機(jī)械密封比壓選用原則

1、機(jī)械密封比壓選用原則顧永泉摘要：對(duì)各種不同密封型式、摩擦狀態(tài)、密封面形狀和流 體相態(tài)的密封面載荷和承載能 力作了具體分析，有利于對(duì)密封面比壓的深入了解。對(duì)一些不切實(shí)際的選用原則和密封面 比壓的概念與數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論分析，并給出明確的密封面比壓新概念，以及如何驗(yàn)算密封面 比壓的具體計(jì)算方法。介紹了相關(guān)算例和數(shù)據(jù)資料。關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；載荷；承載能力；比載荷；流體膜壓；微凸體接 觸比壓分類號(hào)：TH 136； TB 42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-7466(2000)02-0021-04Principles for selecting seal face mean contact pressur

2、e of mec hanical sealsGU Yong-quan(The University of Petroleum,Dongying 257062, China)Abstract：Seal face mean contact pressure of mechanical fac e seals is discussed in detail. Concrete analysis on seal face load and load carrying capacity in v arious types, friction modes,seal face geometry and flu

3、id phase states is given , which are useful for understanding seal face mean contact pressure pc.Im pr actical principles for selecting pc,concepts and data are discussed and an alyzed . The clear concepts, concrete calculation of pc and check calculation abo ut itare presented.Key words：mechanical

4、seals;seal face load;load carr y ing capacity; unit load;fluid film pressure;aspiraties mean contact pressure為了保證機(jī)械密封可靠、長(zhǎng)壽命運(yùn)轉(zhuǎn)，長(zhǎng)期以來許多密封工作者千方百計(jì)地努力設(shè)法正確選用密封面比壓，并以此來反映密封是否能夠正常工作。由于設(shè)計(jì)時(shí)所用的計(jì)算方法不夠完善，所以在使用過程中形成的密封面比壓的平均值，可能與設(shè)計(jì)時(shí)確定的計(jì)算值相差很大。究其原因是對(duì)密封面比壓的概念、用法和依據(jù)了解有些不全面，或混淆不清，甚至不正確。因此，有必要用摩擦學(xué)有關(guān)的新觀點(diǎn)、新概念、新技術(shù)和新知識(shí)，對(duì)密封

5、面的比壓作一系統(tǒng)、完整及全面的研討，以便得出正確的看法和計(jì)算方法，特別是下面關(guān)于比壓選用原則，可供機(jī)械密封的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)人員參考。1密封面載荷和承載能力在機(jī)械密封的使用實(shí)踐中，對(duì)機(jī)械密封的密封面比壓有許多叫法。過去稱作密封端面上單位面積所受的力，或作用在密封環(huán)帶上單位面積上凈剩的閉合力。近來有密封面微凸體接觸比壓(簡(jiǎn)稱密封面比壓)、單位接觸壓力和平均接觸壓力等叫法。為了便于對(duì)密封面比壓有所了解，首先來分析密封面載荷和承載能力的軸向平衡。機(jī)械密封密封面的軸向載荷和承載能力示意，見圖1。圖1密封面軸向載荷和總承載能力示圖1.1軸向載荷和總承載能力的平衡機(jī)械密封軸向作用在密封面上的總載荷P

6、g，包括流體壓力作用載荷Pf和彈簧預(yù)加載荷Psp,即：Pg=Pf+Psp(1)承受這一密封面載荷的是總承載能力W，它包括流體膜承載能力Wf和微凸體承載能力Wc。流體膜承載能力包括流體膜靜壓承載能力Wst和流體膜動(dòng)壓承載能力Wdyn，即：W=Wf+Wc=Wst+Wdyn+Wc(2)在穩(wěn)定工況下兩者是相互平衡的，即：PgW(3)1.2載荷和比載荷通常在密封系統(tǒng)壓差ps較低時(shí)，雖然由于結(jié)構(gòu)關(guān)系流體作用面積As大于密封面面積Af，但軸向總載荷不大，密封面的流體膜和微凸體的承載能力是足夠的。則流體壓力作用載荷為：Pf=psAs隨著密封系統(tǒng)壓差ps的增高，為了減輕軸向載荷，除了保證必要的彈簧預(yù)加載荷外，采

7、用平衡型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)以減小流體作用面積。流體作用面積As與密封面面積Af之比，通常叫做面積比，即：B=As/Af因?yàn)锽又表示了軸向載荷的平衡關(guān)系，所以又稱為平衡比。于是流體壓力作用載荷可以表示為：Pf=BpsAf通常，非平衡型機(jī)械密封的平衡比B1，而平衡型機(jī)械密封的平衡比B1。密封面載荷為：Pg=Psp+BpsAf密封面的比載荷為：pg=Pg/Af=psp+Bps(5)式中,psp為彈簧比載荷,N/m2。由此可見，密封面的載荷和比載荷主要決定于密封工況(密封系統(tǒng)流體壓差ps)、彈簧的預(yù)加載荷Psp(或彈簧比載荷psp)、流體作用面積As或密封面面積Af以及平衡比B。密封面比載荷pg與系統(tǒng)流體壓

