《流體密封與潤滑基礎(chǔ)課程》－基本參數(shù)

1、流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章2機(jī)械密封的基本參數(shù) 機(jī)械密封要達(dá)到正常工作的工作介質(zhì)不泄漏；還應(yīng)滿足三個必要條件：動貼合性、潤滑性、補(bǔ)償性。對端面平直度、表面粗糙度等幾何參數(shù)提出要求 端面垂直軸線受力不均熱變形振 動動貼合性不好1.動貼合性流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章2 2）潤滑性 潤滑性與摩擦狀態(tài)、液膜厚度等因素有關(guān)： 潤滑好，磨損少，散熱好，壽命長，對密封的性能參數(shù)提出要求。 研究摩擦狀況與泄漏量的關(guān)系、摩擦因數(shù)、摩擦功率、PV值等，均屬于性能參數(shù)。 3）補(bǔ)償性 磨損要進(jìn)行軸向補(bǔ)償。 磨損情況與密封端面的受力狀況有關(guān)，給密封端面施加一個端面比壓，需研究其力學(xué)性能； 磨損情況還與密封面的幾何尺寸，如密

2、封端面的高度、密封環(huán)的寬度有關(guān)等，對幾何參數(shù)提出要求。機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封面的真實(shí)幾何形狀是由表面形狀誤差、表面波度和表面粗糙度著三部分組成 。 密封面的幾何形狀參數(shù)2.1.1機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 1表面形狀誤差 H/L1/1000 表面形狀誤差是指密封件在加工成形時所具有的宏觀幾何形狀誤差。根據(jù)JB4127-85機(jī)械密封技術(shù)條件規(guī)定：機(jī)械密封端面平面度為0.0009mm。 平面度主要表現(xiàn)在半徑方向上具有軸向錐度，用錐角(ho-hi)/(Ro-Ri)。 “”錐度說明密封面間隙為向里收斂間隙； “”錐度說明密封面間

3、隙為向里擴(kuò)散間隙。 使用過程中因受力、熱也會造成軸向錐度。 密封面的幾何形狀參數(shù)2.1.1機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 平面度的檢驗(yàn)方法： 采用光學(xué)平晶檢查，將光學(xué)平晶放在被檢的密封環(huán)端面上，用單色光源（鈉光=0.0006mm ），可觀察到光的干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋 。每出現(xiàn)一組干涉條紋，對應(yīng)的平面度數(shù)值即為/2。 機(jī)械密封平面度要求為0.9m，采用鈉光光源,/2 0.3m，相當(dāng)于 3條干涉條紋。 密封面的幾何形狀參數(shù)2.1.1機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 2表面波度 1/50H/L1/1000 表面波度是密封表面加工所形成

4、的較長而且有規(guī)律的波浪形紋理。常由加工工藝系統(tǒng)低頻振動引起的表面幾何形狀誤差，具有一定的波高、波長、波數(shù)。此外，由于結(jié)構(gòu)和受力不均勻也會產(chǎn)生表面波度。 密封面的幾何形狀參數(shù)2.1.1機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 3.表面粗糙度 H/L1/50 表面粗糙度是加工時在表面波紋上形成的較小的幾何輪廓。常用輪廓算術(shù)平均誤差Ra表示。有時也用微觀不平度十點(diǎn)平均高度Rz來表示。JB4127-85機(jī)械密封技術(shù)條件規(guī)定：金屬材料（或硬環(huán)）密封端面的表面粗糙度 Ra0.2m；非金屬材料（或軟環(huán)）密封端面的表面粗糙度Ra0.4m。 密封面的幾何形狀參數(shù)2.1.1機(jī)械密封的基本參數(shù)流體

5、潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 對于接觸式密封，通常都是微凸體接觸。兩個平面接觸，密封面間隙h0可以根據(jù)表面粗糙度來確定。即：兩個環(huán)表面不平度中點(diǎn)間平均間距。 密封副密封面間隙由兩部分組成，即由密封面靜間隙hst和密封面動間隙hdyn組成。用下式表示： h0hsthdyn （31） 單位：m 密封摩擦副密封面間隙h02.1.2機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 1密封面靜間隙hst 密封面靜間隙hst常采用粗糙度比C表示， C Ra / Ry （32） 作為微觀表面完整系數(shù)來考慮。 hst = (Ry12 / Ra1 + Ry22 / Ra2) （33a）或 hs

