静密封件是无泄露密封件。欲达此目的,密封件须有足够的弹性,以能够流(嵌)入和填满被密封面上的任一凹凸不平之处,同时还要保持足够的刚性,以防止在系统满载密封压力下挤入表面间的间隙之中。此两项要求长时间得到满足。弹性流动是通过压紧加载而形成的,密封件经压缩处于受力状态。
于是,贮存在整个密封系统中的弹性应变就能维持了接触压力。系统中可能会产生的任何应力松弛都会使性能降低。这种情况有可能由于密封材料本身的应力松弛(这可能还伴随着蠕变滑入间隙)、不均匀热膨胀,或者在采用垫圈的情况下,由于法兰挠曲或螺栓拉伸而引起。
所有弹性环形密封件都需要密封材料在装配状态下与配合件之一有过盈配合。例如,就以诸如O形圈或矩形圈之类的实心橡胶密封圈来说,材料可以处于受正压或受正拉状态,或者处于部分受压、部分受拉状态。同样,一个柔性唇形密封件,也可以处于受压或受拉状态,视该断面是外径密封,还是内径密封而定。
因此,不管密封的结构形式如何,在密封触点与配合面之间都会产生一种载荷。这种界面载荷的大小,取决于组装密封件时的过盈量或所造成的“压缩量”以及材料的弹性模量。在唇形密封件的情况下,界面载荷会随着唇边径向厚度、挠性腿部长度以及材料的弹性模量而变化。界面载荷的分布与截面的几何形状有关,如图1所示。这种载荷曲线表明了摩擦与泄漏特性的大体情况。对于动密封件来说,为求得使密封组件运动的动力载荷,须以摩擦系数去乘密封件造成的载荷,这种动力载荷实质上是一种功率损失。
图1
至少从理论上说,接触压力愈大,密封件所贮蓄的弹性应变能也愈大,因而,可用来抑制使用当中所产生的松弛的余地也就愈大,直至密封材料本身由于过度受压而损坏并彻底丧失工作能力为止,这基本上是符合实际情况的。虽然由于弹性材料本身是不可压缩的(即能够容许变形而不能减少体积),而只能在此极限之内被预加压力,但是这种情况在使用垫圈时比使用其他形式的静密封件更易出现。
有关一个动密封件的这些要求彼此是有抵触的,因而需要通盘考虑。以接触型密封件而论,良好的密封性需要被密封面上有足够大的接触压力(这与被密封的介质压力大小有关);同时,密封件要最大限度地减少摩擦和磨损。
在采用一个压缩型密封件的情况下,较大的预加载荷和较大的摩擦力是不可避免的。通过选用适当的填料或密封材料,可以将摩擦力减小到一定程度,在采用填料的情况下,也可以通过挤紧压盖的办法来调整摩擦力的大小,以求得到一个与许用密封性和允许泄露量相适应的最小压缩。再者,为了补偿填料表面可能产生的磨损,压盖的压紧状况需要定期加以调整。这对大多数形式的压盖填料密封来说是一项常规要求。
对于一个压缩密封件来说,不管实际压力如何,密封摩擦相对说来总是比较高的。因此,如果是为在特高压力下进行密封调节压盖,此时的压缩(从而摩擦)将比在较低压力下工作时所需要的压缩更大。静摩擦(从而起动摩擦力)亦会比动摩擦更大,尽管这种差别在采用掺合或涂覆聚四氟乙烯的填料时,可以忽略不计。用于运动场合的压缩密封的另一缺点是远不如压力赋能密封件小巧。
然而,对于不同的应用场合,各类密封件常常是各有千秋的。例如,对于旋转运动。有关一个动密封件的这些要求彼此是有抵触的,因而需要通盘考虑。以接触型密封件而论,良好的密封性需要被密封面上有足够大的接触压力(这与被密封的介质压力大小有关);同时,密封件要最大限度地减少摩擦和磨损。
在采用一个压缩型密封件的情况下,较大的预加载荷和较大的摩擦力是不可避免的。通过选用适当的填料或密封材料,可以将摩擦力减小到一定程度,在采用填料的情况下,也可以通过挤紧压盖的办法来调整摩擦力的大小,以求得到一个与许用密封性和允许泄露量相适应的最小压缩。再者,为了补偿填料表面可能产生的磨损,压盖的压紧状况需要定期加以调整。这对大多数形式的压盖填料密封来说是一项常规要求。