8、差ps之比可定義為載荷系數(shù)，即：Kg=pg/ps=B+psp/ps(6)機(jī)械密封的密封面載荷和比載荷用于確定工況參數(shù)、計(jì)算泄漏量和總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如工況參數(shù)為可表示：G=vb/Pg=n/pg(7)則接觸式機(jī)械密封的泄漏量為：Q=Dmpsh2S/pg2(8)1.3總承載能力和膜壓與比壓支持密封面載荷的是密封面總承載能力W，除以密封面面積Af便可得出單位密封面面積承載能力W，它包括流體膜膜壓pm(流體膜靜壓pst與流體膜動(dòng)壓pdyn)和微凸體接觸比壓pc，即：(9)機(jī)械密封的流體膜膜壓分布取決于密封面形狀、介質(zhì)的性質(zhì)和相態(tài)等，必須按具體情況來確定，即平均膜壓為：(10)流體膜膜壓pm與系統(tǒng)流體壓差p

9、s之比可定義為膜壓系數(shù)Km,即：Km=pm/ps(11)由膜壓系數(shù)說明，沿密封面徑向膜壓的分布可以根據(jù)不同的摩擦狀態(tài)、密封面結(jié)構(gòu)形狀和不同相態(tài)等條件來確定。從摩擦學(xué)角度考慮，密封面(微凸體接觸)比壓pc等于材料的抗壓強(qiáng)度c和微凸體承載面積比bm的乘積。而bm又取決于膜厚h與說明表面粗糙度的均方根偏差之比(膜厚比)，即：pc=cbm(12)利用高斯分布可以得出微凸體承載面積比：(13)其中膜厚比=h/，其與微凸體承載面積比bm的關(guān)系見表1。對(duì)于混合摩擦的機(jī)械密封，膜厚比為2.03.0。通過軸向力平衡可以得出穩(wěn)定工況下的pg=psp+Bps=pm+pc，于是在一般情況下，接觸式機(jī)械密封的密封面比壓

10、應(yīng)與其它各項(xiàng)協(xié)調(diào)，則得：pc=psp+(B-Km)ps(14)表1機(jī)械密封相對(duì)膜厚比與微凸體承載面積比關(guān)系bm0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.092.00.02280.02220.02170.02120.02070.02020.01970.01920.01830.01832.10.01790.01740.01700.01660.01620.01580.01540.01500.01460.01432.20.01390.01360.01320.01290.01250.01220.01190.01160.01130.01102.30.01070.01040

11、.01020.00990.00960.00940.00910.00890.00870.00842.40.00820.00800.00780.00750.00730.00710.00690.00680.00660.00642.50.00620.00600.00590.00570.00550.00540.00520.00510.00490.00482.60.00470.00450.00440.00430.00410.00400.00390.00380.00370.00362.70.00350.00340.00330.00320.00310.00300.00290.00280.00270.00262

12、.80.00260.00250.00240.00230.00230.00220.00210.00210.00200.00192.90.00190.00180.00180.00170.00160.00160.00150.00150.00140.00143.00.00130.00130.00130.00120.00120.00110.00110.00110.00100.0010由此可見，密封面的比壓是接觸式機(jī)械密封必要的密封面微凸體承載能力，而不是單位面積凈剩的閉合力，也不能籠統(tǒng)地認(rèn)為只是密封端面上單位面積所受的力。密封面比壓的大小不僅取決于材料強(qiáng)度、表面結(jié)構(gòu)、微凸體承載面積和相對(duì)膜厚，還應(yīng)與密封

13、工況(密封系統(tǒng)流體壓差ps)、彈簧比載荷psp和平衡比B等協(xié)調(diào)，同時(shí)必須與流體膜膜壓pm或膜壓系數(shù)Km相適應(yīng)。通常用流體膜承載比Kf和微凸體承載比Kd來反映它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，即流體膜承載比為： Kf=pm/pg=Km/Kg(15)而微凸體承載比為：Kd=pc/pg=Kc/Kg(15a)式(15)表示流體膜承受載荷的百分率，而式(15a)表示微凸體承受載荷的百分率。密封面比壓通常用來校核機(jī)械密封的密封性和耐磨密封性，以及說明密封所處的狀態(tài)。為了保證接觸式密封密封面(閉合)的密封性，密封面比壓必須大于0，即pc0。為了保證必要的耐磨性，密封面比壓值必須小于許用密封面比壓值，即：pcpc(16)或

