wykonywano w czterech punktach symetrycznie rozłożonych na obwodzie pierścienia, ponieważ pierścienie na skutek błędów kształtu, montażu i niejednorodności materiału zwykle zużywały się dość nierównomiernie. Szacowanie niepewności pomiarów typu A wykonano wg zaleceń ISO [1]. Wyznaczone przedziały ufności momentu tarcia, za względu na dużą ilość powtórzeń mieściły się w granicach wartości średniej badanego skojarzenia rozszerzonej o zmienność przebiegów w przedziale od ± 0,04 do ± 0,099 Nm (rys. 4). Niepewność pomiaru temperatury masowej, która odzwierciedla proces zamiany pracy tarcia na ciepło była związana z torem pomiarowym i mieściła się w granicach 12%. Natomiast wyniki pomiarów zużycia liniowego pierścienia stałego w związku z zastosowaniem układu pomiarowego wysokiej klasy obarczone są błędem granicznym rzędu 0,001 mm. Opracowane i wybrane ze względu na ograniczoną objętość referatu wyniki pomiarów przedstawiono poniżej w postaci wykresów. 5. Omówienie wyników badań Na podstawie wykresu przedstawionego na rysunku 3 łatwo zauważyć, że w przypadku większości badanych skojarzeń pierścieni uszczelniających w początkowym okresie współpracy występuje zwiększony moment tarcia, który w miarę postępującego docierania maleje, osiągając po drodze tarcia 25 35 km ustabilizowaną, chociaż różną wartość w zależności od rodzaju i własności materiałów współpracujących pierścieni. Najmniejszy moment tarcia, najniższą temperaturę i najmniejsze zużycie stwierdzono w przypadku współpracy pierścieni z węglików spiekanych H10 i G40 oraz grafitu G1 ze stalą 4H13

60 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2006 (rys. 4, 5, 6). Największy moment tarcia wykazuje skojarzenie węglika H10 z brązem napawanym (rys. 3), a największe zużycie występuje przy współpracy pierścienia z miękkiego grafitu G2 ze stalą 4H13 (rys. 6). Natomiast brąz napawany przy współpracy z węglikiem H10, pomimo stosunkowo wysokiego momentu tarcia, wykazuje umiarkowane zużycie (rys. 4, 6). Moment tarcia Mt [Nm] 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Droga tarcia [km] Braz CuSn6-4H13 Braz CuSn6 - H10 G1-4H13 G40 - H10 G2-4H13 Rys. 3. Przebieg zmian średnich wartości momentu tarcia w zależności od drogi tarcia dla badanych skojarzeń materiałowych pierścieni uszczelniających 1,4 Braz CuSn6 - H10 1,2 ± 0,04 Braz CuSn6-4H13 G2-4H13 Średni moment tarcia [Nm] 1 0,8 0,6 0,4 ± 0,056 ± 0,099 G40 - H10 G1-4H13 ± 0,06 ± 0,06 0,2 0 Badane skojarzenia Rys. 4. Średnie wartości momentu tarcia po okresie docierania, tj. 90 120 minut dla badanych materiałów pierścieni uszczelniających

1-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 61 Temperatura [ 0 C] 70 60 50 40 30 20 G2-4H13 Braz CuSn6-4H13 G1-4H13 G40 - H10 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Droga tarcia [km] Rys. 5. Średnie wartości temperatury w węźle tarcia w funkcji drogi tarcia dla badanych skojarzeń materiałowych pierścieni uszczelniających 180 160 Zużycie [um]. 140 120 100 80 60 G2-4H13 G1-4H13 Brąz CuSn6-4H13 G40 - H10 40 20 0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Droga tarcia [km] Rys. 6. Średnie wartości zużycia pierścieni stałych w różnych skojarzeniach materiałowych w funkcji drogi tarcia mierzone po okresie ich dotarcia 6. Wnioski Na podstawie analizy wyników badań stwierdzono, że: Średni okres dotarcia badanych zestawów pierścieni uszczelniających w zależności od skojarzenia materiałów wynosi 90 120 minut (rys. 3). Cechą charakterystyczną osiągnięcia stanu dotarcia jest minimalny przeciek na uszczelnieniu oraz ustabilizowanie się zarówno momentu tarcia, jak

62 PROBLEMY EKSPLOATACJI 1-2006 i temperatury w węźle tarcia w przybliżeniu na stałym poziomie, ale różnym dla badanych skojarzeń (rys. 3 i 5). Średnie wartości momentu tarcia po okresie dotarcia zależą w sposób istotny od rodzaju materiałów współpracujących pierścieni i są najmniejsze dla skojarzenia węglik spiekany H10 i G40, a największe dla węglika H10 z napawanym brązem CuSn6 (rys. 4). Średnie wartości temperatury w węźle tarcia po okresie dotarcia również zależą od rodzaju materiałów współpracujących pierścieni i są najmniejsze dla skojarzenia węglik spiekany H10 i G40, a największe dla pierścienia ze stali 4H13 współpracującego z grafitem G2 i napawanym brązem CuSn6 (rys. 5). Najmniejsze zużycie pierścieni uszczelniających stwierdzono w przypadku zestawu wykonanego z węglików spiekanych gatunek H10 i G40. Należy podkreślić, że dla tych materiałów zarejestrowano również w trakcie badań najmniejszy średni moment tarcia i najniższą temperaturę, a największe zużycie pierścienia z grafitu G2 przy jego współpracy z pierścieniem ze stali 4H13 (rys. 6). Bibliografia 1. Jakubiec W., Malinowski J.: Metrologia wielkości geometrycznych. WNT, Warszawa 2004. 2. Gawliński M.: Lokalne warunki styku a opory tarcia pierścieni uszczelniających. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004. 3. Katalog Zakładów Mechaniki Przemysłowej ZAMEP. Gliwice 2002. 4. Machowski B., Ochoński W., Czachórska E.: Uszczelnienia. Warszawa, PWN 1991. 5. Mayer W.: Uszczelnienia czołowe. WNT, Warszawa 1965. 6. Skorupa A., Haduch J.: Twardość warstw napawanych z brązu. Przegląd Spawalnictwa 8 10/2002. 7. Wilk S.: Górnicze pompy wirowe. ŚWT, Katowice 1994. Recenzent: Stanisław PYTKO Axial sealings of mining pumps Summary In the paper solution of axial sealing is presented. Before the final assembly the sealing set was initially lapped. As it was shown lapping from 90 till 120 minutes gives very good performance of sealings. Rings made of sinterized carbides H10 and G40 give small coefficients of friction and best wear resistance. Also G1 graphiteand 4H13 steel gives similar results. Highest friction momentum gives H10 carbide and the brazed weld layer.5