專利名稱：一種接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械密封安全技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于判斷包括動(dòng)靜環(huán)端面主密封和0形圈次密封的在役接觸式機(jī)械密封的泄漏狀態(tài)、提高設(shè)備安全可靠性的技術(shù)。
背景技術(shù)：
機(jī)械密封的發(fā)明，為解決過程工業(yè)中流體機(jī)械的動(dòng)力輸入軸的密封問題提供了十分有效的手段。由于其接觸表面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，密封性能穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)中不用調(diào)整、功率損耗低、軸或軸套表面無磨損、耐振性強(qiáng)、密封參數(shù)高等特征和優(yōu)勢(shì)，機(jī)械密封被廣泛應(yīng)用于電力、船舶、航空航天、石油化工等過程工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備中。機(jī)械密封在設(shè)備中的連接狀態(tài)如

圖1所示。驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力是通過貫穿設(shè)備端蓋 1-2的動(dòng)力輸入軸1-1傳遞給葉輪等做功零部件的。動(dòng)力輸入軸1-1和設(shè)備端蓋1-2之間的密封是通過由靜環(huán)1-4、靜環(huán)密封圈1-3、動(dòng)環(huán)1-5、動(dòng)環(huán)密封圈1-6、彈性元件1-7、帶傳動(dòng)套的動(dòng)環(huán)座1-8組成的機(jī)械密封來實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)工況下，機(jī)械密封通常具有良好的密封性能和可靠性。相關(guān)資料表明，在50°C下工作5年的機(jī)械密封其泄漏率會(huì)維持在較低水 5P (Schmidthals C. Application of a diagnostic system for mechanical seals[C]. IMechE 2003 :177-185)，而用于水泵上的機(jī)械密封更是在長(zhǎng)達(dá)40年的時(shí)間內(nèi)泄漏率不超標(biāo)(Burgman Dichtungswerke Gmbh&Co. KG. Original patented mechanical seal type still in service after 40years [J]. World pumps, 2003，(10) :17-18)。然而，工業(yè)應(yīng)用中機(jī)械密封的實(shí)際工作參數(shù)常常偏離設(shè)計(jì)工況，其泄漏失效仍很普遍。機(jī)械密封的泄漏，不僅造成物料流失、環(huán)境污染，甚至還會(huì)釀成火災(zāi)或人身傷亡事故。因此，如何準(zhǔn)確判斷一臺(tái)新設(shè)備中或變工況下的機(jī)械密封的泄漏率狀況，一直為從事流體密封技術(shù)的工作者們所關(guān)注。早在1885年機(jī)械密封問世之初，人們就開始探討機(jī)械密封的泄漏失效問題。 Heinze借鑒接觸表面軸承理論，并假設(shè)機(jī)械密封縫隙中的流體遵守流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律，通過密封縫隙的泄漏是層流流動(dòng)，建立了理想光滑平行接觸表面機(jī)械密封泄漏模型。20世紀(jì)50 年代，Mayer通過對(duì)機(jī)械密封接觸表面粗糙度的測(cè)量與研究后發(fā)現(xiàn)，機(jī)械密封接觸表面的形貌對(duì)機(jī)械密封的性能有著特別重大的影響，在考慮了粘度、縫隙壓力、密封面寬度、表面粗糙度、接觸壓力、離心力、滑動(dòng)速度的影響后，建立了圖2所示的粗糙表面泄漏模型，得到了邊界摩擦條件下和混合摩擦狀態(tài)下的泄漏率。實(shí)際上，機(jī)械密封接觸表面在加工過程中，由于芯軸軸線的跳動(dòng)、零件的裝夾力、機(jī)器的振動(dòng)或研磨過程非軸對(duì)稱載荷的作用，不僅存在粗糙度，往往還形成與粗糙度同數(shù)量級(jí)甚至更高一級(jí)的波度。Lebeck將在接觸表面載荷、加工誤差等條件下形成了凈波度的動(dòng)、靜環(huán)看成是一個(gè)具有完全正弦波的環(huán)形表面與一個(gè)完全平的環(huán)形表面相匹配的摩擦副，建立了圖3所示的粗糙度-波度泄漏模型；考慮到運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于密封面存在應(yīng)力和溫度引起的變形，兩個(gè)密封接觸表面往往會(huì)形成收斂間隙或者擴(kuò)散間隙，國(guó)內(nèi)彭旭東提出了圖4所示的外側(cè)受壓呈徑向收斂錐度的機(jī)械密封的泄漏模型。Green考慮到密封端面磨損后液膜壓力和接觸壓力的改變，提出可以用一個(gè)時(shí)間相關(guān)的密封性能模型來預(yù)測(cè)不同時(shí)間下的泄漏量及其動(dòng)態(tài)特性?？