14、機(jī)械密封的pcv值必須小于許用值，即：pcvpcv(16a)或pcpcvv(16b)為了校核機(jī)械密封干運(yùn)轉(zhuǎn)(9000h)時(shí)的耐磨性，使工作的比載荷pgv值小于許用的pgv值，即：pgvpgv(17)或pgpgv/v (17a)為了校核熱強(qiáng)度，熱強(qiáng)度準(zhǔn)則(pcv)max的大小應(yīng)該滿足：pc(pcv)max/v(18)其中(18a)式中，t為抗張強(qiáng)度，k為導(dǎo)熱率，為膨脹系數(shù)，E為彈性模量，耐熱沖擊系數(shù)ThSP=/E(不同密封副材料可查表2)，f為摩擦因數(shù)，a為環(huán)厚。表2密封材料耐熱沖擊系數(shù)材料ThSP/kW*m199%Al2O32.8超硬合金(7%Co)71.7常壓燒結(jié)碳化硅46.8常壓燒結(jié)氮化硅

15、25成型碳石墨317浸巴氏合金碳石墨35高溫處理浸漬碳石墨27石墨80170為了判斷摩擦狀態(tài)，可以根據(jù)密封面比壓pc和密封副中軟密封面材料的抗壓強(qiáng)度c，求出微凸體承載面積比bm，再進(jìn)一步得到膜厚比值，于是便可判斷出所處的摩擦狀態(tài)。2不同情況下膜壓系數(shù)2.1不同密封型式和摩擦狀態(tài)(1)非接觸式密封-流體摩擦流體摩擦工況下的膜壓系數(shù)：Km=Kg=B+psp/ps(19)(2)接觸式密封-混合摩擦在混合摩擦工況下膜壓系數(shù)分為3種情況。平行面密封對(duì)于平行面液體端面密封，液體膜壓沿密封面半徑線性分布，膜壓系數(shù)Km11/2；對(duì)于平行面氣體端面密封，氣體膜壓沿密封面半徑按凸?fàn)顠佄锞€分布，膜壓系數(shù)Kmg2/3

16、。收斂面密封對(duì)于收斂面非接觸式密封，流體膜壓沿密封面半徑按凸?fàn)顠佄锞€分布，膜壓系數(shù)Km1/2；對(duì)于收斂面接觸式密封，流體膜壓沿密封面半徑拋物線分布，膜壓系數(shù)Km1/2。收斂面機(jī)械密封的膜壓系數(shù)可以近似地按下式計(jì)算：Km=1/(1+)(20)式中，=h1/h2，h1為密封面內(nèi)側(cè)間隙(膜厚)，h2為密封面外側(cè)間隙(膜厚)。擴(kuò)散面密封對(duì)于擴(kuò)散面非接觸式密封，流體膜壓沿密封面半徑按凹狀拋物線分布，膜壓系數(shù)Km1/2；對(duì)于擴(kuò)散面接觸式密封，流體膜壓沿密封面半徑拋物線分布，膜壓系數(shù)Km1/2。2.2不同相態(tài)機(jī)械密封對(duì)于輕烴泵一類的混相機(jī)械密封，其密封面間存在相變，因而可能出現(xiàn)不同相態(tài)。就密封面間相態(tài)來說，

17、根據(jù)沸騰(相變)半徑的不同，有全液相(RbR1)、全汽(氣)相(RbR2)和氣液混相(R1RbR2)，而氣液混相又可以分為似液相(R1RbR2)和似汽相(R1RbR2)。液相對(duì)于液相密封，其膜壓沿密封面徑向線性下降，膜壓系數(shù)Km11/2，其密封面比壓近似按式(14)計(jì)算。對(duì)于內(nèi)置式密封，其膜壓系數(shù)可按下式計(jì)算：(21)氣(汽)相對(duì)于氣(汽)相密封，其膜壓沿密封面徑向拋物線下降，膜壓系數(shù)Kmg2/3，相應(yīng)的密封面比壓近似地按式(14)計(jì)算。對(duì)于內(nèi)置式密封，考慮到過程是等溫膨脹，其膜壓系數(shù)可按下式計(jì)算：(22)氣液混相對(duì)于氣液混相密封，例如液態(tài)烴密封，其膜壓按先線性，后拋物線下降。例如近似地取膜壓系數(shù)Kmm=0.707，則密封面比壓為pcm=psp+(B-0.707）ps。也可近似地用下式計(jì)算氣液混相密封膜壓系數(shù)：(23)由此可見，氣液混相機(jī)械密封的膜壓系數(shù)主要取決于介質(zhì)的飽和蒸汽壓pt與密封壓差ps之比(相對(duì)飽和蒸汽壓pt)、沸騰半徑Rb與密封面外半徑