川崎前锋对蔚山现代4月23号:機械密封泄漏量淺析

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  泄漏量是機械密封性能的重要指標。由于泄漏理論研究不充分,同時影響因素眾多,目前工程界尚無廣泛接受的泄漏量計算公式。該文希望能以工程計算的方式,提供一種油類泄漏量的變化趨勢,供大家參考。

  前言

  機械密封是一種流體旋轉機械的密封裝置,由于其性能可靠、節能環保、使用壽命長、自動化程度高等特點,如今廣泛應用于石油石化、汽車、船舶、原子能、航空航天等行業。密封性一般用來評價一個密封的有效性,通常用泄漏量來表示。對于機械密封的泄漏量,我國JB/T4127-85《機械密封技術條件》中規定,常溫清水試驗,平均泄漏量軸(或軸套)外徑大于50mm時不超過5mL/h,軸(或軸套)外徑不大于50mm時不超過3mL/h。日本工業標準(JIS B2405-77)《機械密封通用規范》中規定泄漏量為3mL/h以下;原蘇聯《離心油泵用端面密封——產品檢驗質量要求》中規定泄漏量不超過20mL/h。

  目前理論界一般都采用德國E.邁爾(Mayer,E)提供的混合潤滑狀態下的泄漏量公式來進行機械密封泄漏量的定性研究。由于E.邁爾并未給出公式中流動系數C2的測定方法,所以真空技術網(//www.lpfxlz.com.cn/)認為不能通過該公式來得到泄漏量的精確解。國內密封書籍一般沿襲了E.邁爾的方法,目前尚未找到計算泄漏量的準確方法。

  此文章結合博格曼機械密封專業軟件GLRD和E.邁爾(Mayer,E)泄漏量計算公式,對常見的水類和油類工況進行了泄漏量計算,試圖找到一個泄漏量范圍和發展趨勢,為機械密封的最終用戶、設備廠商和生產廠家提供一個直觀的認識。

1、理論背景

  一般認為機械密封端面摩擦副存在3種類型的摩擦狀態:流體潤滑狀態(也稱作液膜潤滑狀態)、混合潤滑(也稱作混合磨擦)狀態和干摩擦狀態。絕大多數機械密封工作狀態都處于混合磨擦狀態,極少數流體動壓密封和流體靜壓密封處于流體潤滑狀態,在開機和關機的瞬間機械密封可能處于瞬時干摩擦狀態。密封端面摩擦副處于混合潤滑狀態時,E.邁爾(Mayer,E)給出如下經驗公式:

機械密封泄漏量淺析

機械密封泄漏量淺析

機械密封泄漏量淺析

機械密封泄漏量淺析

3、結果與推論

  綜上,計算結果如下:水的泄漏量Q 水=0.835mL/h;ISOVG5的泄漏量為QVG5= =4.30mL/h;ISOVG100的泄漏量為QVG100=93.53mL/h。結合E.邁爾泄漏量公式,可以得出如下推論:

  (1)從E.邁爾泄漏量公式可以看出,泄漏量隨著介質粘度的增加而增大;

  (2)一般情況下,水的粘度和端面比壓均小于油,故通常泄漏量小于油;油的混合摩擦中液膜潤滑的比例大于水,即油的潤滑效果較好,不易出現干摩擦;

  (3)由于水的粘度隨著溫度的升高而減小,其泄漏量將隨之減少,混合摩擦中液膜潤滑部分減少,干摩擦部分增加,密封發生干摩擦的機會增大;

  (4)油的粘度隨著溫度提高而減少,泄漏趨勢和潤滑效果同水一致;

  (5)油的泄漏量與其粘度大致成正比;

  (6)不同粘度的油類,隨著粘度的增大,存在一個點:在此粘度下,泄漏量符合行業標準;大于此粘度,泄漏量超標;

  (7)隨著油類粘度的增大,其潤滑狀態存在由混合摩擦轉變為油膜潤滑的趨勢;

  (8)從泄漏量的角度分析,高粘度油類與普通介質不宜選擇同種密封。

4、理論分析

  隨著介質粘度的增加,泄漏量呈現不斷上升的趨勢。布基奇認為,密封摩擦副處在表面張力作用下形成彎月形液面,并由于此處表面張力的作用而達到穩定的密封。實際上幾乎所有的接觸式機械密封都是處于混合摩擦狀態,其中包含了液膜潤滑、邊界潤滑和干摩擦等三種摩擦狀態。在液膜潤滑部分必然受到介質表面張力的影響。一般認為,表面張力隨著分子量的增大而增加,油類的粘度和分子量也呈現類似的趨勢。這個就是隨著油的粘度增加其泄漏量隨之增大的原因。在表面張力作用下,高粘度油類由于較大的表面張力其動靜環被油膜推開的趨勢增加,摩擦副端面存在轉變為油膜潤滑的趨勢。

  從計算結果來看,水和粘度較低的油類泄漏量一般能夠符合行業標準對泄漏量大小的規定。油類泄漏量正比于其自身粘度,低粘度油類可以滿足泄漏量允值,隨著粘度的增加,泄漏量逐漸上升,超過一定粘度后,泄漏量超過規定值。從這個角度分析,用于普通粘度介質的機械密封無法用于高粘度介質,其泄漏量將無法滿足標準要求。這個結論同密封的實際應用是相符的。

  主機廠在驗收機械密封時,一般都是以水來進行試驗,通常都能滿足行業標準提供的泄漏量允值。但是在現場,實際工況往往是具有一定粘度的油類;隨著被密封介質粘度的增加,機械密封的泄漏量會不斷地增加,甚至可能超出規定值。這是由接觸式密封原理本身決定的。密封和泄漏是一個相對的概念,無泄漏是相對的,泄漏是絕對的。一方面對機械密封而言,密封界面維持一層潤滑液膜,使其處于邊界潤滑或混合潤滑狀態,減少摩擦和磨損而允許少量的泄漏是合理的;另一方面追求過低的泄漏率會增加對密封結構、材料選擇和制造難度,降低經濟型。當密封摩擦副表面粗糙度一定時,提高端面比壓雖能減少泄漏損失,但增大了摩擦和摩擦熱,加劇了摩擦副的磨損量,而且摩擦熱還會引起熱變形而促使泄漏量加大,甚至產生熱應力裂紋而使密封失效。反之,減少端面比壓可以減少摩擦和磨損,延長密封使用壽命,但是加大了泄漏損失和降低了工作效率。下圖為摩擦、磨損、泄漏、功耗和壽命的關系。

摩擦、磨損、泄漏、功耗和壽命的關系

圖3 摩擦、磨損、泄漏、功耗和壽命的關系

5、結束語

  在實際運用中,如何保證一個滿足客戶需要的泄漏量,同時滿足使用壽命的要求,是我們廣大密封工作者不斷探索,積極進行技術研發的一個重要方向。