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密封性的影響因素

一、影響密封性的因素有哪些

機械密封的密封性是其最主要的指標。影響因素根多,其中有密封結構、材料、制造、安裝,介質(zhì)性質(zhì)及使用等。哪個(gè)環(huán)節出了問(wèn)題,密封性都要受到影響??砂堰@些因素分為密封件本身和使用條件兩大類(lèi)。密封結構、材料和制造屬于“密封件本身”,這些因素在制造廠(chǎng)完成,密封件的質(zhì)量取決于制造廠(chǎng)。而安裝、介質(zhì)性質(zhì)和使用等屬于“使用條件”的范圍,如何正確使用取決于用戶(hù)自己。本章只討論屬于密封件本身的影響因素,其它影響I素在以后的章節中討論。

二、摩擦狀態(tài)有幾種

機械密封是一種接觸式密封,在力的作用下,動(dòng)靜環(huán)構成一對摩擦副。根據密封結構、介質(zhì)性質(zhì)和工作條件(壓力、速度、溫度等)的不同,密封端面的曦擦狀態(tài)可分為液體摩擦、混合摩擦、邊界摩擦以及干或半干摩擦。摩擦狀態(tài)對密封性扣使用壽命有重要影響,應當搞清。

三、什么是液體摩擦?泄漏量怎樣?

兩個(gè)密封端面被具有一定壓力和一定厚度h。的液膜隔開(kāi)。液膜厚度h。=3~10μm,遠大于密封表面的粗糙度R。兩平面互相不按觸、不磨損。摩擦系數取決于介質(zhì)的性質(zhì)(如粘度等),與摩擦副材料無(wú)關(guān)。這種現象經(jīng)常發(fā)生在止推軸承中。普通的機械密封不予采用,因為泄漏量大,失去密封的意義。只有在特殊情況下采用液體摩擦狀態(tài)的機械密封。

四、什么是混合摩擦?泄漏量怎樣?

增加密封的閉合力,密封端面之間的縫隙比液體摩擦狀態(tài)減小,使兩表面的高點(diǎn)接觸,其間仍存在局部中斷的液膜,液膜厚度h。和縫隙高度h處于同一個(gè)數量級。裁荷由液體壓力和固體表面的“高點(diǎn)”共同承擔。因此,存在著(zhù)磨損,但很輕微。表面摩擦和磨損性能同時(shí)取決于介質(zhì)性質(zhì)和摩擦副材料,泄漏量不多。普通機械密封大多處于混合摩擦狀態(tài)。德國E·邁爾提出了計算混合摩擦狀態(tài)下泄漏量的經(jīng)驗公式,列出該式的目的,不是用來(lái)計算泄漏量,’因為邁爾沒(méi)有給出流動(dòng)系數C2的確定方法,目的在于從該式可定性地了解影響泄漏量的因素。從中可見(jiàn)泄漏量與密封結構有關(guān)(密封端面直徑d和寬度的b)、與介質(zhì)粘度n成正比、與密封端面承受的壓差(P1一P2)和速度(V)有關(guān)、與密封端面的比壓平方(P)成反比。

五、什么是邊界摩擦?影響泄漏量的因素有哪些?

隨著(zhù)端面比壓的增大,液膜厚度h。進(jìn)一步減小,摩擦副表面的高峰接觸及相互作用的數目增多,液膜厚度只有幾個(gè)分子厚,并且不連續,液膜壓力趨近于零,載荷幾乎都由表面的高峰承擔。液膜介質(zhì)的粘度對摩擦性質(zhì)沒(méi)有多大影響。摩擦性能主要取決于膜的潤滑性能和摩擦副材料。存在磨損,磨損量不大,泄漏量很小,是機械密封理想的摩擦狀態(tài)。E.邁爾也提出了計算邊界摩擦狀態(tài)下泄漏量的經(jīng)驗公式,從公式可知,影響泄漏量的因素與混合摩擦狀態(tài)是有差異的。泄漏量與介質(zhì)粘度和密封端面寬度均無(wú)關(guān),與縫隙高度h2(粗糙度)成正比。此外還引入了縫隙系數S,它主要是滑動(dòng)速度和泄漏方向的函數。

六、出現邊界摩擦的條件是什么?邊界摩擦有何特點(diǎn)?

