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密封性的影響因素

一、影響密封性的因素有哪些

機械密封的密封性是其最主要的指標。影響因素根多，其中有密封結構、材料、制造、安裝，介質性質及使用等。哪個環節出了問題，密封性都要受到影響。可把這些因素分為密封件本身和使用條件兩大類。密封結構、材料和制造屬于“密封件本身”，這些因素在制造廠完成，密封件的質量取決于制造廠。而安裝、介質性質和使用等屬于“使用條件”的范圍，如何正確使用取決于用戶自己。本章只討論屬于密封件本身的影響因素，其它影響I素在以后的章節中討論。

二、摩擦狀態有幾種

機械密封是一種接觸式密封，在力的作用下，動靜環構成一對摩擦副。根據密封結構、介質性質和工作條件（壓力、速度、溫度等）的不同，密封端面的曦擦狀態可分為液體摩擦、混合摩擦、邊界摩擦以及干或半干摩擦。摩擦狀態對密封性扣使用壽命有重要影響，應當搞清。

三、什么是液體摩擦？泄漏量怎樣？

兩個密封端面被具有一定壓力和一定厚度h。的液膜隔開。液膜厚度h。=3~10μm，遠大于密封表面的粗糙度R。兩平面互相不按觸、不磨損。摩擦系數取決于介質的性質(如粘度等)，與摩擦副材料無關。這種現象經常發生在止推軸承中。普通的機械密封不予采用，因為泄漏量大，失去密封的意義。只有在特殊情況下采用液體摩擦狀態的機械密封。

四、什么是混合摩擦？泄漏量怎樣？

增加密封的閉合力，密封端面之間的縫隙比液體摩擦狀態減小，使兩表面的高點接觸，其間仍存在局部中斷的液膜，液膜厚度h。和縫隙高度h處于同一個數量級。裁荷由液體壓力和固體表面的“高點”共同承擔。因此，存在著磨損，但很輕微。表面摩擦和磨損性能同時取決于介質性質和摩擦副材料，泄漏量不多。普通機械密封大多處于混合摩擦狀態。德國E·邁爾提出了計算混合摩擦狀態下泄漏量的經驗公式，列出該式的目的，不是用來計算泄漏量，’因為邁爾沒有給出流動系數C2的確定方法，目的在于從該式可定性地了解影響泄漏量的因素。從中可見泄漏量與密封結構有關(密封端面直徑d和寬度的b)、與介質粘度n成正比、與密封端面承受的壓差(P1一P2)和速度(V)有關、與密封端面的比壓平方(P)成反比。

五、什么是邊界摩擦？影響泄漏量的因素有哪些？

隨著端面比壓的增大，液膜厚度h。進一步減小，摩擦副表面的高峰接觸及相互作用的數目增多，液膜厚度只有幾個分子厚，并且不連續，液膜壓力趨近于零，載荷幾乎都由表面的高峰承擔。液膜介質的粘度對摩擦性質沒有多大影響。摩擦性能主要取決于膜的潤滑性能和摩擦副材料。存在磨損，磨損量不大，泄漏量很小，是機械密封理想的摩擦狀態。E.邁爾也提出了計算邊界摩擦狀態下泄漏量的經驗公式，從公式可知，影響泄漏量的因素與混合摩擦狀態是有差異的。泄漏量與介質粘度和密封端面寬度均無關，與縫隙高度h2(粗糙度)成正比。此外還引入了縫隙系數S，它主要是滑動速度和泄漏方向的函數。

六、出現邊界摩擦的條件是什么?邊界摩擦有何特點?