6、t = (Ry1 / C1 + Ry2 / C2) （33b） 式中 Ra1、Ra2 分別為表面1、2的輪廓算術(shù)平均偏差；Ry1 、Ry2 分別為表面1、2的輪廓最大高度； C1 、C2 分別為表面1、2的粗糙度比。 密封摩擦副密封面間隙h02.1.2機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封摩擦副密封面間隙h02.1.2機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 2密封面動間隙hdyn 當(dāng)考慮兩個環(huán)之間相對運(yùn)動所產(chǎn)生的流體動壓效應(yīng)時，密封面有動間隙。動間隙的大小與表面粗糙度、介質(zhì)的動力粘度、密封環(huán)的平均周速、密封端面比壓等因素有關(guān)。 hdyn k Rz

7、(/ pcRz ) n （34） 式中k為無因次系數(shù)，對潤滑油，k0.070.15； Rz為微觀不平度十點(diǎn)平均高度，m；為介質(zhì)的運(yùn)動粘度，Ns/m2； 為密封環(huán)的平均線速度，m/s；pc為密封面比壓，N/m2；n為指數(shù)，n=2/3。 密封摩擦副密封面間隙h02.1.2機(jī)械密封的基本參數(shù)流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 機(jī)械密封接觸面積2.1.3機(jī)械密封的基本參數(shù) 廣義的接觸面積有三種。 1、名義接觸面積An 兩接觸物體宏觀邊界所決定的幾何面積，即具有理想光滑平面的兩物體接觸的面積。 Anab An =/4 (d22d12） 式中d1、d2 為密封界面內(nèi)、外直徑，m；式35流體潤滑與密封

8、基礎(chǔ)第 章32.1幾何參數(shù) 機(jī)械密封接觸面積2.1.3機(jī)械密封的基本參數(shù) 2、輪廓接觸面積Ac 輪廓接觸面積是指兩物體接觸表面波峰上接觸的輪廓接觸微元面積之和。 Ac =Aci （36） 式中Aci為輪廓接觸微元面積 ，m2；流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 機(jī)械密封接觸面積2.1.3機(jī)械密封的基本參數(shù) 3、實(shí)際接觸面積Ar 實(shí)際接觸面積是指為微凸體接觸時各微凸體發(fā)生變形而產(chǎn)生的微凸體接觸面積的總和。 Ar =Ari （37） 式中Ari為各微凸體接觸面積 ，m2； 接觸面積的極小一部分，實(shí)際接觸面積隨接觸面間載荷的增大而增加，更多新的接觸點(diǎn)產(chǎn)生。機(jī)械密封的接觸比壓就是由實(shí)際接觸面積的

9、承載能力轉(zhuǎn)換為名義接觸面積的承擔(dān)能力。 流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封面的寬度和高度2.1.4機(jī)械密封的基本參數(shù) 機(jī)械密封常用幾何尺寸及符號說明見圖。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封面的寬度和高度2.1.4機(jī)械密封的基本參數(shù) 1密封面寬度b 密封面寬度b是重要的宏觀幾何參數(shù)，摩擦熱與密封面寬度b成正比。密封面太寬，產(chǎn)生的熱量大使密封面溫升增高；密封面寬度b小，釋放的熱量小，摩擦副的導(dǎo)熱條件得到改善；但密封面寬度b太小，會使密封面接觸比壓增大，密封面突臺強(qiáng)度降低，變形大，磨損加劇，泄漏量增大。 因此，要合理選擇密封面寬度。 流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù)

10、密封面的寬度和高度2.1.4機(jī)械密封的基本參數(shù)軸徑 d510 1020 2030 3050 507070100寬度 b1.5223 2.52.534 2.54.545軸徑 d 100120 120150 150170 170200 200220 220250寬度 b 4.55.556 5.56.567 6.57.578密封面寬度b的推薦值流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封面的寬度和高度2.1.4機(jī)械密封的基本參數(shù) 寬環(huán)密封面寬度的選擇： 為了避免硬環(huán)嵌入軟環(huán)，通常軟環(huán)的密封面要比硬環(huán)密封面窄些。一般軸徑為15200mm的密封副，密封面寬度差為Bb=14mm。對于材料導(dǎo)熱性差的密封環(huán)

