单端面平衡型机械密封副材料匹配选用设计.pdf

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1、单端面平衡型机械密封副材料匹配选用设计熊俊(长岭炼化岳阳工程设计有限公司，湖南岳阳414000)摘要：机械密封，也称为端面密封，是一对或者数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置。其中端面比压P。和平均周速v的乘积又是影响机械密封材料匹配选择是否合适的两个重要性能参数。本文仅针对石油、化工行业中平行面混合摩擦、液相接触式密封的内装式单端平衡型机械密封副的材料匹配设计进行简单分析。关键词：机械密封；端面比压P。；膜压系数Km；裁荷系数B1机械密封的基本密封原理：机械密封，也称为端面密封，是一对或者数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置。它是依靠弹性构件(如弹簧

2、或波纹管或波纹管及弹簧组合构成)和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面，产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，密封端面之间维持一层极薄的液体薄膜而达到密封的目的，这层液体膜具有流体动压力与静压力，起着润滑和平衡压力的作用。2内装单端平衡机械密封动环受力分析及端面比压Pb计算图1内装单端平衡机械密封受力图由图1动环受力情况看，动环与静环之间有很小的间隙。并保持有一层液膜，液膜压力形成了推开力。液膜压力在密封面外侧为介质压力，在内测接近轴处，压力为大气压，为了克服推开力，就需要动环左边的弹簧力s及介质压力产生的作用力Pt，来使得接触面保持一定的比压P“，以保证密封

3、。其动环力平衡的方程式为：Pb+R=Pj+S。2．1端面液膜压力R与平均膜压P一(膜静压力)及密封面主要尺寸D。、D，的关系为了保证端面间有一层稳定的液膜(半液体润滑膜或边界润滑膜)，就必须正确控制端面承受的的载荷，而端面载荷多大合适，是与液膜承载能力密切相关的。机械密封端面间隙液膜承载的能力，称为端面膜压力R。端面膜压力包括：液膜静压力(即平均膜压PR)和液膜动压力(由于密封微观状态的影响因素很多，以及试验技术的困难，目前还不能提出能直接用于设计计算的液膜动压力公式，故液膜压力都是粗略地以液膜静压力为计算依据，必要时再通过实验进行修正)两部分。端面液膜静压力R与平均

4、膜压P。及密封面主要尺寸Dz、D，的关系式为：PR=Rf'B"(D22一D12)／4。2．2平均膜压P一与介质压力P·的关系见图1中膜压分布图，如果液体粘度接近水时，液体压力分布为直线(图中a线)。积分可得接触面上液膜平均压力为：PR=KmPl。式中：Km一膜压系数，定义为平均膜压PR与介质压力P·之比，由3．1、3．2内容所述其值的大小不仅与密封端面尺寸有关、还与介质性质、转速、压力及密封表明状态有关。它反映了流体液膜的承载能力。对两密封面为平行面的机械密封，粘度接近水，则膜压直线分布，如图1中b线；若粘度比水大，则膜压如图l中C线；若粘度比水小，则膜压如图1中a线

5、。对两端面为收敛形，膜压如图1中a线；若两端面为径向发散形的，膜压如图1中c线。其值大小不仅与密封端面尺寸有关，还与介质的性质、压力、转速及密封面表面状态有关。当介质为水时(或者液膜静压力近似地按三角形分布时)通常Km取0．5，当介质为油时，Km取0．34，为气时，Km取0．67，介质为液化气时，Km取0．7．一般情况下，Km取0．7。但在高速条件下，液膜动压效应不能忽略，应通过试验确定Km值。2．3内装单端平衡型机械密封端面比压P-计算由上述2-2．2所述内容，单端平衡型机械密封湍面比压Pb经简化(令式中B=(D2：-db2)／(D22-Dt2))后的公式为：Pb=

6、(B-Km)Pl+Ps。式中：Pn一机械密封端面单位面积上所受的力称为端面比压，N。Pl一介质压力，Pa。D广密封面内径，mm；D：一密封面外径，mm；db一轴肩或者轴套直径，mm。Ps-弹簧比压，由弹簧力作用在密封端面单位面积上的压力称为弹簧比压Ps，其计算公式为Ps=S／A(其中s弹簧力，A为密封环面积丌(D：2一D,2)／4，D，一密封面内径，mm；D：一密封面外径，mm)。机械密封常用的弹簧比压Ps(MPa)查阅((密封设计手册》中所推荐的值B一载荷系数，表示介质压力作用到动环上的负荷加到密封面上的程度。载荷系数可以用面积比表示，即载荷面积与密封端面面积之比。

7、简化后内流式单端平衡机械密封的载荷系数计算公式为：B=(D22-db2)／(D22-D。2)。载荷系数的大小，通常可通过在轴或轴套上设置台阶，以减小载荷面积改变B值。根据载荷的程度不同，机械密封可分成三种平衡型式(非平衡型、平衡型和过平衡型)。载荷系数B的推荐值查阅《密封设计手册》。B值的大小与介质的黏度、温度、汽化压力有关，粘度低时取小值，但一般取B≥0．5．在结构设计中初步计算端面比压时，可根据介质压力、介质特性、摩擦副材料等按经验通过实验获得。密封面端面宽度b是重要的几何尺寸，密封宽度应根据轴径、介质的性质和压力、转速、摩擦副的材料来选取。初选