邊界摩擦是一種客觀(guān)存在。經(jīng)過(guò)大量的試驗和研究人們漸漸了解到,邊界摩擦只有在低速和高比壓下才有可能出現。前蘇聯(lián)學(xué)者格魯別夫認為:摩擦副的相對滑動(dòng)速度高于5m/s,其間的單位壓力小于0.98MPa(10kgf/cm²)不會(huì )出現邊界摩擦。
必須具備一定的條件才會(huì )出現邊界摩擦。
1)兩個(gè)密封端面是平行的,在外徑處兩者不平行度之和不大于0.06μm/㎝ ;
2)在某一具體的表面粗糙度下,端面比壓和介質(zhì)壓力之比達到一定程度,使縫隙中不能形成液膜壓力;
3)端面比壓Pg>65N/㎝²。
這三條必須同時(shí)滿(mǎn)足,才能出現邊界摩擦。
邊界摩擦的特點(diǎn):
對具體的摩擦副材料,各種介質(zhì)的摩擦系數均相同。從圖76可知,盡管載荷系數和滑動(dòng)速度不同,進(jìn)入邊界摩擦狀態(tài)以后(A點(diǎn)以后)摩擦系數不變。
 

七、干或半干摩擦狀態(tài)有什么特點(diǎn)

在密封縫隙中不存在液體膜,摩擦副表面上吸附有氣體(或介質(zhì)的蒸氣)或氧化層。摩擦主要取決于兩表面的固體作用,磨損嚴重,并且與摩擦副材料以及載荷的關(guān)系很大。隨著(zhù)磨損的加劇泄漏量增大,所以是機械密封竭力避免的摩擦狀態(tài),但是實(shí)際工作中,由于影晌因素很多,干或半干摩擦時(shí)有發(fā)生。
縱觀(guān)上述幾種摩擦狀態(tài),是不以人的意志為轉移的客觀(guān)存在。它們不是孤立的,.而是在某種條件下可以互相轉化的。實(shí)際工作中以混合摩擦狀態(tài)居多數,對于壓力較高和速度較低的機械密封(如攪拌釜中),當制造精度和安裝水平較高時(shí),則多數里現邊界摩擦。運轉中如果工作條件發(fā)生變化,例如工藝流程泵中由于某種原因(壓力下降,溫度升高或組分變輕),在密封腔中出現(或接近)汽化狀態(tài),或正常運轉的泵發(fā)生抽空,這時(shí)密封端面將處于干或半干摩擦狀態(tài)。

八、載荷系數怎樣影晌密封性

密封結構和種類(lèi)不同,載荷系數的計算公式也不同,這在第三章中己討論過(guò),不再重復。
載荷系數對機械密封的密封性、使用壽命和可靠性等有很大影響。從密封性角度考慮希望載荷系數大一些,可得到較高的比壓,密封的穩定性和可靠性都較好。但是載荷系數大產(chǎn)生的摩擦熱多,如不能及時(shí)散去,使密封端面溫度過(guò)高,當達到介質(zhì)汽化溫度時(shí),將發(fā)生汽化,液膜破壞,磨損加大,使用壽命短。尤其是在壓力較高的工作條件下,采用載荷系數大于或等于1.0的非平衡型密封是不允許的。但是對于載荷系數小于1.0的平衡型密封,密封端面有被推開(kāi)的可能,穩定性較差。實(shí)際工作中不希望產(chǎn)生過(guò)多的熱量,又要有足夠的穩定性,權衡利弊,在內流內裝式機械密封中,載荷系數在0.75~0.85較好。當密封流體壓力較低時(shí)也可采用非平衡型密封(K=1.1~1.2)。
據對幾個(gè)大型石油化工企業(yè)的調查,載荷系數與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān),對較重的組分和不易汽化的介質(zhì)載荷系數可取大些,反之宜取小值。載荷系數的值不是孤立選取的,要和彈簧比壓綜合考慮。.彈簧比壓大時(shí),載荷系數可小些,反之宜大些。
 