11、，其寬環(huán)的密封面寬度B亦應(yīng)取小值，以利于散熱。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封面的寬度和高度2.1.4機(jī)械密封的基本參數(shù) 2密封面的高度h 密封面承磨突臺高度h取決于材料的強(qiáng)度、剛度及耐磨性能。根據(jù)JB4127-85機(jī)械密封技術(shù)條件,磨損速度0.02mm/100h，可按摩擦副材料和工作壽命計(jì)算選取高度h。如一般機(jī)械密封使用壽命為8000小時，承磨突臺高度h1.6mm。通常對于硬質(zhì)合金、碳化硅等硬質(zhì)材料，h=2mm，對于碳石墨、聚四氟乙烯、青銅等軟材料，h3mm。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 平衡直徑db2.1.5機(jī)械密封的基本參數(shù) 平衡直徑db又稱水力直徑，它是指密封

12、流體壓力在補(bǔ)償環(huán)輔助密封處的有效作用直徑。對于滑移式機(jī)械密封，根據(jù)機(jī)械密封具體結(jié)構(gòu)的不同，平衡直徑或者是與輔助密封圈接觸的內(nèi)表面的直徑，或者是與輔助密封圈接觸的外表面的直徑，見圖。 平衡直徑db的判斷：對于普通滑移式機(jī)械密封，平衡直徑的判斷可根據(jù)：當(dāng)密封端面磨損后，補(bǔ)償環(huán)作軸向位移時，輔助密封圈有相對位移處的那個表面的直徑，即為平衡直徑。故平衡直徑也常被稱為滑移直徑。 流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù)機(jī)械密封的基本參數(shù) 平衡直徑db2.1.5流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 載荷系數(shù)K2.1.6機(jī)械密封的基本參數(shù) 載荷系數(shù)K既是幾何參數(shù)，又是性能參數(shù)。它是指密封流體壓力作用在補(bǔ)

13、償環(huán)上，使之對于非補(bǔ)償環(huán)趨于閉合的有效作用面積Ae與密封環(huán)帶名義接觸面積A之比，故又稱面積比。 KAe / A已知密封環(huán)帶名義接觸面積為： A (d22 d12 ) 密封流體壓力作用的有效作用面積根據(jù)受壓情況不同而異。分別對背面高壓式和背面低壓式機(jī)械密封進(jìn)行討論。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 載荷系數(shù)K2.1.6機(jī)械密封的基本參數(shù) Ae (d22 db2 ) 則：K (d22 db2 ) / (d22 d12 ) 1背面高壓式 例1 討論：若d122mm； d225mm1）當(dāng)db1 非平衡型2）當(dāng)db= d1時，若db22，K=1 非平衡型3）當(dāng)d1db d2時，若db23，0K

14、d2時，若db26，K0 過平衡型流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 載荷系數(shù)K2.1.6機(jī)械密封的基本參數(shù) Ae (db2 d12 ) 則：K (db2 d12 ) / (d22 d12 ) 2背面低壓式1）當(dāng)db d1時，若db20，K0 非平衡型2）當(dāng)db= d1時，若db22，K=0 非平衡型3）當(dāng)d1db d2時，若db23，0K d2時，若db26，K1 非平衡型 例2 討論：若d122mm； d225mm流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 載荷系數(shù)K2.1.6機(jī)械密封的基本參數(shù) 通常，壓差小時取非平衡型；壓差大時取平衡型。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械密封載荷系數(shù)K取值范圍見表。非平衡型平

