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(shì)，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(zhǎng)、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(píng)價(jià)一個(gè)密封的有效性，通常用泄漏量來表示。對(duì)于機(jī)械密封的泄漏量，我國(guó)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(guó)E.邁爾(Mayer，E)提供的混合潤(rùn)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(cè)定方法，所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)認(rèn)為不能通過該公式來得到泄漏量的精確解。國(guó)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(duì)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(shì)，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(shí)。

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(rùn)滑狀態(tài)(也稱作液膜潤(rùn)滑狀態(tài))、混合潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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

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(rùn)滑的比例大于水，即油的潤(rùn)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(rùn)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(shì)和潤(rùn)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(rùn)滑狀態(tài)存在由混合摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橛湍?rùn)滑的趨勢(shì)；

　　(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(shì)。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(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑和干摩擦等三種摩擦狀態(tài)。在液膜潤(rùn)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(shì)。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(shì)增加，摩擦副端面存在轉(zhuǎn)變?yōu)橛湍?rùn)滑的趨勢(shì)。

　　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(duì)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(chǎng)，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(duì)的概念，無泄漏是相對(duì)的，泄漏是絕對(duì)的。一方面對(duì)機(jī)械密封而言，密封界面維持一層潤(rùn)滑液膜，使其處于邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)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(duì)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(zhǎng)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