九、彈簧比壓對密封性有何影響

彈簧比壓是促使密封端面貼合的重要因素。當泵在停車(chē)與啟動(dòng)時(shí)壓力較低,或密封腔中正常工作的壓力低,或工作中壓力出現較大的波動(dòng)時(shí),彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。彈簧比壓的大小要根據密封結構、工作條件、介質(zhì)性質(zhì)和載荷系數等綜合考慮。彈簧比壓大了,有利于密封端面的貼合,改善追隨性,增強密封穩定性,若過(guò)大則摩擦熱量大,功率消耗增加,磨損量大,使用壽命縮短。彈簧比壓過(guò)小,泄漏量大,密封穩定性差。
對內裝內流式密封,彈簧比壓在0.1~0.25MPa之間。對潤滑性好的介質(zhì),速度較低或壓力較低的工作條件,彈簧比壓取上限,反之取下限。如前所述還要和載荷系數緣合考慮。
對外裝式非平衡型密封,彈簧比壓的作用更大,是促使密封面貼合唯一的力,彈簧比壓要比內裝內流式密封大得多。當介質(zhì)壓力在0.1MPa左右時(shí),彈簧比壓在0.3~0.45MPa;當介質(zhì)壓力為0.25MPa時(shí),彈簧比壓應取0.45~0.7MPa。在攪拌釜中,由于其工作轉速低、軸擺動(dòng)較大以及操作壓力波動(dòng)大等特點(diǎn),彈簧比壓也應適當地大些。
對高速機械密封(多屬于內流式密封)雖然采用潤滑性能好的密封流體,考慮到密封的追隨性,彈簧比壓宜取大些,一般在0.2~0.3MPa。此時(shí)載荷系數較小。

十、密封端面的粗糙度對密封性有什么影響

對普通的機械密封,從宏觀(guān)角度考慮正常情況下兩個(gè)端面是平行的,而且是固體接觸。從微觀(guān)角度考慮,任何表面都是高低不平的,即都有一定的粗糙度。通常說(shuō)兩個(gè)平面接觸,實(shí)際上是兩個(gè)平面中的高點(diǎn)接觸了,而大部分表面并沒(méi)有接觸,仍有一定的}縫隙。

表面越粗糙,其縫隙高度h越大,泄漏量越大。為了保持良好的密封性,必須施加更大的端面比壓。圖80表示了這中關(guān)系。眾所周知,端面比壓過(guò)大,必然增加摩擦產(chǎn)生的熱量,這是不利的。因此,密封表面的粗糙度有一定的要求。這樣既有良好的密封性,又有較長(cháng)的使用壽命?,F在我國制造的機械密封,其表面粗糙度Ra值0.04~0.32μm。碳化物的Ra值0.04~0.10μm(相當于▽11和▽10)。其它材料(包括碳一石墨)Ra=0.16~0.32μm(相當于▽9)。
 

十一、兩密封端面之間的縫隙形狀對密封性有何影響

研究機械密封的前提是兩個(gè)密封端面互相平行,實(shí)際情況并非完全如此。由于制造、安裝以及密封結構、工作時(shí)載荷和溫度的影響,兩密封端面可能呈現收斂形、喇叭口形和平行形三種密封端面形狀(圖81)。新安裝投用的機械密封經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間運轉(俗稱(chēng)“跑合”)后,兩密封面趨于平行,泄漏量逐漸減少。跑含時(shí)間長(cháng)短不一,從幾個(gè)小時(shí)到幾個(gè)月,它取決于縫隙的形狀,載荷的大小、滑動(dòng)速度、摩擦副性能及介質(zhì)性質(zhì)等。