邊界摩擦是一種客觀存在。經過大量的試驗和研究人們漸漸了解到，邊界摩擦只有在低速和高比壓下才有可能出現。前蘇聯學者格魯別夫認為:摩擦副的相對滑動速度高于5m/s，其間的單位壓力小于0.98MPa(10kgf/cm²)不會出現邊界摩擦。

必須具備一定的條件才會出現邊界摩擦。

1)兩個密封端面是平行的，在外徑處兩者不平行度之和不大于0.06μm/㎝；

2)在某一具體的表面粗糙度下，端面比壓和介質壓力之比達到一定程度，使縫隙中不能形成液膜壓力；

3)端面比壓Pg>65N/㎝²。

這三條必須同時滿足，才能出現邊界摩擦。

邊界摩擦的特點：

對具體的摩擦副材料，各種介質的摩擦系數均相同。從圖76可知，盡管載荷系數和滑動速度不同，進入邊界摩擦狀態以后(A點以后)摩擦系數不變。

七、干或半干摩擦狀態有什么特點

在密封縫隙中不存在液體膜，摩擦副表面上吸附有氣體(或介質的蒸氣)或氧化層。摩擦主要取決于兩表面的固體作用，磨損嚴重，并且與摩擦副材料以及載荷的關系很大。隨著磨損的加劇泄漏量增大，所以是機械密封竭力避免的摩擦狀態，但是實際工作中，由于影晌因素很多，干或半干摩擦時有發生。

縱觀上述幾種摩擦狀態，是不以人的意志為轉移的客觀存在。它們不是孤立的，.而是在某種條件下可以互相轉化的。實際工作中以混合摩擦狀態居多數，對于壓力較高和速度較低的機械密封(如攪拌釜中)，當制造精度和安裝水平較高時，則多數里現邊界摩擦。運轉中如果工作條件發生變化，例如工藝流程泵中由于某種原因(壓力下降，溫度升高或組分變輕)，在密封腔中出現(或接近)汽化狀態，或正常運轉的泵發生抽空，這時密封端面將處于干或半干摩擦狀態。

八、載荷系數怎樣影晌密封性

密封結構和種類不同，載荷系數的計算公式也不同，這在第三章中己討論過，不再重復。

載荷系數對機械密封的密封性、使用壽命和可靠性等有很大影響。從密封性角度考慮希望載荷系數大一些，可得到較高的比壓，密封的穩定性和可靠性都較好。但是載荷系數大產生的摩擦熱多，如不能及時散去，使密封端面溫度過高，當達到介質汽化溫度時，將發生汽化，液膜破壞，磨損加大，使用壽命短。尤其是在壓力較高的工作條件下，采用載荷系數大于或等于1.0的非平衡型密封是不允許的。但是對于載荷系數小于1.0的平衡型密封，密封端面有被推開的可能，穩定性較差。實際工作中不希望產生過多的熱量，又要有足夠的穩定性，權衡利弊，在內流內裝式機械密封中，載荷系數在0.75~0.85較好。當密封流體壓力較低時也可采用非平衡型密封(K=1.1~1.2)。

據對幾個大型石油化工企業的調查，載荷系數與介質性質有關，對較重的組分和不易汽化的介質載荷系數可取大些，反之宜取小值。載荷系數的值不是孤立選取的，要和彈簧比壓綜合考慮。.彈簧比壓大時，載荷系數可小些，反之宜大些。

九、彈簧比壓對密封性有何影響

彈簧比壓是促使密封端面貼合的重要因素。當泵在停車與啟動時壓力較低，或密封腔中正常工作的壓力低，或工作中壓力出現較大的波動時，彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。彈簧比壓的大小要根據密封結構、工作條件、介質性質和載荷系數等綜合考慮。彈簧比壓大了，有利于密封端面的貼合，改善追隨性，增強密封穩定性，若過大則摩擦熱量大，功率消耗增加，磨損量大，使用壽命縮短。彈簧比壓過小，泄漏量大，密封穩定性差。

對內裝內流式密封，彈簧比壓在0.1~0.25MPa之間。對潤滑性好的介質，速度較低或壓力較低的工作條件，彈簧比壓取上限，反之取下限。如前所述還要和載荷系數緣合考慮。

