机械密封的计算

(1)端面比压与弹簧比压选择

表1

项 目

选择原则

介　　质

p_c/MPa

端面比压

p_c

(1)端面比压(密封面上的单位压力)应始终是正值(即p_c＞0)，且不能小于端面间液膜的反压力，使端面始终被压紧贴合

(2)端面比压应大于因摩擦使端面间温度升高时的介质饱和蒸气压，否则因介质蒸发而破坏端面间液膜

(3)控制端面比压数值，使端面间液膜在泄漏量尽可能小的条件下，还能保持端面间的润滑作用

(4)必须同时考虑到摩擦副线速度υ(密封端面平均线速度)的影响，使p_cυ值小于材料的允许(p_cυ)_p值

一般介质

内 装 式

0.3~0.6

外 装 式

0.15~0.4

介质压力高，润滑性好，如柴油、润滑油等重质油(内装式密封)

0.5~0.7

润滑性差，易挥发介质，如液态烃、丙烷、汽油、煤油(内装式密封)

0.3~0.45

气体介质

0.1~0.3

弹簧比压

p_s

(1)弹簧比压(弹性元件在端面上产生的单位压力)应能保证密封低压操作，停车时的密封和克服密封圈与轴(轴套)的摩擦力

(2)辅助密封圈若采用橡胶材料，弹簧比压可低些；若采用聚四氟乙烯材料，弹簧比压应取得高些

(3)压力高、润滑性好的介质，弹簧比压可大些；反之，应取小些

密封型式

介质与条件

p_s/MPa

内装式密封(平衡型与非平衡型)

一般介质，υ_中＝10~30m/s

0.15~0.25

低黏度介质，如液态烃

υ_高＞30m/s

0.14~0.16

υ_低＜10m/s

0.25

外装式密封

载荷系数K≤0.3

比被密封介质压力高

0.2~0.3

载荷系数K≥0.65

0.15~0.25

真空密封

0.2~0.3

(2)端面比压及结构尺寸计算

d₀—— 轴径，mm；

D₁—— 密封环接触端面内径，mm；

D₂—— 密封环接触端面外径，mm；

p_L—— 密封腔介质压力，MPa；

p_s—— 弹簧比压，MPa；

p_p—— 密封环接触端面平均压力，MPa

表2

项目

内 装 式 密 封

外 装 式 密 封

单端面密封端面比压计算

密封环接触端面平均压力p_p/MPa

p_p＝λp_L

密封环接触端面液膜推开力R/N

总的弹簧力F_s/N

密封腔内介质作用力F_L/N

动环所受的合力F(由接触端面承受)/N

F＝F_s+F_L-R

端面比压p_c/MPa

选择适当K值，使p_c及p_cυ控制在表1及表4的范围内

载荷系数K

通常：非平衡型K₁＝1.15~1.3

平衡型　K₁＝0.55~0.85

通常：非平衡型K_e＝1.2~1.3

平衡型　K_e＝0.65~0.8

丙烷、丁烷等低黏度

K₁＝0.5

水、水溶液、汽油

K₁＝0.58~0.6

油类高黏度介质

K₁＝0.6~0.7

K值大小与介质黏度、温度、汽化压力有关，黏度低取小值，但一般K≥0.5

反压力系数λ(λ_sL)

λ值不仅与密封端面尺寸有关，而且与介质黏度有关。低黏度介质(如液态烃、氨等)λ 值稍高，高黏度介质(如重润滑油等)λ 值稍低

介质

水

油

气

液化气

λ＝0.7

λ

0.5

0.34

0.67

0.7

校验p_cυ值

式中　p_c—— 端面比压，MPa；

υ—— 密封面平均速度，m/s；

D₂，D₁—— 密封面外径、内径，m；

n—— 动环转速，r/min；

(p_cυ)_p—— 许用p_cυ值，MPa·m/s，参照表4选取

双端面密封端面比压计算

p_sL—— 密封腔内隔离液压力，MPa

其他符号见本表单端面密封

隔离流体作用力F_sL/N

大气端密封

端面比压计算与内装式单端面密封相同

介

质

端

密

封

K₁、K_e计算及λ值的选取见本表单端面密封

密封环接触端面液膜推开力R/N

总的弹簧力F_s/N

密封介质作用力F_L/N

动环所受的合力F

(由接触端面承受)/N

F＝F_s+F_sL-F_L-R

端面比压p_c/MPa

校验p_cυ值

p_cυ＜(p_cυ)_p

其他见本表单端面密封

几

何

尺

寸

计

算

端面接触内径D₁/mm

端面接触外径D₂/mm

D₂＝D₁+2b

端面接触宽度b/mm

材料组合

轴径/mm

备注

16~28

30~40

45~55

60~65

66~70

75~85

90~120

软环/硬环

3

4

4.5

5

5.5

6

硬环宽度比软环大1~3mm

硬环/硬环

2.5

3

两环宽度相等

一般b＝3~6mm。对气相介质、易挥发介质及高速密封，以散发摩擦热为主，b适当取小值；对高压或大直径密封，特别在压力有波动或存在振动的情况下，以强度与刚度为主，b适当取大值