所謂收斂形的縫隙形狀,就是靠端面的外緣處縫隙較大,內緣處接觸,沿泄漏方向縫隙逐漸減小。液膜壓力在縫隙里的分布不呈線(xiàn)性,大于平行形的密封端面(圖82),造成密封的開(kāi)啟力增大。由于閉合力中的主要部分彈簧力沒(méi)有增加,因此,在收斂形密封中泄漏量較大,工作不穩定。但潤滑較充分,密封端面磨損速度小。
 
由于密封的接觸面積減小而彈簧力不變,則彈簧比壓增大。這時(shí)有兩種可能,第一種可能如果介質(zhì)潤滑性不好,磨損加劇,接觸面積逐漸增大,直到密封端面全部接觸,這時(shí)兩密封端面已趨于平行,跑合時(shí)間較短;第二種可能是介質(zhì)潤滑性很好,雖然彈簧比壓增大,密封端面的磨損也很小,經(jīng)過(guò)相當長(cháng)的時(shí)間才能完成跑合期,在跑合期內泄漏量比正常密封大一些。
密封端面的縫隙形狀如果是喇叭口狀的,會(huì )出現另一種情況,靠密封端面的外緣處接觸,而內緣有間隙。密封端面接觸的部分存有液膜壓力(圖83),總的液膜壓力小,比密封端面平行的要小。彈簧力不變,由于接觸面積減小(因內徑增大),彈簧比壓和載荷系數增大,最終使端面比壓增大很多,泄漏量少,但是磨損加劇。如果介質(zhì)潤滑性較好,磨損較均勻,那么密封端面可能是光潔的,密封尚可繼續使用。反之,如果磨損劇烈,破壞了密封端面的光潔度(粗糙度),泄漏量大增,動(dòng)靜環(huán)可能也要更換。
 

十二、產(chǎn)生密封端面不平行的原因有哪些

兩密封端面不平行的原因是多方面的,有制造和安裝的原因,也有使用方面的原因。在制造過(guò)程中,由于研磨平板不平,造成密封端面內緣處高,外緣處低。這種情況多發(fā)生在石墨環(huán)中(圖84),用平晶檢查,多呈現同心圓狀的光圈,如果不超過(guò)三個(gè)同心圓尚可使用,如果超過(guò)三個(gè)同心圓或根本無(wú)光圈,那么這個(gè)靜環(huán)不能用。這種情況還有時(shí)發(fā)生在安裝過(guò)程中,對104型國產(chǎn)密封,靜環(huán)墊為4F一V型的,當靜環(huán)的輔助密封圈裝到壓蓋中后,如果輔助密封圈的徑向過(guò)盈值太大,相當于有一個(gè)很大的力作用于A(yíng)點(diǎn)(圖85),使密封端面變形。當密封環(huán)采用熱裝式結構時(shí),如果過(guò)盈值過(guò)大,也會(huì )產(chǎn)生上述現象。
 
即使是安裝前經(jīng)平晶檢查,密封端面符合標準要求,使用過(guò)程中,由于密封環(huán)各點(diǎn)的溫度不同,其熱膨脹值不同,產(chǎn)生了熱變形。此外,在密封腔中壓力較高時(shí),密封環(huán)內外壓差較大,也會(huì )產(chǎn)生機械(力)變形。這許多原因造成了密封端面不平行。