對外裝式非平衡型密封，彈簧比壓的作用更大，是促使密封面貼合唯一的力，彈簧比壓要比內裝內流式密封大得多。當介質壓力在0.1MPa左右時，彈簧比壓在0.3~0.45MPa；當介質壓力為0.25MPa時，彈簧比壓應取0.45~0.7MPa。在攪拌釜中，由于其工作轉速低、軸擺動較大以及操作壓力波動大等特點，彈簧比壓也應適當地大些。

對高速機械密封(多屬于內流式密封)雖然采用潤滑性能好的密封流體，考慮到密封的追隨性，彈簧比壓宜取大些，一般在0.2~0.3MPa。此時載荷系數較小。

十、密封端面的粗糙度對密封性有什么影響

對普通的機械密封，從宏觀角度考慮正常情況下兩個端面是平行的，而且是固體接觸。從微觀角度考慮，任何表面都是高低不平的，即都有一定的粗糙度。通常說兩個平面接觸，實際上是兩個平面中的高點接觸了，而大部分表面并沒有接觸，仍有一定的}縫隙。

表面越粗糙，其縫隙高度h越大，泄漏量越大。為了保持良好的密封性，必須施加更大的端面比壓。圖80表示了這中關系。眾所周知，端面比壓過大，必然增加摩擦產生的熱量，這是不利的。因此，密封表面的粗糙度有一定的要求。這樣既有良好的密封性，又有較長的使用壽命。現在我國制造的機械密封，其表面粗糙度Ra值0.04~0.32μm。碳化物的Ra值0.04~0.10μm（相當于▽11和▽10）。其它材料（包括碳一石墨）Ra=0.16~0.32μm（相當于▽9）。

十一、兩密封端面之間的縫隙形狀對密封性有何影響

研究機械密封的前提是兩個密封端面互相平行，實際情況并非完全如此。由于制造、安裝以及密封結構、工作時載荷和溫度的影響，兩密封端面可能呈現收斂形、喇叭口形和平行形三種密封端面形狀(圖81)。新安裝投用的機械密封經過一個時間運轉(俗稱“跑合”)后，兩密封面趨于平行，泄漏量逐漸減少。跑含時間長短不一，從幾個小時到幾個月，它取決于縫隙的形狀，載荷的大小、滑動速度、摩擦副性能及介質性質等。

所謂收斂形的縫隙形狀，就是靠端面的外緣處縫隙較大，內緣處接觸，沿泄漏方向縫隙逐漸減小。液膜壓力在縫隙里的分布不呈線性，大于平行形的密封端面(圖82)，造成密封的開啟力增大。由于閉合力中的主要部分彈簧力沒有增加，因此，在收斂形密封中泄漏量較大，工作不穩定。但潤滑較充分，密封端面磨損速度小。

由于密封的接觸面積減小而彈簧力不變，則彈簧比壓增大。這時有兩種可能，第一種可能如果介質潤滑性不好，磨損加劇，接觸面積逐漸增大，直到密封端面全部接觸，這時兩密封端面已趨于平行，跑合時間較短;第二種可能是介質潤滑性很好，雖然彈簧比壓增大，密封端面的磨損也很小，經過相當長的時間才能完成跑合期，在跑合期內泄漏量比正常密封大一些。

密封端面的縫隙形狀如果是喇叭口狀的，會出現另一種情況，靠密封端面的外緣處接觸，而內緣有間隙。密封端面接觸的部分存有液膜壓力(圖83)，總的液膜壓力小，比密封端面平行的要小。彈簧力不變，由于接觸面積減小(因內徑增大)，彈簧比壓和載荷系數增大，最終使端面比壓增大很多，泄漏量少，但是磨損加劇。如果介質潤滑性較好，磨損較均勻，那么密封端面可能是光潔的，密封尚可繼續使用。反之，如果磨損劇烈，破壞了密封端面的光潔度(粗糙度)，泄漏量大增，動靜環可能也要更換。