软环端面凸台高度

根据材料强度、耐磨能力及寿命确定，通常取2~3mm。端面内外径棱缘不允许有倒角

间

隙

静环内径与轴的间隙(D-d)

轴径/mm

16~100

(软环)

110~120

(软环)

16~100

(硬环)

110~120

(硬环)

间隙/mm

1

2

2

3

动环内径与轴的间隙

根据轴径大小一般取0.5~1mm，用以补偿静环的偏斜、轴的振动而造成摩擦副不贴合和比压不均匀

动环与轴的间隙不能过大，否则会造成 O 形密封圈卡入间隙而造成密封失效，尤其在高压时更要注意

(3)机械密封摩擦功率计算

机械密封的摩擦功率包括密封端面摩擦功率和旋转组件对介质的搅拌功率。一般情况下后者比前者小得多，而且也难准确计算，通常按式(1)计算密封端面摩擦功率

P＝fπd_mbp_cυ　(W)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(式1)

式中　d_m—— 密封端面平均直径，m，；

D₁，D₂—— 密封环接触端面内径、外径，m；

b—— 密封环接触端面宽度，m，；

p_c—— 密封端面比压，Pa；

υ—— 密封环接触端面平均速度，m/s，；

n—— 密封轴转速，r/min；

f—— 密封环接触端面摩擦因数，见表3

对于普通机械密封，端面间呈边界摩擦状态

表3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　密封环接触端面摩擦因数

摩擦状态

干摩擦

半干摩擦

边界摩擦

半液摩擦

全液摩擦

摩擦因数f

0.2~1.0或更高

0.1~0.6

0.05~0.15

0.005~0.1

0.001~0.005

由式(1)可知，在密封端面尺寸和摩擦状态一定的情况下，摩擦功率主要取决于工作条件下的p_cυ值。p_cυ值越大，端面摩擦功率也越大。此外，由于端面摩擦功率与摩擦因数和端面尺寸大小成正比，因此在p_cυ值较高的情况下，应将端面宽度设计得窄些，并强化润滑措施，降低f 值

(4)常用摩擦副材料组合的许用(p_cυ)_p值

表4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　MPa·m·s^-1

摩擦副材料组合

非平衡型

平衡型

静环

动环

水

油

气

水

油

碳石墨

钨铬钴合金

3~9

4.5~11

1~4.5

8.5~10.5

58~70

铬镍铁合金

20~30

碳化钨

7~15

9~20

26~42

122.5~150

不锈钢

1.8~10

5.5~15

铅青铜

1.8

陶瓷

3~7.5

8~15

21

42

喷涂陶瓷

15

20

90

150

氧化铬

7

铸铁

5~10

9

碳化硅

钨铬钴合金

8.5

碳化钨

12

碳石墨

180

碳化硅

14.5

碳化钨

碳化钨

4.4

7.1

20

42

青铜

铬镍铁合金

9~20

碳化钨

2

20

氧化铝陶瓷

1.5

铸铁

钨铬钴合金

6

铬镍铁合金

6

陶瓷

钨铬钴合金

0.5

1

填充聚四氟乙烯

钨铬钴合金

3

0.5

0.06

不锈钢

3

高硅铸铁

3

注：p_cυ值是密封端面比压p_c与密封端面平均线速度υ的乘积，它表示密封材料的工作能力。极限p_cυ值是密封失效时的p_cυ值。许用p_cυ值以(p_cυ)_p表示，它是极限p_cυ值除以安全系数的数值，是密封设计的重要依据。需注意的是p_cυ值与pυ值概念上的不同。pυ值是密封介质压力p与密封端面平均线速度υ的乘积，它表示密封的工作能力。极限pυ值是密封失效时的pυ值，它表示密封性能的水平。许用pυ值以(pυ)_p表示，它是极限pυ值除以安全系数的数值，是密封使用的重要依据。