15、衡型背面高壓式K1.11.2K0.60.9背面低壓式K0.30.6K0.60.9流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 有效直徑de2.1.7機(jī)械密封的基本參數(shù) 對于波紋管型機(jī)械密封，平衡直徑的值可近似的取有效直徑de。波紋管機(jī)械密封的有效直徑de，可通過試驗(yàn)確定，大致在波紋管中徑附近。 波紋管機(jī)械密封的有效直徑，根據(jù)受壓不同而有所區(qū)別。 外流式波紋管機(jī)械密封，當(dāng)波紋管內(nèi)側(cè)受到一定大小的流體壓力p作用而長度L又保持不變時，它在軸向所產(chǎn)生的力F相當(dāng)于以有效直徑de與軸直徑d之間的環(huán)形活塞端面受壓力p作用所產(chǎn)生的力。 有效直徑de2.1.72.1幾何參數(shù)受內(nèi)壓時 有效直徑de2.1.72.1幾何

16、參數(shù)受外壓時 內(nèi)流式波紋管機(jī)械密封，當(dāng)波紋管外側(cè)受到一定大小的流體壓力p作用而長度L又保持不變時，它在軸向所產(chǎn)生的力F相當(dāng)于以波紋管外徑d4與有效直徑de之間的環(huán)形活塞端面受壓力p作用所產(chǎn)生的力。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 有效直徑de2.1.7機(jī)械密封的基本參數(shù) 有效直徑de 的計(jì)算： 由于波紋管機(jī)械密封的有效直徑影響因素比較多，因此通常按未承壓時近似的波紋管有效直徑計(jì)算： de= (d3+d4)式中：d3 波紋管內(nèi)徑，m d4 波紋管外徑，m 流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 有效直徑de2.1.7機(jī)械密封的基本參數(shù)對于車制聚四氟乙烯波紋管矩形波，波紋管有效直徑： d

17、e= (d32 + d42 )流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 有效直徑de2.1.7機(jī)械密封的基本參數(shù)對于焊接金屬波紋管等的鋸齒形波，波紋管有效直徑： de=1/9 (d32 + d3d4 +d42 )流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 有效直徑de2.1.7機(jī)械密封的基本參數(shù)對于擠壓成型的金屬波紋管等的U形波 ，波紋管有效直徑： de=1/64 (3d32 + 2d3d4 +3d42 ) 上述近似公式的計(jì)算與實(shí)際值有一定偏差，壓力越高，偏差越大。由試驗(yàn)表明：焊接金屬波紋管的有效直徑是隨系統(tǒng)壓力增加而減小。而擠壓成型波紋管的有效直徑是隨系統(tǒng)壓力增加而增大。下圖是由焊接金屬波紋管

18、有效直徑de的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的dep曲線。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封環(huán)直徑與間隙2.1.8機(jī)械密封的基本參數(shù) 1、靜環(huán)與軸的間隙e1 因?yàn)檩S與靜環(huán)相對轉(zhuǎn)動，所以靜環(huán)與軸之間必須留有一定的間隙e1。一般取靜環(huán)內(nèi)徑與軸的間隙e10.51.5mm，根據(jù)安裝精度、軸徑大小及軸的偏擺程度來決定。通常，泵用機(jī)械密封e1可取小值，釜用機(jī)械密封e1可取大值。 軸徑d小， e1取小值；軸徑d大， e1取大值。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封環(huán)直徑與間隙2.1.8機(jī)械密封的基本參數(shù) 2、動環(huán)與軸的間隙e2 動環(huán)與軸的配合間隙可按直徑大小取e20.51mm，注意不要將間隙選擇過大，以

19、免動環(huán)密封圈被擠出。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封環(huán)直徑與間隙2.1.8機(jī)械密封的基本參數(shù) 3、密封界面內(nèi)外徑d1、 d2 當(dāng)已知載荷系數(shù)K、密封端面寬度b及間隙e1后，可根據(jù)軸徑d計(jì)算密封端面的直徑d1、 d2 。 根據(jù)壓力選取載荷系數(shù)K；根據(jù)材料、軸徑選取密封端面寬度b；根據(jù)機(jī)器類型和軸徑初設(shè)間隙e1；按密封類型計(jì)算密封端面的直徑d1、 d2 。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.1幾何參數(shù) 密封環(huán)直徑與間隙2.1.8機(jī)械密封的基本參數(shù) 3、密封界面內(nèi)外徑d1、 d2 背面高壓內(nèi)裝式：K(d22 db2 ) / (d22 d12 ) 且d2d12b 則： 背面低壓外裝式：K(db

