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1、机械密封封比压选选用原则则液气压压世界220088年第33期阅读次次数：3370 【关键词词】机械械密封,载荷,承载能能力,比比载荷,流体膜膜压,微微凸体接接,触比比压【摘要】对对各种不不同密封封型式、摩摩擦状态态、密封封面形状状和流 体相态态的密封封面载荷荷和承载载能 力力作了具具体分析析，有利利于对密密封面比比压的深深入了解解。对一一些不切切实际的的选用原原则和密密封面 比压的的概念与与数据进进行了讨讨论分析析，并给给出明确确的密封封面比压压新概念念，以及及如何验验算密封封面 比比压的具具体计算算方法。介介绍了相相关算例例和数据据资料。为了保证证机械密密封可靠靠、长寿寿命运转转，长期期以来
2、许许多密封封工作者者千方百百计地努努力设法法正确选选用密封封面比压压，并以以此来反反映密封封是否能能够正常常工作。由由于设计计时所用用的计算算方法不不够完善善，所以以在使用用过程中中形成的的密封面面比压的的平均值值，可能能与设计计时确定定的计算算值相差差很大。究究其原因因是对密密封面比比压的概概念、用用法和依依据了解解有些不不全面，或或混淆不不清，甚甚至不正正确。因因此，有有必要用用摩擦学学有关的的新观点点、新概概念、新新技术和和新知识识，对密密封面的的比压作作一系统统、完整整及全面面的研讨讨，以便便得出正正确的看看法和计计算方法法，特别别是下面面关于比比压选用用原则，可可供机械械密封的的设计
3、、制制造、使使用和维维护人员员参考。1、密封封面载荷荷和承载载能力在机械密密封的使使用实践践中，对对机械密密封的密密封面比比压有许许多叫法法。过去去称作密密封端面面上单位位面积所所受的力力，或作作用在密密封环带带上单位位面积上上净剩的的闭合力力。近来来有密封封面微凸凸体接触触比压(简称密密封面比比压)、单单位接触触压力和和平均接接触压力力等叫法法。为了了便于对对密封面面比压有有所了解解，首先先来分析析密封面面载荷和和承载能能力的轴轴向平衡衡。机械械密封密密封面的的轴向载载荷和承承载能力力示意，见见图1。图1密密封面轴轴向载荷荷和总承承载能力力示图1.1轴向载载荷和总总承载能能力的平平衡机械密封
4、封轴向作作用在密密封面上上的总载载荷Pg，包括括流体压压力作用用载荷PPf和弹弹簧预加加载荷PPsp,即即：Pg=PPf+Pspp (1)承受这一一密封面面载荷的的是总承承载能力力W，它它包括流流体膜承承载能力力Wf和微凸凸体承载载能力WWc。流体体膜承载载能力包包括流体体膜静压压承载能能力Wst和流流体膜动动压承载载能力WWdynn，即：W=Wff+Wc=Wst+WWdynn+Wc (22)在稳定工工况下两两者是相相互平衡衡的，即即：PgWW (33)1.2载荷和和比载荷荷通常在密密封系统统压差pps较低时时，虽然然由于结结构关系系流体作作用面积积As大于密密封面面积Af，但轴轴向总载载荷不
5、大大，密封封面的流流体膜和和微凸体体的承载载能力是是足够的的。则流流体压力力作用载载荷为：Pf=ppsAs随着密封封系统压压差ps的增高高，为了了减轻轴轴向载荷荷，除了了保证必必要的弹弹簧预加加载荷外外，采用用平衡型型机械密密封结构构以减小小流体作作用面积积。流体体作用面面积Ass与密封封面面积Af之比，通通常叫做做面积比比，即：B=Ass/Af因为B又又表示了了轴向载载荷的平平衡关系系，所以以又称为为平衡比比。于是是流体压压力作用用载荷可可以表示示为：Pf=BBpsAf通常，非非平衡型型机械密密封的平平衡比BB1，而而平衡型型机械密密封的平平衡比BB1。 密封面载荷为：Pg=PPsp+BBp
