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水泵知识

机械密封端面压比的计算

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    作用在密封环带上单位面积上净剩的闭合力称为端面比压,以Pc表示,单位为MPa。端面比压大小是否合适,对密封性能和使用寿命影响很大。比压过大,会加剧密封端面的磨损,破坏流体膜,降低寿命;比压过小会使泄漏量增加,降低密封性能。
    ①端面比压的计算  端面比压可根据作用在补偿环上的力平衡来确定。它主要取决于密封结构形式和介质压力。现以内流式单端面机械密封为例来说明端面比压的计算方法,对补偿环作受力分析,其轴向力平衡见图5—37。

图5-37

    a.弹簧力Fs  由弹性元件产生的作用力,其作用总是使密封环贴紧。用弹簧力Fs除
图5-37  内流式单端面机械密封补偿环轴向力平衡以密封环带面积A 9即弹性元件施加到密封环带单位面积上的力,称为弹簧比压夕s,单位为MPa。
Ps=Fs/A
    b.密封流体推力Fp  在图5-37结构中,密封流体压力在轴向的作用范围是从db到d2的环形面,其效果是使密封环贴紧。显然,由于密封流体压力而产生的轴向推力为
FP=π(d22-db2)p/4=Aep
p=p1-p2
式中  Ae—密封流体压力有效作用面积,mm2;
       p—密封流体压力,指机械密封内外侧流体的压力差,MPa。
    密封流体推力Fp在密封面上引起的压力,称为密封流体压力作用比压Pe,单位为MPa。
pe=Fp/A=Aep/A
  由式(5—8)可得
pe=βp
    c.端面流体膜反力Fm  密封端面间的流体膜是有压力的,这种压力必然产生一种推开密封环的力,这种力称为流体膜反力。端面流体膜反力Fm可由下式计算
Fm=PmA=λpA
λ=pm/p
式中  pm—密封端面间流体膜平均压力,MPa;
      λ—反压系数,指密封端面间流体膜平均压力夕m与密封流体压力p之比。
    d.补偿环辅助密封的摩擦阻力Ff  Ff的方向与补偿环轴向移动方向相反。补偿环向闭合方向移动时,Ff为负值;反之,则为正值。影响摩擦阻力Ff的因素很多,目前还难以准确计算Ff值。在稳定工作条件下,Ff一般较小,可忽略。
    以上诸力都沿着轴向作用,它们的合力就是实际作用在密封端面上的净剩的闭合力F:。当忽略补偿环辅助密封的摩擦阻力Ff时,净闭合力Fc:为
F’c=Fa+Fp-Fm=psA+peA-pmA
上式两边同除以密封环带面积A,则得端面比压P’c为
PC=F’c/A=Ps+Pe+Pm=ps+(β-λ)p
    需要说明的是,上述计算式是根据内流式单端面密封推导出来的,对其他情况仍然适
用,但需作适当处理。
图5-38
图5-38  外流式机械密封的平衡类型
    a.外流式单端面机械密封端面比压的计算  对于外流式单端面密封,式(5—1 6)中的p值应按外流式计算。如图,5-38昕示,对于外流式机械密封,密封流体压力作用在补偿环上,使之对于非补偿环趋于闭合的有效作用面积为:Ae=π(d22-d12)/4。因此,外流式机械密封的平衡系数p为
β=Ae/A=(d22-d12)/ (d22-db2)
    b.双端面机械密封端面比压的计算  如图5—2 8(a)、(b)所示的轴向双端面密封,靠大气侧的密封端面受力情况与内流式一样,其端面比压的计算式为
pc=ps+(β-λ)pf
式中Pf—封液压力,MPa。
    对于介质端,可以看作压力为pf的封液向压力为P1环境泄漏的内流单端面密封,其端面比压的计算式为
pc=ps+(β-λ)p=ps+(β-λ)(pf-p1)
    c.波纹管式机械密封端面比压的计算  对于波纹管式机械密封,端面比压的计算和弹簧式机械密封完全相同,只是在计算平衡系数p时,采用波纹管的有效直径de代替弹簧式机械密封的平衡直径巩。
    对于内流式波纹管机械密封,平衡系数p为
β=(d22-d12)/ (d22-db2)
对于外流式波纹管机械密封,平衡系数p为
β=(de2-d12)/ (d22-db2)
    根据受压状态不同,波纹管有效直径可分别定义如下。
    (a)化工流程泵受外压时的有效直径。内流式波纹管机械密封(见图5-3 9)中,波纹管外侧受到密封流体压力P作用,而长度L又保持不变时,它在轴向产生的力相当于波纹管外径矗。与有效直径矗e之间的环形活塞端面受压力P作用所产生的力F(见图5-40),即
F=π(do2-de2)p/4
图5-39 5-40
图5-39  化工泵内流式波纹管机械密封    图5-40  受外压时波纹管的有效直径
    (b)受内压时的耐腐蚀化工泵有效直径。外流式波纹管机械密封(见图5-41)中,离心泵波纹管内侧受到密封流体压力P作用,而长度L又保持不变时,它在轴向产生的力相当于以有效直径de与轴直径d之间的环形活塞端面受压力P作用所产生的力F(见图5-42),即
F=π(de2-d2)p/4

图5-41 5-42

图5-41  外流式波纹管机械密封    图5-42  受内压时波纹管的有效直径
波纹管常用的波形断面如图5-43所示。其中图5-4 3(a)是正弦波;图5-4 3(b)是矩形波,车制聚四氟乙烯波纹管属这类;图5-43(c)是U形波,挤不锈钢泵压金属波纹管属这类;图5-43(d)~(g)都是焊接金属波纹管的波形断面,称为锯齿形波,其中图5-43(d)与图5-43(C)类似。
    图5-43
波纹管的有效直径de与其波形有关,可近似按下列公式计算。
    矩形波(如车制的聚四氟乙烯波纹管)为
de=(0.5di2+d02))0.5
锯齿形波(如焊接金属波纹管)为
de=[(di2+do2+di2d02)/3]0.5
U形波(如挤压成型的金属波纹管)为
de=[(3di2+3do2+2di2d02)/8]0.5
    上述三式中di和d。分别为波纹管的内外直径,且计算值与实际值有一定偏差,因为波纹管有效直径de除与波形有关外,还与波纹管的受压状、材料和波数等多种因素有关。当其受内压时,波纹管有效直径将比计算值大.压力越高,偏差越大;当其受外压时,波纹管有效直径比计算值小,同样,压力越高,偏差越大。因此,精确计算时需通过实验测定。

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