機(jī)械密封泄漏量淺析

2015-10-31 王永拖 大連博格曼有限公司

  泄漏量是機(jī)械密封性能的重要指標(biāo)。由于泄漏理論研究不充分,同時(shí)影響因素眾多,目前工程界尚無廣泛接受的泄漏量計(jì)算公式。該文希望能以工程計(jì)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(jī)械密封是一種流體旋轉(zhuǎn)機(jī)械的密封裝置,由于其性能可靠、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),如今廣泛應(yīng)用于石油石化、汽車、船舶、原子能、航空航天等行業(yè)。密封性一般用來評價(jià)一個(gè)密封的有效性,通常用泄漏量來表示。對于機(jī)械密封的泄漏量,我國JB/T4127-85《機(jī)械密封技術(shù)條件》中規(guī)定,常溫清水試驗(yàn),平均泄漏量軸(或軸套)外徑大于50mm時(shí)不超過5mL/h,軸(或軸套)外徑不大于50mm時(shí)不超過3mL/h。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS B2405-77)《機(jī)械密封通用規(guī)范》中規(guī)定泄漏量為3mL/h以下;原蘇聯(lián)《離心油泵用端面密封——產(chǎn)品檢驗(yàn)質(zhì)量要求》中規(guī)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(tài)下的泄漏量公式來進(jìn)行機(jī)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(dòng)系數(shù)C2的測定方法,所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為不能通過該公式來得到泄漏量的精確解。國內(nèi)密封書籍一般沿襲了E.邁爾的方法,目前尚未找到計(jì)算泄漏量的準(zhǔn)確方法。

  此文章結(jié)合博格曼機(jī)械密封專業(yè)軟件GLRD和E.邁爾(Mayer,E)泄漏量計(jì)算公式,對常見的水類和油類工況進(jìn)行了泄漏量計(jì)算,試圖找到一個(gè)泄漏量范圍和發(fā)展趨勢,為機(jī)械密封的最終用戶、設(shè)備廠商和生產(chǎn)廠家提供一個(gè)直觀的認(rèn)識。

1、理論背景

  一般認(rèn)為機(jī)械密封端面摩擦副存在3種類型的摩擦狀態(tài):流體潤滑狀態(tài)(也稱作液膜潤滑狀態(tài))、混合潤滑(也稱作混合磨擦)狀態(tài)和干摩擦狀態(tài)。絕大多數(shù)機(jī)械密封工作狀態(tài)都處于混合磨擦狀態(tài),極少數(shù)流體動(dòng)壓密封和流體靜壓密封處于流體潤滑狀態(tài),在開機(jī)和關(guān)機(jī)的瞬間機(jī)械密封可能處于瞬時(shí)干摩擦狀態(tài)。密封端面摩擦副處于混合潤滑狀態(tài)時(shí),E.邁爾(Mayer,E)給出如下經(jīng)驗(yàn)公式:

機(jī)械密封泄漏量淺析

機(jī)械密封泄漏量淺析

機(jī)械密封泄漏量淺析

機(jī)械密封泄漏量淺析

3、結(jié)果與推論

  綜上,計(jì)算結(jié)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(jié)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(zhì)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(xiàn)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(fā)生干摩擦的機(jī)會(huì)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(gè)點(diǎn):在此粘度下,泄漏量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);大于此粘度,泄漏量超標(biāo);

  (7)隨著油類粘度的增大,其潤滑狀態(tài)存在由混合摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橛湍櫥内厔荩?/p>

  (8)從泄漏量的角度分析,高粘度油類與普通介質(zhì)不宜選擇同種密封。

4、理論分析

  隨著介質(zhì)粘度的增加,泄漏量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。布基奇認(rèn)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(dá)到穩(wěn)定的密封。實(shí)際上幾乎所有的接觸式機(jī)械密封都是處于混合摩擦狀態(tài),其中包含了液膜潤滑、邊界潤滑和干摩擦等三種摩擦狀態(tài)。在液膜潤滑部分必然受到介質(zhì)表面張力的影響。一般認(rèn)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(xiàn)類似的趨勢。這個(gè)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(dòng)靜環(huán)被油膜推開的趨勢增加,摩擦副端面存在轉(zhuǎn)變?yōu)橛湍櫥内厔荨?/p>

  從計(jì)算結(jié)果來看,水和粘度較低的油類泄漏量一般能夠符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對泄漏量大小的規(guī)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(guī)定值。從這個(gè)角度分析,用于普通粘度介質(zhì)的機(jī)械密封無法用于高粘度介質(zhì),其泄漏量將無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這個(gè)結(jié)論同密封的實(shí)際應(yīng)用是相符的。

  主機(jī)廠在驗(yàn)收機(jī)械密封時(shí),一般都是以水來進(jìn)行試驗(yàn),通常都能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供的泄漏量允值。但是在現(xiàn)場,實(shí)際工況往往是具有一定粘度的油類;隨著被密封介質(zhì)粘度的增加,機(jī)械密封的泄漏量會(huì)不斷地增加,甚至可能超出規(guī)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(gè)相對的概念,無泄漏是相對的,泄漏是絕對的。一方面對機(jī)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(tài),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(huì)增加對密封結(jié)構(gòu)、材料選擇和制造難度,降低經(jīng)濟(jì)型。當(dāng)密封摩擦副表面粗糙度一定時(shí),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(huì)引起熱變形而促使泄漏量加大,甚至產(chǎn)生熱應(yīng)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(guān)系。

摩擦、磨損、泄漏、功耗和壽命的關(guān)系

圖3 摩擦、磨損、泄漏、功耗和壽命的關(guān)系

5、結(jié)束語

  在實(shí)際運(yùn)用中,如何保證一個(gè)滿足客戶需要的泄漏量,同時(shí)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(jìn)行技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要方向。