十三、密封端面的機械變形是怎樣引起的

密封環(huán)和許多零件一樣,受載荷就產(chǎn)生一定的變形。有人對其進(jìn)行了研究和定量的計算,由于計算較復雜,并且又做了一些假設,計算結果只能是近似的,因此,不做介紹。但是,定性地了解變形的方向及趨勢是非常必要的。首先分析104型密封的靜環(huán)受力狀況。以∅55的密封為例,這是一個(gè)內裝內流非平衡型密封的靜環(huán)(圖86)。密封環(huán)的外圓柱表面受有介質(zhì)壓力P?,該力促使密封環(huán)向內徑方向變形,簡(jiǎn)化后在圖87上用R表示;在密封端而外徑d?和外徑d4之間平畫(huà)受介質(zhì)壓力P?的作用,簡(jiǎn)化在圖87上用F?表示,密封端面受有兩個(gè)力,一是由介質(zhì)壓力和彈簧比壓組成的端面比壓用Fb?表示,另一個(gè)力是液膜壓力用Fm表示。Fb?均勻地作用于密封端面上,其作用點(diǎn)位于密封端面的中心,而Fm的作用點(diǎn)半徑大于Fb?的位置。軸向力F?、Fb?和Fm通過(guò)靜環(huán)加在靜環(huán)的輔助密封圈上,靜環(huán)的反力用W表示(圖87)。這樣一來(lái)靜環(huán)在這些力的共同作用下,由于作用點(diǎn)的差距產(chǎn)生了一個(gè)順時(shí)針?lè )较虻牧豈,促使靜環(huán)端面產(chǎn)生一個(gè)變形。變形的結果是密封端面的外緣處高(圖88)。對軸∅55的104型密封動(dòng)環(huán)受力簡(jiǎn)化后見(jiàn)圖89。由定性地分析可知動(dòng)環(huán)端面也有一個(gè)順時(shí)針?lè )较虻姆戳?。F?作用點(diǎn)d=62.5mm,Fb?作用點(diǎn)d=60mm。由于作用點(diǎn)差距較小,其力距也不大。
 
其變形的大小與材料的彈性模量成反比。鋼鐵的彈性模量比石墨大一個(gè)數量級,在同樣條件下,石墨環(huán)的變形量要比鋼鐵大一個(gè)數量級。如果用碳化鎢制造密封環(huán),由于其彈性模最比鋼鐵大幾倍,變形量也就小幾倍。變形量還與密封結構有關(guān),如果靜環(huán)密封圈放在靜環(huán)的外圓表面處(圖90),度滲量要大大減小。變形量還與密封流體的壓力成正比,低壓下變形量很小可以忽略,只有在壓力大于1.5~2.0MPai時(shí)才考慮密封環(huán)的機械變形。
 
現舉一計算實(shí)例來(lái)說(shuō)明力變形的問(wèn)題。在一平衡型密封中,密封流體壓力為5MPa,彈簧力忽略不計。動(dòng)環(huán)用司太利硬質(zhì)合金制造,靜環(huán)用石墨制造。經(jīng)計算動(dòng)環(huán)變形量為0.5μm,靜環(huán)變形量為15.9μm兩密封端面變形方向,均是外徑處高,即屬于喇叭口狀的縫隙,疊加后總變形量為16.4μm。
十四、密封環(huán)的熱變形是怎樣產(chǎn)生的
密封環(huán)的結構、摩擦副材料的熱力性能(例如導熱系數、線(xiàn)膨脹系數和散熱系數等)的差異以及密封環(huán)各點(diǎn)溫度不均勻是產(chǎn)生熱變形的根本原因,破壞了密封端面的平行。對于具體的結構和材料,不僅是徑向溫度差,就是軸向溫度差也能影響密封的縫隙形狀。為了說(shuō)明這一問(wèn)題,假定有個(gè)圓筒形的密封環(huán)(圖91),密封端面處于高溫介質(zhì)(因摩擦使溫度升高)中,下端是大氣端。這是實(shí)際工作中經(jīng)常出現的情況。由于兩端溫度不同,高溫端的直徑膨脹量必定大于大氣端(圖91的實(shí)線(xiàn)),使密封端面的內徑高于外徑,運轉中呈收斂形縫隙。
 