紤]到粗糙度、波度和錐度，以及磨損對(duì)表面形貌的影響，孫見君等推導(dǎo)并獲得了基于端面形貌變化的機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)分形模型。綜上所述可以看到，這些研究揭示了動(dòng)、靜環(huán)主密封的泄漏率與端面平均膜厚或周向余弦曲線形膜厚、徑向收斂或發(fā)散膜厚之間的關(guān)系，但未能計(jì)及由于軸向力引起的密封端面彈塑性變形導(dǎo)致的端面相互接觸程度變化、動(dòng)靜環(huán)磨損后彈簧載荷下降以及0形密封圈應(yīng)力松弛引起的主、次密封界面接觸壓應(yīng)力降低對(duì)泄漏率的影響。實(shí)際上，工作中的機(jī)械密封存在有三個(gè)可能泄漏點(diǎn)，即靜環(huán)與設(shè)備端蓋、動(dòng)環(huán)與動(dòng)力輸入軸(或軸套)之間的靜密封點(diǎn)(次密封)和動(dòng)靜環(huán)密封端面構(gòu)成的動(dòng)密封點(diǎn)(主密封)。機(jī)械密封從一開始工作到失效，動(dòng)靜環(huán)主密封界面一直存在著摩擦磨損，0形圈的材料性能-彈性模量E在長(zhǎng)期壓縮狀態(tài)下也發(fā)生著變化，這些都影響著密封界面的空穴大小分布、徑向通道的形成，進(jìn)而影響機(jī)械密封系統(tǒng)的泄漏率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決過程工業(yè)領(lǐng)域中長(zhǎng)周期運(yùn)行設(shè)備所用機(jī)械密封因?qū)嶋H工作參數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況而導(dǎo)致泄漏狀態(tài)變化，造成頻繁更換或備品備件積壓或大量泄漏、危及設(shè)備生產(chǎn)安全等問題，而提出的一種接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下利用動(dòng)、靜環(huán)磨損過程中密封界面形貌演變規(guī)律， 以及因動(dòng)、靜環(huán)磨損減薄和0形圈應(yīng)力松弛形成的主、次密封界面接觸壓應(yīng)力變化規(guī)律，確定運(yùn)行一定時(shí)間后密封界面的形貌參數(shù)，動(dòng)、靜環(huán)密封界面及其所用0形圈與其內(nèi)、外徑處接觸界面的載荷，并通過逾滲理論、接觸力學(xué)理論和分形理論，獲得此刻動(dòng)、靜環(huán)密封界面及其所用0形圈與其內(nèi)、外徑處接觸界面間的逾滲通道特征尺寸；計(jì)入被密封介質(zhì)的表面張力和運(yùn)行條件下離心力的影響，再利用Navier-stokes方程預(yù)測(cè)在役接觸式機(jī)械密封的泄漏狀態(tài)。(1)動(dòng)靜環(huán)界面主密封和0形圈次密封界面的泄漏微通道特征將構(gòu)成機(jī)械密封的動(dòng)靜環(huán)界面主密封和0形圈次密封簡(jiǎn)化為粗糙軟質(zhì)基板與粗糙硬質(zhì)基板的接觸模型，如圖5所示。由于存在粗糙度，密封界面之間的接觸并不十分理想，存在非接觸區(qū)域(孔隙)。 為便于分析，將密封界面均分成許多細(xì)小的、形狀相同的方塊(點(diǎn))(物理學(xué)上稱之為點(diǎn)方陣，接觸方塊為被占座，未接觸方塊為空座)，則在一定的放大倍數(shù)ζ下可觀察到邊長(zhǎng)為 λ、用黑色填滿的接觸點(diǎn)陣和用白色表示的不接觸點(diǎn)陣，如圖6所示。假設(shè)白色方塊的幾率為P，黑色的為1-Ρ，且各方塊之間互不影響。鄰近的點(diǎn)聚合，便形成了群，群的大小和分布是幾率P的函數(shù)。隨著幾率P增加，白色群的平均尺寸也增加，一旦P達(dá)到特定的臨界值Ρ。， 無限大的群將首次使無限大的點(diǎn)陣的兩端連通，即P = P。時(shí)，群逾滲。臨界值P。也稱為逾滲極限，依賴于點(diǎn)陣的維數(shù)和形狀。對(duì)于二維的點(diǎn)方陣，P。 0.6 (Mauffer D,Aharony A. An introduction to percolation theory[Μ]. 2nd ed. Boca Raton, FL :CRC Press,1991)。為了求取密封面上邊長(zhǎng)為1的方形名義接觸區(qū)域，首先，定義放大倍數(shù)ζ為密封件的截線長(zhǎng)度1(圖6)與觀察到的長(zhǎng)度尺寸λ的比值，g卩ζ =1/λ。當(dāng)放大倍數(shù)ζ = 1 時(shí)，接觸表面的凹凸面是完全平滑的，密封面是全部接觸的。也就是說，當(dāng)放大倍數(shù)ζ = 1
4時(shí)，表面接觸面積A(I)與名義接觸面積Atl相等。放大倍數(shù)ζ = l/λ > 1時(shí)，表面接觸面積Α( ζ ) < Atl，且隨著放大倍數(shù)的增加而減少，因?yàn)榇植诒砻嬗性絹碓蕉喽坛叽绲男蚊沧兊们逦梢?。在給定的名義載荷Fn下，通過接觸力學(xué)理論可計(jì)算出表面接觸面積Α( ζ)，則找到白色方形的幾率P可以表示為Ρ(ζ) = 1-Α(ζ)/Α0(1)當(dāng)Ρ( ζ。)= P。= 1-Α( ζ C)/A0時(shí)，密封界面剛好出現(xiàn)逾滲，即密封界面上出現(xiàn)連通兩端的微通道，此時(shí)放大倍數(shù)稱為臨界放大倍數(shù)ζ。，由此獲得逾滲通道寬度入。
