機械密封比壓選用原則

1、機械密封比壓選用原那么?液氣壓世界?2021年第3期閱讀次數(shù)：370關鍵詞】機械密封,載荷,承載水平,比載荷,流體膜壓,微凸體接,觸比壓【摘要】對各種不同密封型式、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水平作了具體分析,有利于對密封面比壓的深入了解.對一些不切實際的選用原那么和密封面比壓的概念與數(shù)據進行了討論分析,并給出明確的密封面比壓新概念,以及如何驗算密封面比壓的具體計算方法.介紹了相關算例和數(shù)據資料.為了保證機械密封可靠、長壽命運轉,長期以來許多密封工作者千方百計地努力設確選用密封面比壓,并以此來反映密封是否能夠正常工作.由于設計時所用的計算方法不夠完,所以在使用過程中形成的密

2、封面比壓的平均值,可能與設計時確定的計算值相差很大.究其原因是對密封面比壓的概念、用法和依據了解有些不全面,或混淆不清,甚至不正確.因此,有必要用摩擦學有關的新觀點、新概念、新技術和新知識,對密封面的比壓作一系統(tǒng)、完整及全面的研討,以便得出正確的看法和計算方法,特別是下面關于比壓選用原那么,可供機械密封的設計、制造、使用和維護人員參考.1、密封面載荷和承載水平在機械密封的使用實踐中,對機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.為了便于對密封面比壓有所了

3、解,首先來分析密封面載荷和承載水平的軸向平衡.機械密封密封面的軸向載荷和承載水平示意,見圖1o圖1密封面軸向載荷和總承載水平示圖1.1 軸向載荷和總承載水平的平衡機械密封軸向作用在密封面上的總載荷建,包括流體壓力作用載荷Pf和彈簧預加載荷P孫即：p«=pf+p“承受這一密封面載荷的是總承載水平W,它包括流體膜承載水平隊和微凸體承載水平也.流體膜承載水平包括流體膜掙壓承載水平W八和流體膜動壓承載水平Wdyn,即：W=W“+Wdc+Vt(2)在穩(wěn)定工況下兩者是相互平衡的,即：P8=W(3)1.2 載荷和比載荷通常在密封系統(tǒng)壓差.較低時,雖然由于結構關系流體作用面積人大于密封面面積A0但軸

4、向總載荷不大,密封面的流體膜和徼凸體的承載水平是足夠的.那么流體壓力作用載荷為：Pf=p5A6隨著密封系統(tǒng)壓差匹的增高,為了減輕軸向載荷,除了保證必要的彈簧預加載荷外,采用平衡型機械密封結構以減小流體作用面積e流體作用面積兒與密封面面積Af之比,通常叫做面積比,即：B=A./Af由于B又表示了軸向載荷的平衡關系,所以又稱為平衡比.于是流體壓力作用載荷可以表示為：PfBpsAf通常,非平衡型機械密封的平衡比B>1,而平衡型機械密封的平衡比BW1.密封面載荷為：Pg=P5P+Bp6Af密封面的比載荷為：P尸Pg/Af=p“+Bp,式中,Pw為彈簧比載航N/R由此可見,密封面的載荷和比載荷主要

5、決定于密封工況密封系統(tǒng)流體壓差ps、彈簧的預加載荷P或彈黃比載荷pQ、流體作用面積兒或密封面面積A.以及平衡比B.密封面比載荷d與系統(tǒng)流體壓差.之比可定義為載荷系數(shù),即：Kc=p/p尸B+Pa/p,6機械密封的密封面載荷和比載荷用于確定工況參數(shù)、計算泄漏量和總結試臉數(shù)據,如工況參數(shù)為可表示：G=Uvb/Pk|1n/pt那么接觸式機械密封的泄漏量為：Q=nDnPsh2S/p<281.3 總承載水平和膜壓與比壓支持密封面載荷的是密封面總承載水平W,除以密封面面積Af便可得出單位密封面面積承載水平W,它包括流體膜膜壓pm流體膜錚壓pst與流體膜動壓pdyn和微凸體接觸比壓pc,即：p卬=|pd

6、AfAi+九=戶m+儲=+力山“十A機械密封的流體膜膜壓分布取決于密封面形狀、介質的性質和相態(tài)等,必須按具體情況來確定,即平均膜壓為：底Pm=21t力小評7/郭?/J點110流體膜膜壓pm與系統(tǒng)流體壓差ps之比可定義為膜壓系數(shù)Km,即：干.11由膜壓系數(shù)說明,沿密封面徑向膜壓的分布可以根據不同的摩擦狀態(tài)、密封面結構形狀和不同相態(tài)等條件來確定.從摩擦學角度考慮,密封面徼凸體接觸比壓Pc等于材料的抗壓強度0C和微凸體承載面積比bn的乘積.而bn又取決于膜厚h與說明外表粗糙度的均方根偏差.之比膜厚比入,即：利用高斯分布可以得出微凸體承載面積比:(13)其中膜厚比入=h/.,其與微凸體承載面積比的關系

7、見表1,對于混合摩擦的機械密封,膜厚比人為2.03.0.通過軸向力平衡可以得出穩(wěn)定工況下的p產psp+Bp-pe+pc,于是在一般情況下,接觸式機械密封的密封面比壓應與其它各項協(xié)調,那么得：Pc=pSp+(B-K,)p5(14)表1機械密封相對膜厚比與微凸體承載面積比關系I0.000.010.020.030040050080.070.080.09200-022&002250.02170021200207002020.0197a01920018300183210.01了90.01740.0170001660.01620.01S8001540.01500.014600143220.0139

