背葉片與油封的組合密封特性分析

1、背葉片與油封的組合密封特性分析孔繁德(黑龍江科技學(xué)院,哈爾濱150027摘要:將背葉片密封與油封組合在一起作為雜質(zhì)泵密封,可使兩者發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。組合密封既可發(fā)揮背葉片平衡葉輪軸向力,并形成反壓力來(lái)降低軸封處的壓力,又能發(fā)揮油封密封消耗能量少且在變工況時(shí)密封性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)分析,這是一種具有發(fā)展前途和推廣價(jià)值的軸封形式。關(guān)鍵詞:背葉片密封;油封;組合密封中圖分類號(hào):TH137.51文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):100320794(20070520054203Analysis on Combinatory Seal of B ack B lade and OiltightK ONG F an-de(

2、Heilongjiang Institute of Science and T echnology,Harbin150027,ChinaAbstract:Back blade seal and oiltight are fitted together as im purity pum p seal,which can exert both of their predominance.On the one hand combined seal will exert back blade counterpoise im peller force and form counter pressure,

3、on the other hand,it consumes little and remains steady when the w orking condition changed.With analysis,this is a developable and extendable airproof form.K ey w ords:back blade seal;oiltight;combinatory seal0前言隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)密封的要求越來(lái)越高,單一的一種密封有時(shí)難以滿足苛刻的工況條件,將幾種密封組合起來(lái),利用其各自優(yōu)勢(shì),使其充分發(fā)揮作用,已成為密封行業(yè)目前廣泛應(yīng)用的技術(shù)

4、。1背葉片-油封組合密封原理1.1背葉片的使用背葉片是指在葉片后蓋板上沿徑線或后彎方向所作的幾個(gè)葉片,葉片數(shù)z=410片,葉片厚度t= 510mm。背葉片與泵殼后壁的間隙大小對(duì)性能影響很大,理論上該間隙越小越好,但若間隙過(guò)小,泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)背葉片易引起摩擦發(fā)熱而損壞零件,故一般取=0.33mm。背葉片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。背葉片的使用可防止雜質(zhì)進(jìn)入軸封,故在雜質(zhì)泵上得到廣泛的應(yīng)用。背葉片的使用還可以平衡部分軸向力,減小軸封前液體的壓力。2結(jié)語(yǔ)基于Simulink的仿真方法不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié),而且能夠讓用戶清晰地了解各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換,仿真結(jié)果也能直觀顯示。但是必須先建立機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

5、,并編寫(xiě)M AT LAB的函數(shù)文件(程序嵌入到Simulink仿真中,這就要求技術(shù)人員掌握較多的編程知識(shí)?；赟im Mechanics的仿真方法,與完全通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)或基于Simulink的仿真相比,最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需建立機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和編程,具有系統(tǒng)建模方便直觀、仿真功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。它大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作,使機(jī)構(gòu)學(xué)研究人員可以方便地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,仿真結(jié)果的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)顯示,更有利于對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的理解,并能和虛擬現(xiàn)實(shí)工具相結(jié)合,得到更具真實(shí)感的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景?？傊?機(jī)構(gòu)仿真是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要方法,特別是對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng),這一方法更加顯示出其優(yōu)越性,而M AT LAB可很好地對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析,

6、為機(jī)械系統(tǒng)的建模仿真提供一個(gè)強(qiáng)大而方便的工具。參考文獻(xiàn):1譚兆衡.國(guó)內(nèi)篩分設(shè)備的現(xiàn)狀和展望J.礦山機(jī)械,2004(1:34-37.2薛定宇,陳陽(yáng)泉.基于M AT LABS imulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,2002.3阮靜.基于S olidW orks的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)D.西安:西安理工大學(xué),2004.4王芳,張海燕.基于S imulink的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真J.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2004,20(2:35-37.5李燕.在M AT LAB環(huán)境下開(kāi)發(fā)平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)J.機(jī)械研究與應(yīng)用,2002,1(4:7-8.6曲秀全,鐘詩(shī)勝,戴恒震.RRR-RRR

7、六桿機(jī)構(gòu)的M AT LAB動(dòng)力學(xué)求解J.機(jī)械設(shè)計(jì),2004,21(1:56-58.作者簡(jiǎn)介:徐梓斌(1968-,浙江建德人,碩士,副教授,主要研究方向:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD,電話:0571-*,電子信箱:xu zibin.收稿日期:2007201223第28卷第5期2007年5月煤礦機(jī)械C oal Mine MachineryV ol128N o15M ay.2007 圖1背葉片結(jié)構(gòu)1.2油封的使用油封與其他唇形密封不同之處在于具有回彈能力更大的唇部,密封接觸面寬度很窄(約為015mm 且接觸應(yīng)力的分布圖形呈尖角形。圖2為油封的典型結(jié)構(gòu)及唇口接觸應(yīng)力示意圖。油封的截面形狀及箍緊彈簧,使唇