十二、產生密封端面不平行的原因有哪些

兩密封端面不平行的原因是多方面的，有制造和安裝的原因，也有使用方面的原因。在制造過程中，由于研磨平板不平，造成密封端面內緣處高，外緣處低。這種情況多發生在石墨環中(圖84)，用平晶檢查，多呈現同心圓狀的光圈，如果不超過三個同心圓尚可使用，如果超過三個同心圓或根本無光圈，那么這個靜環不能用。這種情況還有時發生在安裝過程中，對104型國產密封，靜環墊為4F一V型的，當靜環的輔助密封圈裝到壓蓋中后，如果輔助密封圈的徑向過盈值太大，相當于有一個很大的力作用于A點(圖85)，使密封端面變形。當密封環采用熱裝式結構時，如果過盈值過大，也會產生上述現象。

即使是安裝前經平晶檢查，密封端面符合標準要求，使用過程中，由于密封環各點的溫度不同，其熱膨脹值不同，產生了熱變形。此外，在密封腔中壓力較高時，密封環內外壓差較大，也會產生機械(力)變形。這許多原因造成了密封端面不平行。

十三、密封端面的機械變形是怎樣引起的

密封環和許多零件一樣，受載荷就產生一定的變形。有人對其進行了研究和定量的計算，由于計算較復雜，并且又做了一些假設，計算結果只能是近似的，因此，不做介紹。但是，定性地了解變形的方向及趨勢是非常必要的。首先分析104型密封的靜環受力狀況。以∅55的密封為例，這是一個內裝內流非平衡型密封的靜環(圖86)。密封環的外圓柱表面受有介質壓力P?，該力促使密封環向內徑方向變形，簡化后在圖87上用R表示;在密封端而外徑d?和外徑d4之間平畫受介質壓力P?的作用，簡化在圖87上用F?表示，密封端面受有兩個力，一是由介質壓力和彈簧比壓組成的端面比壓用Fb?表示，另一個力是液膜壓力用Fm表示。Fb?均勻地作用于密封端面上，其作用點位于密封端面的中心，而Fm的作用點半徑大于Fb?的位置。軸向力F?、Fb?和Fm通過靜環加在靜環的輔助密封圈上，靜環的反力用W表示(圖87)。這樣一來靜環在這些力的共同作用下，由于作用點的差距產生了一個順時針方向的力矩M，促使靜環端面產生一個變形。變形的結果是密封端面的外緣處高(圖88)。對軸∅55的104型密封動環受力簡化后見圖89。由定性地分析可知動環端面也有一個順時針方向的反力矩。F?作用點d=62.5mm，Fb?作用點d=60mm。由于作用點差距較小，其力距也不大。

其變形的大小與材料的彈性模量成反比。鋼鐵的彈性模量比石墨大一個數量級，在同樣條件下，石墨環的變形量要比鋼鐵大一個數量級。如果用碳化鎢制造密封環，由于其彈性模最比鋼鐵大幾倍，變形量也就小幾倍。變形量還與密封結構有關，如果靜環密封圈放在靜環的外圓表面處(圖90)，度滲量要大大減小。變形量還與密封流體的壓力成正比，低壓下變形量很小可以忽略，只有在壓力大于1.5~2.0MPai時才考慮密封環的機械變形。

現舉一計算實例來說明力變形的問題。在一平衡型密封中，密封流體壓力為5MPa，彈簧力忽略不計。動環用司太利硬質合金制造，靜環用石墨制造。經計算動環變形量為0.5μm，靜環變形量為15.9μm兩密封端面變形方向，均是外徑處高，即屬于喇叭口狀的縫隙，疊加后總變形量為16.4μm。