權(quán)利要求
1.一種接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法，其特征是，利用動(dòng)、靜環(huán)磨損過程中密封界面形貌演變規(guī)律，以及因動(dòng)、靜環(huán)磨損減薄和0形圈應(yīng)力松弛形成的主、次密封界面接觸壓應(yīng)力變化規(guī)律，確定運(yùn)行一定時(shí)間后密封界面的形貌參數(shù)，動(dòng)、靜環(huán)密封界面及其所用0形圈與其內(nèi)、外徑處接觸界面的載荷，并通過逾滲理論、接觸力學(xué)理論和分形理論，獲得此刻動(dòng)、 靜環(huán)密封界面及其所用0形圈與其內(nèi)、外徑處接觸界面間的逾滲通道特征尺寸；計(jì)入被密封介質(zhì)的表面張力和運(yùn)行條件下離心力的影響，再利用Navier-stokes方程預(yù)測(cè)在役接觸式機(jī)械密封的泄漏狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法，其特征在于其所述的動(dòng)、靜環(huán)磨損過程中密封界面形貌演變規(guī)律是利用具有尺度獨(dú)立性的分形參數(shù)表征的。
3.如權(quán)利要求1所述的接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法，其特征在于其所述的因動(dòng)靜環(huán)磨損減薄和0形圈應(yīng)力松弛形成的主、次密封界面接觸壓應(yīng)力變化規(guī)律，由彈簧力殘余量Fsp = K Δ ζ⑴和0形圈彈性模量衰減后壓力殘余量=+ + H ) 同決定。
4.如權(quán)利要求1所述的接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法，其特征在于其所述的動(dòng)、靜環(huán)密封界面及其所用0形圈與其內(nèi)、外徑處接觸界面間存在接觸點(diǎn)和孔隙；密封界面可以均分成許多細(xì)小的、形狀相同的方塊(接觸方塊為被占座，未接觸方塊為空座)，在一定的放大倍數(shù)ζ下可觀察到邊長(zhǎng)為λ、用黑色填滿的接觸方陣和用白色表示的不接觸方陣；當(dāng)放大倍數(shù)達(dá)到臨界值ζ。時(shí)，至少會(huì)增加一個(gè)邊長(zhǎng)為λ。= l/ζ。的方形，使得空座從密封界面的一側(cè)(高壓腔)延伸至相反的一側(cè)(低壓腔)，即形成泄漏通道；泄漏微通道的長(zhǎng)度和寬度可利用逾滲理論求得，泄漏微通道的高度可利用分形理論求得。
5.如權(quán)利要求1所述的接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法，其特征在于其所述的逾滲通道特征尺寸隨動(dòng)、靜環(huán)磨損過程中密封界面形貌、以及因動(dòng)靜環(huán)磨損減薄和0形圈應(yīng)力松弛形成的主、次密封界面接觸壓應(yīng)力的變化而變化。
6.如權(quán)利要求1所述的接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)方法，其特征在于其所述的表面張力和離心力對(duì)機(jī)械密封泄漏率的影響，可以采用將逾滲通道的水力直徑與表面張力起作用的毛細(xì)孔徑的比較結(jié)果來判斷，當(dāng)逾滲通道的水力直徑小于S時(shí)密封界面不泄漏，當(dāng)逾滲通道的水力直徑大于S時(shí)密封界面泄漏。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在役接觸式機(jī)械密封泄漏率預(yù)測(cè)技術(shù)。利用動(dòng)、靜環(huán)磨損過程中密封界面形貌演變規(guī)律，以及因動(dòng)、靜環(huán)磨損減薄和O形圈應(yīng)力松弛形成的主、次密封界面接觸壓應(yīng)力變化規(guī)律，確定運(yùn)行一定時(shí)間后密封界面的形貌參數(shù)以及動(dòng)、靜環(huán)密封界面及其所用O形圈與其內(nèi)、外徑處接觸界面的載荷，并通過逾滲理論、接觸力學(xué)理論和分形理論，獲得此刻動(dòng)、靜環(huán)密封界面及其所用O形圈與其內(nèi)、外徑處接觸界面間的逾滲通道特征尺寸；計(jì)入被密封介質(zhì)的表面張力和離心力的影響，再利用Navier-stokes方程預(yù)測(cè)在役接觸式機(jī)械密封的泄漏狀態(tài)。該方法簡(jiǎn)便、實(shí)用，可有效解決機(jī)械密封頻繁更換或過期失效引發(fā)事故問題，提高設(shè)備的安全可靠性。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102411669SQ20111021168
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者華潔, 孫見君, 於秋萍, 李佳, 涂橋安, 王衍, 陶丹萍, 馬晨波 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)