20、2d12 ) / (d22 d12 ) 且d2d12b 則：流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 受力分析2.2.1機(jī)械密封的基本參數(shù) 右圖為機(jī)械密封軸向力平衡的示意圖。 討論補(bǔ)償環(huán)的軸向受力。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 受力分析2.2.1機(jī)械密封的基本參數(shù) 作用于補(bǔ)償環(huán)上使之對于非補(bǔ)償環(huán)趨于閉合的力叫做閉合力Fc。閉合力主要由密封流體壓力和彈性元件的彈力（或磁性元件的磁力）等引起的。而作用于補(bǔ)償環(huán)上使之對于非補(bǔ)償環(huán)趨于開啟的力稱為開啟力F0。開啟力一般是由密封端面間的流體膜的壓力引起的。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 受力分析2.2.1機(jī)械密封的基本參數(shù) 當(dāng)機(jī)械密

21、封正常工作時，其閉合力Fc 應(yīng)大于開啟力F0 ，即Fc F0 ，否則密封失效。 通常定義：使密封副趨于閉合的力的方向?yàn)椤啊?，使密封副趨于開啟的力的方向?yàn)椤啊薄?流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 密封端面液膜壓力2.2.2機(jī)械密封的基本參數(shù) 為保證端面間有一層穩(wěn)定的液膜，就必須正確控制端面承受的載荷W。W值與液膜的承載能力密切相關(guān)。與平面軸承類似，機(jī)械密封端面間液膜的承載能力，稱為端面液膜的壓力，它包括了液膜靜壓力和液膜動壓力。 當(dāng)密封間隙有微量泄漏時，由于密封環(huán)內(nèi)、外徑處的壓差促使流體流動，而流體通過縫隙受到的密封面的節(jié)流作用，將壓力逐步降低。假設(shè)密封端面間隙內(nèi)流體流動的單位阻力沿半徑

22、r方向不變，即不計(jì)液體的旋轉(zhuǎn)慣性力和由于流體沿縫隙流動時溫度升高而造成粘度的變化等因素，則流體沿半徑的壓力降呈線型分布。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 密封端面液膜壓力2.2.2機(jī)械密封的基本參數(shù) 1液膜靜壓力 例如：中等粘度的液體（如水），其延徑向的壓力就近似于三角形分布；低粘度液體（如液態(tài)丙烷等）壓力分布呈凸形；高粘度液體（如重油）則呈凹形。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 密封端面液膜壓力2.2.2機(jī)械密封的基本參數(shù) 密封端面間流體膜平均壓力反壓系數(shù):流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 密封端面液膜壓力2.2.2機(jī)械密封的基本參數(shù)密封工況液膜反壓系數(shù)平均液膜壓力p

23、m一般液體0.50.5p粘性大的液體0.30.3p氣體、液態(tài)烴等0.70.7p經(jīng)驗(yàn)數(shù)值流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 彈簧作用力Fs2.2.3機(jī)械密封的基本參數(shù) 彈簧作用力始終使密封面保持貼合，始終為“” 。使當(dāng)密封流體壓力很小或波動時，仍能維持一定的閉合力，使密封端面貼合，保持密封作用。當(dāng)密封端面磨損時，壓縮彈簧伸長，使補(bǔ)償環(huán)產(chǎn)生軸向移動進(jìn)行補(bǔ)償，彈簧作用力隨之下降。彈簧作用力下降的幅度，由彈簧剛性決定，彈簧剛性大，下降幅度也大。一般應(yīng)控制彈簧作用力下降幅度不超過1020%。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 彈簧作用力Fs2.2.3機(jī)械密封的基本參數(shù) 彈簧作用力Fs通常用彈簧比壓ps表示，彈簧比壓是彈簧等彈性元件施加到密封環(huán)帶單位面積上的力，即 ps= Fs / A , MPa 彈簧比壓的選取，與密封端面的平均線速度、密封流體壓力、密封件材料、密封結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)，密封端面的平均線速度影響因素最大，因此可參照相關(guān)資料謹(jǐn)慎地選取合適的彈簧比壓。流體潤滑與密封基礎(chǔ)第 章22.2力學(xué)參數(shù) 彈簧作用力Fs2.2.3機(jī)械密封的基本