6、sAf 密密封面的的比载荷荷为：pg=PPg/Af=psp+BBps (55)式中,ppsp为弹弹簧比载载荷,NN/m22。由此可见见，密封封面的载载荷和比比载荷主主要决定定于密封封工况(密封系系统流体体压差pps)、弹弹簧的预预加载荷荷Psp(或或弹簧比比载荷ppsp)、流流体作用用面积AAs或密封封面面积Af以及平平衡比BB。密封面比比载荷ppg与系统统流体压压差ps之比可可定义为为载荷系系数，即即：Kg=ppg/ps=B+ppsp/ps (66)机械密封封的密封封面载荷荷和比载载荷用于于确定工工况参数数、计算算泄漏量量和总结结试验数数据，如如工况参参数为可可表示：G=vvb/Pg=n/p
7、g (77)则接触式式机械密密封的泄泄漏量为为：Q=DDmpsh2S/ppg2 (88)1.3总承载载能力和和膜压与与比压支持密封封面载荷荷的是密密封面总总承载能能力W，除除以密封封面面积Aff便可得得出单位位密封面面面积承承载能力力W，它它包括流流体膜膜膜压pmm(流体体膜静压压pstt与流体体膜动压压pdyyn)和和微凸体体接触比比压pcc，即： (9)机械密封封的流体体膜膜压压分布取取决于密密封面形形状、介介质的性性质和相相态等，必必须按具具体情况况来确定定，即平平均膜压压为： (100)流体膜膜膜压pmm与系统统流体压压差pss之比可可定义为为膜压系系数Kmm,即：Km=ppm/ps
8、(111)由膜压系系数说明明，沿密密封面径径向膜压压的分布布可以根根据不同同的摩擦擦状态、密密封面结结构形状状和不同同相态等等条件来来确定。从摩擦学学角度考考虑，密密封面(微凸体体接触)比压pc等于材材料的抗抗压强度度c和微凸凸体承载载面积比比bm的乘积积。而bbm又取决决于膜厚厚h与说说明表面面粗糙度度的均方方根偏差差之比比(膜厚厚比)，即：pc=cbm (112)利用高斯斯分布可可以得出出微凸体体承载面面积比： (133)其中膜厚厚比=h/，其与与微凸体体承载面面积比bbm的关系系见表11。对于于混合摩摩擦的机机械密封封，膜厚厚比为为2.003.0。通过轴向向力平衡衡可以得得出稳定定工况下
9、下的pg=p ssp+BBps=pm+pc，于是是在一般般情况下下，接触触式机械械密封的的密封面面比压应应与其它它各项协协调，则则得：pc=ppsp+(B-KKm)ps (114)表1机机械密封封相对膜膜厚比与与微凸体体承载面面积比关关系由此可可见，密密封面的的比压是是接触式式机械密密封必要要的密封封面微凸凸体承载载能力，而而不是单单位面积积净剩的的闭合力力，也不不能笼统统地认为为只是密密封端面面上单位位面积所所受的力力。密封封面比压压的大小小不仅取取决于材材料强度度、表面面结构、微微凸体承承载面积积和相对对膜厚，还还应与密密封工况况(密封封系统流流体压差差ps)、弹弹簧比载载荷psp和平平衡
10、比BB等协调调，同时时必须与与流体膜膜膜压ppm或膜压压系数KKm相适应。通通常用流流体膜承承载比KKf和微凸凸体承载载比Kd来反映映它们之之间的协协调关系系，即流流体膜承承载比为为： Kf=ppm/pg=Km/Kg (15)而微凸体体承载比比为：Kd=ppc/pg=Kc/Kg (115a)式(155)表示示流体膜膜承受载载荷的百百分率，而而式(115a)表示微微凸体承承受载荷荷的百分分率。密封面比比压通常常用来校校核机械械密封的的密封性性和耐磨磨密封性性，以及及说明密密封所处处的状态态。为了了保证接接触式密密封密封封面(闭闭合)的的密封性性，密封封面比压压必须大大于0，即即pc0。为为了保证
11、证必要的的耐磨性性，密封封面比压压值必须须小于许许用密封封面比压压值，即即：pcpc (16)或机械密密封的ppcv值必须须小于许许用值，即即：pcvpcv (16aa)或pcpcvvv (116b)为了校核核机械密密封干运运转(990000h)时时的耐磨磨性，使使工作的的比载荷荷pgv值小于于许用的的pgv值，即即：pgvpgv (17)或pgpgv/vv (17aa)为了校核核热强度度，热强强度准则则(pcv)mmax的的大小应应该满足足：pc(pcv)mmax/v (18)其中 (188a)式中，t为抗张张强度，kk为导热热率，为膨胀胀系数，EE为弹性性模量，耐耐热冲击击系数TThSPP