8、口對(duì)軸具有較好的追隨補(bǔ)償性。因此油 封能以較小的唇口徑向力獲得良好的密封效果。圖2油封結(jié)構(gòu)及唇口接觸應(yīng)力11唇口21冠部31彈簧41骨架51底部61腰部 71副唇1.3密封工作原理圖3所示為一雜質(zhì)泵的背葉與油封密封結(jié)構(gòu)示意圖,該密封結(jié)構(gòu)主要由背葉的動(dòng)力密封作為主密封與油封的靜態(tài)密封作為輔密封組成,在正常工作狀態(tài)下,主密封的作用是借助背葉片跟隨葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的負(fù)壓來(lái)中和介質(zhì)產(chǎn)生的壓力(背葉片產(chǎn)生的負(fù)壓略微大于介質(zhì)產(chǎn)生的壓力,在背葉片起主密封作用時(shí)油封在離心力的作用下不起密封作用,而當(dāng)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候背葉片已經(jīng)不能起任何密封作用了,這時(shí)油封在彈簧的作用下開(kāi)始起密封作用,從而有效地阻止泵內(nèi)介質(zhì)泄露。

9、圖3背葉片-油封組合密封結(jié)構(gòu)組合密封與填料密封,機(jī)械密封相比具有以下特點(diǎn):(1平衡軸向力,使軸承負(fù)載減輕,能延長(zhǎng)軸承使用壽命;(2動(dòng)力密封工作時(shí)不存在機(jī)械摩擦與磨損;停車(chē)密封工作時(shí)除機(jī)器在起動(dòng)與停轉(zhuǎn)的短時(shí)間外 ,也不受機(jī)械摩擦與磨損,因此該密封的磨損小,使用壽命長(zhǎng);( 3由于該密封沒(méi)有或幾乎沒(méi)有機(jī)械摩擦,因此在高速旋轉(zhuǎn)的離心泵軸上使用顯得更加合理;(4該密封無(wú)泄露或僅在其動(dòng)與停車(chē)時(shí)有少量泄露,因此密封效果好;(5該密封在運(yùn)行時(shí)不必維護(hù);(6適合于輸送各種介質(zhì)泵的密封,包括含雜質(zhì)液體的密封和許多苛刻條件下的介質(zhì)密封,因此使用范圍廣;(7其缺點(diǎn)是密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2特性分析2.1泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)特性泵正常

10、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其背葉片主要的作用是產(chǎn)生負(fù)壓來(lái)阻止介質(zhì)泄露的,如圖4,同時(shí)還可以平衡部分軸向力,如圖5,此時(shí)油封在離心力的作用下不起密封作用。圖4背葉片密封原理圖圖5背葉片平衡軸向力原理背葉片減壓后的壓頭H EK =H p -28g n (R 22-R 2r +(s +t s 2(R 22-R 2h (1式中葉輪轉(zhuǎn)速,r min ;R 2葉輪外半徑,m ;R r 背葉片外半徑,m ;R h 輪轂半徑,m ;H p 葉輪出口勢(shì)揚(yáng)程,m 。背葉片密封的封液能力就是背葉片所能產(chǎn)生的離心壓力或揚(yáng)程,該揚(yáng)程可由該側(cè)密封腔內(nèi)所取微元體的受力平衡條件求得,其值H r =28g n(D 2e -D 2h (2式(2是

11、在假定背葉片端面與殼壁之間的間隙很小(接近于零、液體以=旋轉(zhuǎn)且為理想液體的情況下得到的,是背葉片所能產(chǎn)生的最高揚(yáng)程,故為理論封液能力,實(shí)際上,并不為零,且腔內(nèi)液體是有黏性的實(shí)際液體,因此,而是2,故實(shí)際封液能力H 1=28g n (D 2e -D 2h (3兩者相差的程度可用其比值K 表示,即K =H 1H r =22(4故有H 1=KH r =K 28g n(D 2e -D 2h (5其中K 稱為反壓系數(shù),它是反映背葉片密封封液能力大小的重要參數(shù),其物理意義是密封腔內(nèi)液體的實(shí)際平均角度與葉輪角速度的平方之比,其值與軸向間隙,背葉片高度t ,液體黏性及腔內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān),由于影響因素