十四、密封環的熱變形是怎樣產生的

密封環的結構、摩擦副材料的熱力性能(例如導熱系數、線膨脹系數和散熱系數等)的差異以及密封環各點溫度不均勻是產生熱變形的根本原因，破壞了密封端面的平行。對于具體的結構和材料，不僅是徑向溫度差，就是軸向溫度差也能影響密封的縫隙形狀。為了說明這一問題，假定有個圓筒形的密封環(圖91)，密封端面處于高溫介質(因摩擦使溫度升高)中，下端是大氣端。這是實際工作中經常出現的情況。由于兩端溫度不同，高溫端的直徑膨脹量必定大于大氣端(圖91的實線)，使密封端面的內徑高于外徑，運轉中呈收斂形縫隙。

沿密封端面的溫度梯度也能改變密封端面的縫隙形狀。沿密封端面處，外緣接觸高溫介質，內緣向大氣散熱，而溫度較低。由于存有溫度梯度造成外緣熱膨脹大于內緣的熱膨脹量，最終形成喇叭口狀的縫隙。

熱變形量的大小，除了前面談的影響因素外，還與密封端面的溫度差有很大關系。如帶急冷水的高溫泵機械密封，沿徑向和軸向的溫度梯度都很大，變形量當然也大。選擇導熱性能良好和線膨脹系數小的材料制造密封環，對減少密封端面的熱變形是有利的。此外，.密封端面的寬度也是重要因素。選擇較窄的密封端面不但能減少摩擦熱的產生，還能減少熱變形量，因為其變形量與密封端面寬度成正比。

十五、滑動速度和摩擦副材料怎樣影響密封性

德國的E.邁爾曾經做過試驗，由上表試驗結果可見:

1)比較序號1和2，動環材料相同，當靜環材料導熱系數由17.4W/（m.K）改為69.8W//(m.K)時，泄漏量由90cm³/h下降到62cm³/h（v=5m/s時）；

比較序號1}和3，靜環材料相同，只是改變了動環材料，導熱系數由11.6W/(m.K)改為46.5W/(m.K)，泄漏量由90cm³/h下降到11cm³/h;同理，在序號2和4中，泄漏量由62cm³/h下降到5cm³/h。其原因是:導熱系數大，散熱及時，密封環溫度梯度小，熱變形量小，泄漏量少。

2)比較序號2和3，在序號3中，動環導熱系數大，泄漏量少(11cm³/h)，序號2中，靜環導熱系數大，泄漏量大(62cm³/h)。這是因為動環導熱系數大，高速旋轉中散熱性能良好，密封環本身溫度梯度小，熱變形量小，泄漏最少。

3)各種相同條件下，速度越高，泄i漏量越大。其中主要原因是由于速度高，產生的摩擦熱量多，熱變形大所致。

十六、介質粘度對泄漏量有何影響

E.邁爾通過水、柴油和潤滑油做了大量的試驗研究，這些研究都是經過足夠長的時間(100小時)跑合后進行的。’在這段時聞內摩擦副表面由于磨損而重新變成平行的。試驗證實了在邊界摩擦范圍內介質的粘度對泄漏量沒有影響，而在混合摩擦和液體摩擦中介質粘度不容忽視，這些問題前邊討論過，不再重復。

十七、密封端面的寬度對密封性有何影響

對于密封端面平行的摩擦副，密封端面的寬度沒有多大的影響。為了將2MPa的壓力密封住，只需0.5mm的寬度就足夠了，出于強度和剛度上的考慮而加大了密封端面的寬

度。事實上加大寬度可使發熱量增大、熱變形大而最終導致泄漏量增大，所以過寬的密封端面是不利的。

十八、離心力對泄漏量有何影響

外流式密封，由于泄漏方向和離心力方向相同，便泄漏量加大;而內流式密封，兩者方向相反，離心力阻礙了泄漏。當兩種密封參數相同時，外流式密封的泄漏量為內流式密封的10倍。所以一般不選用外流式密封結構，只有在某些腐蝕性介質中才選用外流式密封。

除上述各種因素對密封性有影響外，輔助設施(如沖冼等)、正確安裝與合理使用，對密封性和使用壽命也都有重要影響。這些在其它章中討論。

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