沿密封端面的溫度梯度也能改變密封端面的縫隙形狀。沿密封端面處,外緣接觸高溫介質(zhì),內緣向大氣散熱,而溫度較低。由于存有溫度梯度造成外緣熱膨脹大于內緣的熱膨脹量,最終形成喇叭口狀的縫隙。
熱變形量的大小,除了前面談的影響因素外,還與密封端面的溫度差有很大關(guān)系。如帶急冷水的高溫泵機械密封,沿徑向和軸向的溫度梯度都很大,變形量當然也大。選擇導熱性能良好和線(xiàn)膨脹系數小的材料制造密封環(huán),對減少密封端面的熱變形是有利的。此外,.密封端面的寬度也是重要因素。選擇較窄的密封端面不但能減少摩擦熱的產(chǎn)生,還能減少熱變形量,因為其變形量與密封端面寬度成正比。

十五、滑動(dòng)速度和摩擦副材料怎樣影響密封性

德國的E.邁爾曾經(jīng)做過(guò)試驗,由上表試驗結果可見(jiàn):

1)比較序號1和2,動(dòng)環(huán)材料相同,當靜環(huán)材料導熱系數由17.4W/(m.K)改為69.8W//(m.K)時(shí),泄漏量由90cm³/h下降到62cm³/h(v=5m/s時(shí));
比較序號1}和3,靜環(huán)材料相同,只是改變了動(dòng)環(huán)材料,導熱系數由11.6W/(m.K)改為46.5W/(m.K),泄漏量由90cm³/h下降到11cm³/h;同理,在序號2和4中,泄漏量由62cm³/h下降到5cm³/h。其原因是:導熱系數大,散熱及時(shí),密封環(huán)溫度梯度小,熱變形量小,泄漏量少。
2)比較序號2和3,在序號3中,動(dòng)環(huán)導熱系數大,泄漏量少(11cm³/h),序號2中,靜環(huán)導熱系數大,泄漏量大(62cm³/h)。這是因為動(dòng)環(huán)導熱系數大,高速旋轉中散熱性能良好,密封環(huán)本身溫度梯度小,熱變形量小,泄漏最少。
3)各種相同條件下,速度越高,泄i漏量越大。其中主要原因是由于速度高,產(chǎn)生的摩擦熱量多,熱變形大所致。

十六、介質(zhì)粘度對泄漏量有何影響

E.邁爾通過(guò)水、柴油和潤滑油做了大量的試驗研究,這些研究都是經(jīng)過(guò)足夠長(cháng)的時(shí)間(100小時(shí))跑合后進(jìn)行的。’在這段時(shí)聞內摩擦副表面由于磨損而重新變成平行的。試驗證實(shí)了在邊界摩擦范圍內介質(zhì)的粘度對泄漏量沒(méi)有影響,而在混合摩擦和液體摩擦中介質(zhì)粘度不容忽視,這些問(wèn)題前邊討論過(guò),不再重復。

十七、密封端面的寬度對密封性有何影響

對于密封端面平行的摩擦副,密封端面的寬度沒(méi)有多大的影響。為了將2MPa的壓力密封住,只需0.5mm的寬度就足夠了,出于強度和剛度上的考慮而加大了密封端面的寬
 
度。事實(shí)上加大寬度可使發(fā)熱量增大、熱變形大而最終導致泄漏量增大,所以過(guò)寬的密封端面是不利的。
 
十八、離心力對泄漏量有何影響
外流式密封,由于泄漏方向和離心力方向相同,便泄漏量加大;而內流式密封,兩者方向相反,離心力阻礙了泄漏。當兩種密封參數相同時(shí),外流式密封的泄漏量為內流式密封的10倍。所以一般不選用外流式密封結構,只有在某些腐蝕性介質(zhì)中才選用外流式密封。
除上述各種因素對密封性有影響外,輔助設施(如沖冼等)、正確安裝與合理使用,對密封性和使用壽命也都有重要影響。這些在其它章中討論。

 

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