8、0.01360.01320.01290.01250.01220.01190.01160.01130/0110230.01070.010-40.01020.00990.0096000940.00910.00890.008700084240.00820.00800.0.7a0.8750.00730.0071QOO&90.00680.0068Q.0064250.0082000600.00590.00570.0055000540.00520.00510.00490004826Q.Q047QQQ45QQQ44000430.00410QQ4QQ0039Q.QQ3800*037Q0Q3S270.00

9、35-0003400033.000320.003100030000290002800027000262300026-QQ925000240Q02300023000220.0Q21000210002000019290001000180.001900017a0016000160.00150.001500014000133.00.0013-0.00130.00130.0012a.ooi20.00110.00110.00110.00100.0010由此可見,密封面的比壓是接觸式機械密封必要的密封面微凸體承載水平,而不是單位面積凈剩的閉合力,也不能籠統(tǒng)地認為只是密封端面上單位面積所受的力.密封面比壓的大

10、小不僅取決于材料強度、外表結構、微凸體承載面積和相對膜厚,還應與密封工況(密封系統(tǒng)流體壓差ps)、彈簧比載荷p“和平衡比B等協(xié)調,同時必須與流體膜膜壓p.或膜壓系數(shù)(相適應.通常用流體膜承載比Kf和微凸體承載比Ka來反映它們之間的協(xié)調關系,印流體膜承載比為：K尸p/p產K/K,(而微凸體承載比為：KFPc/pa水/兒(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Pc>0.為了保證必要的耐磨性,密封面比壓值

11、必須小于許用密封面比壓值,即：Pc<pc(16)或機械密封的PcV值必須小于許用值,印：PcV<pcv(16a)或Pc<pcv/V(16b)為了校核機械密封干運轉(9000h)時的耐磨性,使工作的比載荷p.v值小于許用的p/值,即：P<v<pKv(17)或為了校核熱強度,熱強度準那么pcvmax的大小應該滿足:PcW(pcv)max/v(18)其中一、2足22,I=-hsp(18a)式中,Ot為抗強度,k為導熱率,a為膨脹系數(shù),E為彈性模量,耐熱沖擊系數(shù)ThSP=.入/aE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*

12、m-199%A1,O32.8超硬合金7%Co71.7常壓燒結碳化硅46.8常壓燒結氮化硅25成型破石墨3-17凌巴氏合金碳石墨35高溫處理浸漬碳石墨27石墨I80-170為了判斷摩擦狀態(tài),可以根據密封面比壓5和密封副中軟密封面材料的抗壓強度Gc,求出微凸體承載面積比bn,再進一步得到膜厚比入值,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)非接觸式密封一流體摩擦流體摩擦工況下的膜壓系數(shù)：KKfB+pso/p,192接觸式密封一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)Knl1/2:對于

13、平行面氣體端面密封,氣體膜壓沿密封面半徑按凸狀拋物線分布,膜壓系數(shù)K42/3.收斂面密封對于收斂面非接觸式密封,流體膜壓沿密封面半徑按凸狀拋物線分布,膜壓系數(shù)?1/2：對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)1/2.收斂面機械密封的膜壓系數(shù)可以近似地按下式計算：21/1+020式中,0=h,/h2,h為密封面?zhèn)乳g隙膜厚,hz為密封面外側間除膜厚.擴散面密封對于擴散而非接觸式密封,流體膜壓沿密封面半徑按凹狀拋物線分布,膜壓系數(shù)V1/2;對于擴散面接觸式密封,流體膜壓沿密封面半徑拋物線分布,膜壓系數(shù)K.V1/2.2.2 不同相態(tài)機械密封對于輕燒泵一類的混相機械密封,其密封面間

14、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,根據沸騰相變半徑的不同,有全液相RbWRM全汽氣相RbeRz和氣液混相RVRVR,而氣液混相又可以分為似液相也&R2和似汽相R：RbR20液相對于液相密封,其膜壓沿密封面徑向線性下降,膜壓系數(shù)心機1/2,其密封面比壓近似按式14計算.對于置式密封,其膜壓系數(shù)可按下式計算：K-!,s,Y區(qū)J(21)氣汽相對于氣汽相密封,其膜壓沿密封面徑向拋物線下降,膜壓系數(shù)3仁2/3,相應的密封面比壓近似地按式14計算.對于置式密封,考慮到過程是等溫膨脹,其膜壓系數(shù)可按下式計算：K._2X_Lh-35.|九2-/<"生力122氣液混相對

15、于氣液混相密封,例如液態(tài)煌密封,其膜壓按光線性,后拋物線下降.例如近似地取膜壓系數(shù)K10.707,那么密封面比壓為ps=Pr+B-0.707p,.也可近似地用下式計算氣液混相密封膜壓系數(shù)：K=22ti-J勺：m3PJI26VKJ23由此可見,氣液混相機械密封的膜壓系數(shù)主要取決于介質的飽和蒸汽壓小與密封壓差p,之比相對飽和蒸汽壓5'、沸騰半徑Rb與密封面外半徑R2之比相對沸騰半徑RJ和密封面外半徑比R.精確的膜壓系數(shù)表達式為：%=2九(p/)Jr(b7r(/>2八=c/k八>«/>二?!)=認Jh當n=2等溫膨脹時,不同相態(tài)的膜壓系數(shù)為:萬二KJ)X&I-21：&乩卜兄&quo