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第三章 机械密封 教学重点: (1)机械密封结构、原理; (2)机械密封与软填料密封比较时的优缺点; (3)内(外)流式单端面机械密封的端面比压计算。 教学难点: (1)机械密封的设计计算; (2)机械密封的冷却、冲洗与安装; (3)特殊工况下机械密封的设计要点。 (4)密封技术与润滑的关系 。 热量的传递有三种方式:对流、间壁导热、辐射。显然机械密封端面的摩擦热就是以这三种方式传递出去的。如果密封环向周围散失的热量与产生的摩擦热相平衡,则可得到一个稳定的温度值。 对于普通机械密封,泄漏量较小,它带走的热量可以忽略,那么摩擦热主要是由轴导入动静环,再由动静环传给周围介质,即: △T------环端面温度与周围介质温度差 l------温度降方向的壁厚,轴向为环厚h,径向为端面宽度b。 显然,λ越小,传出的热量就少,温升越高,PV值就越大;反之,λ越大,传出的热量就多,温升越低,PV值就越小。因此要选择导热系数大的材料。 二、冷却、冲洗方法及系统设计 如果密封环材料的导热性差,介质温度又高,或PV值比较高的情况下,端面间的大量热量不能及时导出,必然引起端面温度急剧上升。其结果可能造成端面间液膜汽化,恶化润滑条件,甚至完全处于干摩擦状态,这不仅使磨损加剧,还会导致密封环的热裂、变形等等。因此只是依靠选择耐高温、导热性好的密封环材料或仅从结构上考虑,都很难达到预期的效果。合理的方法就是强化冷却,使端面摩擦热及时导出。 使端面冷却的方式主要有三种: (2)雷诺润滑方程式 整理后得: 两刚体被润滑油分隔开,移动件以速度v沿x方向滑动,另一刚体静止不动。忽略压力对润滑油的影响,同时假设:润滑油沿Z向没有流动;润滑油的流动是层流流动;油与工作表面吸附牢固,表面油分子随工作表面一同运动或静止;不计油的惯性和重力的影响,认为润滑油不可压缩等等。 取微元体进行分析,根据X方向力的平衡,得: (牛顿粘性液摩擦定律) 积分后,已知:y=0时,u=v;y=h时,u=0,利用边界条件,可得: 再分析任何剖面沿x方向的单位宽度流量 如图3-11二平面间存在一定的斜楔。随着间隙减小,液压增大,而斜楔的进出口处压差为零。故有一液压极大值,对应该处的液膜厚度为h0,则流量 根据流量连续性定理qx=qx’,得 称为一维的雷诺动压润滑方程。可发现油压的变化与润滑油的粘度表面滑动速度和油膜厚度的大小有关。 2.机械密封的摩擦特性 工况参数G是液膜粘性力与液膜负荷的比值,它是表示液膜形成的难易程度的无量纲特性值,它表示为: 式中: μ—密封流体粘度,Pa·s v—端面平均线速度,m/s w—端面承受的总载荷,N b—密封面的宽度,m G值越大,表示越容易形成液膜,相应的液膜厚度也越大。经实验测得,G与f之间的关系为: 参看图3-12,当G≥1×10-6时,系数Φ=常数,两个密封面被液膜完全隔开,处于液体润滑状态,密封面间有较厚的液膜(图3-13);当G=0.1~1×10-6时,Φ≠常数,液体处于边界润滑或半液体润滑状态,而密封表面被一层具有分层结构和润滑性能的边界膜分开。 对于一定的结构尺寸和材料组对的密封,Φ存在着一个临界值Φc,如图3-14,Φ﹥Φc为密封区,Φ﹤Φc为泄漏区。 对于机械密封,要想做到绝对不泄漏是很困难的,只要泄漏量Q满足工艺要求,将G控制在0.1~1×10-6的范围内。 1 、液膜静压力——力图使端面开启的力 包括液膜静压力和液膜动压力。 二、端面液膜压力 当密封间隙有较小泄漏时,密封环内外径处存在压差,一端是大气压,一端是介质端,这个压差促使液体流动,另一方面,液体流过缝隙时要受到密封面的阻碍,压力将逐步降低。 中性粘度液体 r1 r2 r dr p pr 设沿半径方向r处,dr的环面积上液膜静压力为pr,当密封液体压力为p ,作用于密封面上的开启力为R ,则R为: 由三角形相似: 代入上式积分: 再以pm代表端面上平均液膜静压力 ,则 (1) (2) 由(1)和(2)得 其中 称为液膜静力反压系数 r1 r2 r dr p pr 2、液膜动压力 奈维斯托克斯方程: 与轴承润滑理论中的一维雷诺润滑方程推导方法相同,可得出 μ—粘度 v—流体沿运动方向流动的线速度 h—膜厚,即两端面间隙 h0—液膜压力出现最大值处的膜厚 结论: 1)?p/?x∝v,当v=0时,?p/?x=0,说明动压力由流体运动而产生; 2)?p/?x∝μ,流体粘度越大,产生的动压力也越大; 3)当h-h0﹥0时,?p/?x﹥0;h-h0﹤0时,?p/?x﹤0.说明液膜沿x方向各处液压都大于入口和出口的液压(收敛液膜),能产生压力支承外载; 4)液膜厚度h 越小,?p/?x越大,说明液膜越薄,承载能力越高; 5)如
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