对于一个压缩密封件来说,不管实际压力如何,密封摩擦相对说来总是比较高的。因此,如果是为在特高压力下进行密封调节压盖,此时的压缩(从而摩擦)将比在较低压力下工作时所需要的压缩更大。静摩擦(从而起动摩擦力)亦会比动摩擦更大,尽管这种差别在采用掺合或涂覆聚四氟乙烯的填料时,可以忽略不计。用于运动场合的压缩密封的另一缺点是远不如压力赋能密封件小巧。
然而,对于不同的应用场合,各类密封件常常是各有千秋的。例如,对于旋转运动。特别是处于重载状态下的旋转运动来说,压盖旗料密封一般具有较高的寿命,而且是唯一有可能采用适宜材料来耐受高温和抵抗恶劣使用条件的密封类型。另一方面,对于往复工作,甚至在苛刻的工作条件下(在所用材料的最高使用温度范围内),挠性(压力赋能)密封件或密封组件有良好的工作性能,其摩擦与磨损也相当小。不过,所有挠性密封件,就其在耐受压力而无挤出和过度变形方面,都受到一定条件的制约,同时,由于可得到的不同设计的众多品种,尚须就应用与组装逐一研究。图2表明了各种动密封件适应的标准压力和速度范围。
图2
对于几乎所有类型的动密封件(压缩型的或压力赋能型)来说,密封件的润滑在决定密封性能与寿命方面均起重要的作用。当滑动面的材料为聚四氯乙烯时,情况也许是例外的,因为当聚四氟乙烯在大多数他种材料的表面上滑动时具有极低的摩擦系数,而且能在不加润滑的条件下摩擦,所产生的磨损可以忽略不计。在“湿”态应用场合,被密封的流体本身可以提供有效的润滑。在密封干燥气体、水溶液或蒸汽时,流体本身不是润滑剂,此时有必要为密封面提供一个润滑剂源,或者使密封材料掺杂一种润滑剂。甚至会要求一种专门的密封设计,或者使挑选一种合用型密封或填料的余地大为减少。
压缩填料可以设计成在干燥的表面上工作,在此种情况下,润滑剂包含在填料本身之中。简单的压缩密封圈和压力赋能型密封件或密封组件通常设计成在充分润滑条件下工作。在上述两种情况下,密封件本身均浮在润滑剂膜上,润滑剂构成了最末一道密封屏障,靠液膜的表面张力保持在一定的位置上,如图3所示。
图3
这层液膜的厚度是关键性的。如果太薄,液膜就会由于表面的凹凸不平而形成桥连状态,此时将产生较大的摩擦和较快的密封磨损。如果太厚,则弯液面将遭到破坏,此时会造成较高的泄漏流量。实际上,在运动条件下,密封是不会很完善的(亦即若无过度的预压力就不会是一个无泄漏密封),而且其工作性能将取决于载荷、速度和流体粘度。
在静止状态时,润滑液膜在预压力的作用下往往被挤压成厚度小于0.25μm(0.00001in),此时由于仅存在着边界润滑,便导致产生相当高的起动摩擦力。随着速度增加,形成全液动力润滑,并具有最小的摩擦,见图4。
在这些条件下,液膜厚度可在0.25~2.5μm(0.00001~0.000lin)之间。随着速度的进一步增加,摩擦可能再次加大,这要取决于润滑剂粘度、密封形状和结构细节以及摩擦面的性状。
图4
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工业是节能降碳的重点领域,也是实现“3060”碳达峰碳中和目标的关键。党的二十大报告明确提出,积极稳妥推进碳达峰碳中和,推进降碳、减污、扩绿、增长,完善能源消耗总量和强度调控,重点控制化石能源消费,逐步转向碳排放总量和强度“双控”制度。为了回顾 2023 年工业企业在节能降碳、绿色可持续发展方面的成就,了解当下的创新技术和应用,《流程工业》编辑部在 2024 年第一期特别策划了“工业碳中和”专题,邀请了一批国内外优秀的工业企业分享观点和产业实践,为广大的流程工业企业提供绿色可持续发展的启迪和借鉴。
作者:本刊编辑部
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