机械密封环过盈联接的有限元分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京化工大学机电工程学院 作者:李婕

  机械密封的主要失效原因中, 由于动静环镶嵌不当, 造成环与环座发生相对转动和脱落是重要原因之一。据有关部门统计, 由此造成的机械密封失效次数约占失效次数的12%。过盈量计算不准确是镶嵌不当的主要原因之一。过盈量太大, 不仅增加热套时的难度, 而且容易造成环座的塑性变形和密封环的碎裂; 而过盈量太小, 在使用中密封环会同环座发生相对转动或脱落, 造成密封失效。此外, 过盈联接的残余应力对密封环的应用场合也有一定影响。因此, 对机械密封过盈量和应力场进行研究十分必要。

1、机械密封过盈量的确定

  图1为机械密封的过盈联接, 配合直径为294mm, 配合长度为29mm, 机械密封端面比压是0.035MPa。静环与静环座采用“热装配”方法联接, 静环材料是碳石墨 , 弹性模量是15GPa,泊松比是0.2, 膨胀系数是9 ×10-6-1 , 抗压强度75MPa。静环座材料是3Cr13, 弹性模量是216.5GPa, 泊松比是0.3, 膨胀系数是1.05 ×10-5-1 , 抗拉强度是520MPa。过盈联接静环的结构示意图见图2。

机械密封的过盈联接

  图2中, R1为静环的内径, mm; R2为摩擦副端面的内径, mm; R3为摩擦副端面的外径, mm; R4为静环与静环座结合处半径, mm; R5为静环座的外径, mm; L为静环结合长度, mm。

1.1、半径过盈量δ1

  因静环与静环座线膨胀系数不同而产生的半径过盈量δ1按下式计算[1]

δ1= TR412) (1)

  式中: α1 , α2为静环座、静环的膨胀系数, ℃-1 ; T为密封腔工作温度与室温的差值, ℃。

1.2、半径过盈量δ2

  根据过盈配合界面的摩擦阻力矩大于密封面的摩擦力矩, 由过盈产生的结合压强p有下列关系

  式中: f1为端面动摩擦因数; f2为静摩擦因数; pc为端面比压, Pa; 其中f1= 0.07, f2= 0.2。静环座在结合压强p作用下产生的位移u1

  式中: E1为静环座的弹性模量, Pa; μ1为静环座的泊松比。静环在结合压强p作用下产生的位移u2

  式中: E2为静环的弹性模量, Pa; μ2为静环的泊松比。

  平衡摩擦副端面摩擦力矩的半径过盈量δ2

δ2= u1-u2 (5)

1.3、最小半径过盈量δmin

δmin =δ12 (6)

1.4、最大半径过盈量δmax

  静环脆裂对应的最大压力

  静环座进入塑性变形对应的最大压力

  取两者的最小压力作为过盈产生的压力, 其余算法与最小过盈量算法一样, 即可求得过盈联接的最大半径过盈量δmax

2、过盈配合的选择

  由于根据过盈联接公式计算的过盈量范围比大, 为缩小范围和保证联接有效, 用有效过盈量δb ,根据公差配合选择合适过盈量。

δb≈(δminmax)/2

  根据有效过盈量δb确定过盈配合基本偏差代号的选择和配合。基本偏差代号z, 静环和静环座的配合H7/z6和极限偏差[δmin] = 0.738 mm, [δmax]=0.822 mm。

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