12、=/E(不不同密封封副材料料可查表表2)，ff为摩擦擦因数，aa为环厚厚。表2密密封材料料耐热冲冲击系数数为了判断断摩擦状状态，可可以根据据密封面面比压ppc和密封副副中软密密封面材材料的抗抗压强度度c，求出出微凸体体承载面面积比bbm，再进进一步得得到膜厚厚比值值，于是是便可判判断出所所处的摩摩擦状态态。2不同同情况下下膜压系系数2.1不同密密封型式式和摩擦擦状态(1)非非接触式式密封-流体体摩擦流体摩擦擦工况下下的膜压压系数：Km=KKg=B+ppsp/ps (119)(2)接接触式密密封-混合摩摩擦在混合摩摩擦工况况下膜压压系数分分为3种种情况。平行面面密封对于平平行面液液体端面面密封，
13、液液体膜压压沿密封封面半径径线性分分布，膜压系系数Kmm111/2；对于平平行面气气体端面面密封，气气体膜压压沿密封封面半径径按凸状抛物物线分布布，膜压压系数KKmg22/3。收敛面面密封对于收收敛面非非接触式式密封，流流体膜压压沿密封封面半径径按凸状抛物物线分布布，膜压压系数KKm1/2；对对于收敛敛面接触触式密封封，流体体膜压沿沿密封面面半径抛抛物线分分布，膜膜压系数数Km1/2。收收敛面机机械密封封的膜压压系数可可以近似似地按下下式计算算：Km=11/(11+) (220)式中，=h11/h2，h1为密封封面内侧侧间隙(膜厚)，h22为密封封面外侧侧间隙(膜厚)。扩散面面密封对于扩扩散面
14、非非接触式式密封，流流体膜压压沿密封封面半径径按凹状抛物物线分布布，膜压压系数KKm1/2；对对于扩散散面接触触式密封封，流体体膜压沿沿密封面面半径抛抛物线分分布，膜膜压系数数Km1/2。2.2不同相相态机械械密封对于轻烃烃泵一类类的混相相机械密密封，其其密封面面间存在在相变，因因而可能能出现不不同相态态。就密密封面间间相态来来说，根根据沸腾腾(相变变)半径径的不同同，有全全液相(RbR1)、全汽汽(气)相(RRbR2)和气液液混相(R1RbR2)，而而气液混混相又可可以分为为似液相相(R11Rb R2)和似汽汽相(RR1RbR2)。液相对于液液相密封封，其膜膜压沿密密封面径径向线性性下降，膜
15、膜压系数数Km111/2，其其密封面面比压近近似按式式(144)计算算。对于于内置式式密封，其其膜压系系数可按按下式计计算： (211)气(汽汽)相对于气气(汽)相密封封，其膜膜压沿密密封面径径向抛物物线下降降，膜压压系数KKmg22/3，相相应的密密封面比比压近似似地按式式(144)计算算。对于于内置式式密封，考考虑到过过程是等等温膨胀胀，其膜膜压系数数可按下下式计算算： (222)气液混混相对对于气液液混相密密封，例例如液态态烃密封，其其膜压按按先线性性，后抛抛物线下下降。例例如近似似地取膜膜压系数数Kmm=00.7007，则则密封面面比压为为pcm=psp+(B-00.7007）pps。
16、也可可近似地地用下式式计算气气液混相相密封膜膜压系数数： (223)由此可见见，气液液混相机机械密封封的膜压压系数主主要取决决于介质质的饱和和蒸汽压压pt与密封封压差pps之比(相对饱饱和蒸汽汽压pt)、沸沸腾半径径Rb与密封封面外半半径R22之比(相对沸沸腾半径径Rb)和和密封面面内外半半径比RR1。精精确的膜膜压系数数表达式式为：当n=22(等温温膨胀)时，不不同相态态的膜压压系数为为： (244)以上公式式的解法法可以参参见有关关文献。其其中相变变半径可可以按下下列超越越方程来来确定： (25)此外，还还可以足足够精确确地用下下式确定定气液混混相机械械密封的的膜压系系数和沸沸腾半径径： (244a) (255a)