12、復(fù)雜,特別是腔內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)難以確定。因此,計(jì)算背葉片密封封液能力的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確可靠地確定反壓系數(shù)K 值。在背葉片密封的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,通常用經(jīng)葉片減壓后軸封處揚(yáng)程H s 來(lái)表示實(shí)際封液能力,該揚(yáng)程可根據(jù)圖4求得,圖中AGF 曲線表示無(wú)背葉片時(shí)該側(cè)空腔內(nèi)液體壓力沿徑向的分布曲線,而AGK 曲線表示加背葉片后腔內(nèi)液體壓力沿徑向分布曲線,EK 即為經(jīng)背葉片減壓后軸封處的液體壓力或揚(yáng)程(單位用米液柱表示,由圖可知H s =EK =AB -A G -G K(6式(6中AB 為葉輪出口勢(shì)揚(yáng)程H p ,G K 即背葉片所產(chǎn)生的實(shí)際封液能力H 1,其值可由式(5計(jì)算,而A G 表示腔內(nèi)無(wú)背葉片部分(由D e

13、 到D 2部分的液體以2旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的揚(yáng)程H ,同樣的分析方法得到,其值H 2=A G =232g n(D 22-D 2e (7將式(5、式(7及=n30代入式(6得H s =H p -1.397(n 1002K (D 2e -D 2h +14(D 22-D 2e (8H s 、H p 、D e 、D h 的單位均為m ,由式(6可知,經(jīng)背葉片減壓后的揚(yáng)程H s 越小,表示背葉片密封的封液能力越強(qiáng),因此,H s 的大小可反映背葉片密封封液能力的強(qiáng)弱,若要保證背葉片密封不泄露,必須使H s =0(等壓密封或H s 0(負(fù)壓密封。2.2泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)特性當(dāng)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),油封在介質(zhì)壓力的作用下開(kāi)始與軸

14、接觸,起密封作用。(1唇口的徑向力是指單位圓周上的油封唇口對(duì)軸的箍緊力,它是表征唇口摩擦面上線接觸應(yīng)力大小的重要特性參數(shù)。對(duì)于唇口摩擦工況及密封壽命有直接影響,要達(dá)到密封目的,必須有足夠的徑向力,但徑向力過(guò)大,唇口將軸箍得過(guò)緊,會(huì)使摩擦面上的油膜遭到破壞,油封的壽命將大大縮短。影響油封徑向力的因素有很多,如油封的過(guò)盈量、油封彈簧的張力、油封結(jié)構(gòu)形式及油封膠料的硬度等,都會(huì)導(dǎo)致油封徑向力的變化。故唇口的總徑向力F r =F r1+F r2+F r3式中F r1唇口對(duì)軸的過(guò)盈量產(chǎn)生的徑向力,F r1=EW R2;F r2油封腰部彈性變形產(chǎn)生的徑向力,F r2=ES 24L3;F r3油封彈簧產(chǎn)生的

15、徑向力,F r3=F 3R;唇口過(guò)盈量之半,=d 0-d2,mm ;d 0軸直徑;d 油封唇直徑;E 橡膠彈性模量,MPa ;W 冠部截面積,mm 2;R 軸的半徑,mm ;S 腰部厚度,mm ;L 腰部長(zhǎng)度,mm ;F 3彈簧工作張力,N 。(2摩擦力矩旋轉(zhuǎn)軸油封的密封性能,是由旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)下軸與油封唇及其界面油膜相互接觸而實(shí)現(xiàn)的。這種接觸狀態(tài)是油封密封各因素的綜合表現(xiàn)。油封的旋轉(zhuǎn)摩擦特性主要表現(xiàn)在摩擦力矩和摩擦發(fā)熱2個(gè)方面:油封的摩擦力矩T =f F r R 10-3式中f 唇口與軸的摩擦因數(shù),與密封介質(zhì)種類、軸徑大小和油封的橡膠材料等有關(guān)。油封只在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)和停止旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力矩較大,而后在離心力的作用下脫離軸。(3密封保護(hù)為了防止密封遭外來(lái)液體、灰塵和污泥的攻擊,一般安裝輔助保護(hù)裝置,所以必須認(rèn)真地權(quán)衡成本和利益。簡(jiǎn)單地解決方案是在密封的空氣側(cè)安裝防塵密封唇。3結(jié)語(yǔ)密封性能是評(píng)價(jià)泵產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),設(shè)計(jì)可靠的密封