機(jī)械密封基礎(chǔ)知識(shí)-三機(jī)械密封的計(jì)算

2024/9/111三、機(jī)械密封的計(jì)算

（一）補(bǔ)償環(huán)的受力狀況

要進(jìn)行端面比壓計(jì)算，首先要分析補(bǔ)償環(huán)的受力情況。如圖，補(bǔ)償環(huán)受到的力有：2024/9/112向左的：彈簧力Ft、介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的作用力Fp向右的：液膜反力Fm、靜環(huán)作用的端面支承力F；摩擦力R，很小可以忽略；以上四力平衡，有F=Ft＋Fp－Fm端面比壓P=F/S（S為端面面積）上面各項(xiàng)力的計(jì)算方法在后面章節(jié)再加以敘述。

2024/9/113（二）密封端面中液膜反力的分布情況2024/9/114在d2處，端面間液膜壓力等于P介。在d1處，端面間液膜壓力近似為零。對(duì)于中間分布情況，人們通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)的壓力分布與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，還與端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)有關(guān)。對(duì)于丁烷等(粘度小、易汽化介質(zhì))，壓力分布成凸拋物線狀1。對(duì)于水等(中等粘度介質(zhì))，壓力分布成直線性2。對(duì)于潤滑油等(高粘度介質(zhì))，壓力分布成凹拋物線狀3。

2024/9/115Fm=λP介

S（液膜比壓Pm=λP介）λ：膜壓系數(shù)≈0.5（中粘度），=0.65～0.75（低粘度），=0.3～0.4（高粘度）。它是一個(gè)平均值，表示液膜壓力占介質(zhì)壓力的比例，并不表示壓力的分布情況。該公式為端面比壓的計(jì)算提供了方便。S：端面面積S=π（d22－d12）/4（三）液膜反力的計(jì)算

2024/9/116易汽化介質(zhì)（如液態(tài)烴等）的機(jī)械密封一直是石化行業(yè)中較難解決的問題，其原因是膜壓系數(shù)不穩(wěn)定，因其在端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)不穩(wěn)定。因此弄清端面間的壓力分布，對(duì)于正確計(jì)算液膜反力很有必要。

（四）易汽化介質(zhì)中密封端面間的液膜壓力分布2024/9/117大家都知道，對(duì)于輕烴類介質(zhì)，端面縫隙中存在氣液兩相。rb為汽化半徑，此處液膜壓力=P飽和（tp），tp處溫度最高。r2～rb區(qū)域，液膜壓力成線性分布，液相rb～r1區(qū)域，液膜壓力成拋物線分布，氣相對(duì)于易汽化介質(zhì)膜壓系數(shù)λ，中國石油大學(xué)顧永泉教授提出一個(gè)計(jì)算公式：λ=2/3×/P1＋（1/2－1/6×Pf/P1）（r2～rb）/(r2

－r1)式中：Pf：rb處氣化壓力P1：介質(zhì)壓力rb：氣化半徑r2/r1：端面外半徑/內(nèi)半徑計(jì)算值一般在0.70～0.85之間。

2024/9/118（1）端面幾何尺寸，由上面公式可以看出。（2）密封結(jié)構(gòu)：前面講的都是對(duì)內(nèi)流式而言的，對(duì)外流式，λ還要增大0.2左右，對(duì)于中等粘度介質(zhì)λ=0.7（3）摩擦狀態(tài)：邊界摩擦（端面多個(gè)高點(diǎn)直接接觸承壓。液膜厚度只有幾個(gè)分子厚，且不連續(xù)，幾乎不承壓，只起潤滑作用，λ=0）、液體摩擦（全液膜，泄漏量大，機(jī)械密封一般不采用）、混和摩擦（介于以上兩種之間,這是機(jī)械密封端面摩擦的主要形式）（4）端面縫隙情況：漸開形，λ減小；漸收形，λ增大（5）其他因素：轉(zhuǎn)速高，對(duì)于內(nèi)流式λ減小，對(duì)于外流式λ增大。此外端面比壓、密封面溫度、粗糙度等都有一定影響。

（五）膜壓系數(shù)的影響因素2024/9/119Pt=F彈/SF彈可計(jì)算得出，但一般有誤差±10%，這是由于制造廠、制造工藝、原材料的化學(xué)成分、熱處理工藝等存在差異的緣故。一般Pt=0.15~0.2Mpa(內(nèi)裝)，0.3~0.6Mpa(外裝)，反應(yīng)釜中，轉(zhuǎn)速低，軸擺動(dòng)大，取大值。

（六）彈簧比壓的計(jì)算2024/9/1110介質(zhì)壓力對(duì)補(bǔ)償環(huán)的有效作用A面積與端面面積S之比。K=A/S（七）載荷系數(shù)K2024/9/1111K=（d22－d02）/（d22－d12）d0為介質(zhì)分界圓直徑當(dāng)K≥1時(shí)，機(jī)械密封為非平衡型；當(dāng)K＜1時(shí)，機(jī)械密封為平衡型；平衡系數(shù)β=100（1-K）%載荷比壓：P載=KP介2024/9/1112 P=Pt+P載－P液膜

=Pt+（K-λ）P介

（內(nèi)裝式） 對(duì)于雙端面機(jī)械密封介質(zhì)側(cè)： P液膜=P外＋λ（P內(nèi)－P外）P載=KP內(nèi)＋（1－K）P外所以：P=Pt＋KP內(nèi)＋（1－K）P外－［P外＋λ（P內(nèi)－P外）］=Pt＋KP內(nèi)＋P外－KP外－P外－λ（P內(nèi)－P外） =Pt＋K（P內(nèi)－P外）－λ（P內(nèi)－P外） =Pt＋（K－λ）（P內(nèi)－P外） =Pt＋（K－λ）ΔP（八）端面比壓

2024/9/1113端面比壓的選取原則：（1）必須高于彈簧比壓；（2）必須大于介質(zhì)在端面溫度升高時(shí)的飽和蒸汽壓；在保證以上條件下，盡量取小值，以防端面發(fā)熱，破壞液膜，加劇磨損，功率消耗增大，密封使用壽命減短。同時(shí)考慮以下原則：（1）對(duì)自潤滑性好的組對(duì)（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值(因液膜不易被破壞，摩擦系數(shù)不易增加。)。（2）對(duì)于外裝式機(jī)械密封，可以取稍小值（因介質(zhì)比壓很小，而Pt不可能很大。）。（3）對(duì)于高粘度介質(zhì)，取稍大值（以保持端面貼合）。（4）易揮發(fā)介質(zhì)（飽和蒸汽壓高）稍小值（以減少溫升）。

2024/9/1114推薦的端面比壓值

因素程度內(nèi)

裝

式機(jī)械密封外

裝

式機(jī)械密封飽和蒸汽壓接近水比水低0.5~1.00.3~0.5比水高0.3~0.5———粘度比水高0.5~1.00.3~0.5比水低0.3~0.50.15~0.25摩擦副材料其中一個(gè)為塑料0.2~0.30.15~0.25匹配的硬/硬0.7~1.20.4~0.6匹配的硬/軟0.5~1.00.3~0.52024/9/1115端面比壓中有一項(xiàng)K，K=A/S A：介質(zhì)有效作用面積，A=π（d22－de2）/4，de為有效直徑。

S：密封端面面積

S=π（d22－d12）/4（九）波紋管的有效作用直徑de2024/9/1116（1）金屬波紋管內(nèi)裝內(nèi)流式：deo=（di＋do）/2－Z外裝外流式：dei=（di＋do）/2＋Z修正系數(shù)Z=0.671P介0.797（2）聚四氟乙烯波紋管矩形波：de=［（di2＋do2）/2］1/2鋸齒波：de=［（di2＋do2＋dido）/3］1/2橡膠波紋管de無法準(zhǔn)確計(jì)算，一般由試驗(yàn)獲得。

2024/9/1117密封端面的摩擦熱同時(shí)取決于壓力和速度。密封端面的性質(zhì)要考慮P、V的乘積，即PV值。PV值過大：液膜氣化，密封失效，端面嚴(yán)重磨損。因此對(duì)一定摩擦系數(shù)的端面材料組對(duì)，對(duì)某種介質(zhì)有一許用PV值。P：端面比壓

V=π（d1＋d2）n/120×10－3PV