背叶片与油封的组合密封特性分析

1、背叶片与油封的组合密封特性分析孔繁德(黑龙江科技学院,哈尔滨150027摘要:将背叶片密封与油封组合在一起作为杂质泵密封,可使两者发挥各自的优势。组合密封既可发挥背叶片平衡叶轮轴向力,并形成反压力来降低轴封处的压力,又能发挥油封密封消耗能量少且在变工况时密封性能稳定的优点。经分析,这是一种具有发展前途和推广价值的轴封形式。关键词:背叶片密封;油封;组合密封中图分类号:TH137.51文献标志码:A文章编号:100320794(20070520054203Analysis on Combinatory Seal of B ack B lade and OiltightK ONG F an-de(

2、Heilongjiang Institute of Science and T echnology,Harbin150027,ChinaAbstract:Back blade seal and oiltight are fitted together as im purity pum p seal,which can exert both of their predominance.On the one hand combined seal will exert back blade counterpoise im peller force and form counter pressure,

3、on the other hand,it consumes little and remains steady when the w orking condition changed.With analysis,this is a developable and extendable airproof form.K ey w ords:back blade seal;oiltight;combinatory seal0前言随着现代工业的飞速发展,对密封的要求越来越高,单一的一种密封有时难以满足苛刻的工况条件,将几种密封组合起来,利用其各自优势,使其充分发挥作用,已成为密封行业目前广泛应用的技术

4、。1背叶片-油封组合密封原理1.1背叶片的使用背叶片是指在叶片后盖板上沿径线或后弯方向所作的几个叶片,叶片数z=410片,叶片厚度t= 510mm。背叶片与泵壳后壁的间隙大小对性能影响很大,理论上该间隙越小越好,但若间隙过小,泵运转时背叶片易引起摩擦发热而损坏零件,故一般取=0.33mm。背叶片结构见图1。背叶片的使用可防止杂质进入轴封,故在杂质泵上得到广泛的应用。背叶片的使用还可以平衡部分轴向力,减小轴封前液体的压力。2结语基于Simulink的仿真方法不仅能让用户知道具体环节的动态细节,而且能够让用户清晰地了解各子系统、各系统间的信息交换,仿真结果也能直观显示。但是必须先建立机构的数学模型

5、,并编写M AT LAB的函数文件(程序嵌入到Simulink仿真中,这就要求技术人员掌握较多的编程知识。基于Sim Mechanics的仿真方法,与完全通过编程实现或基于Simulink的仿真相比,最大的优点是无需建立机构的数学模型和编程,具有系统建模方便直观、仿真功能强大等特点。它大大减轻了设计人员的工作,使机构学研究人员可以方便地进行运动仿真,仿真结果的实时动画显示,更有利于对机构运动的理解,并能和虚拟现实工具相结合,得到更具真实感的虚拟现实场景。总之,机构仿真是实现机构优化设计的重要方法,特别是对于复杂机构系统,这一方法更加显示出其优越性,而M AT LAB可很好地对机械系统进行分析,

6、为机械系统的建模仿真提供一个强大而方便的工具。参考文献:1谭兆衡.国内筛分设备的现状和展望J.矿山机械,2004(1:34-37.2薛定宇,陈阳泉.基于M AT LABS imulink的系统仿真技术与应用M.北京:清华大学出版社,2002.3阮静.基于S olidW orks的机构运动方案设计虚拟实验系统D.西安:西安理工大学,2004.4王芳,张海燕.基于S imulink的连杆机构运动学仿真J.机械设计与研究,2004,20(2:35-37.5李燕.在M AT LAB环境下开发平面四杆机构的运动分析系统J.机械研究与应用,2002,1(4:7-8.6曲秀全,钟诗胜,戴恒震.RRR-RRR

7、六杆机构的M AT LAB动力学求解J.机械设计,2004,21(1:56-58.作者简介:徐梓斌(1968-,浙江建德人,硕士,副教授,主要研究方向:计算机辅助设计、机械CAD,电话:0571-*,电子信箱:xu zibin.收稿日期:2007201223第28卷第5期2007年5月煤矿机械C oal Mine MachineryV ol128N o15M ay.2007 图1背叶片结构1.2油封的使用油封与其他唇形密封不同之处在于具有回弹能力更大的唇部,密封接触面宽度很窄(约为015mm 且接触应力的分布图形呈尖角形。图2为油封的典型结构及唇口接触应力示意图。油封的截面形状及箍紧弹簧,使唇

8、口对轴具有较好的追随补偿性。因此油 封能以较小的唇口径向力获得良好的密封效果。图2油封结构及唇口接触应力11唇口21冠部31弹簧41骨架51底部61腰部 71副唇1.3密封工作原理图3所示为一杂质泵的背叶与油封密封结构示意图,该密封结构主要由背叶的动力密封作为主密封与油封的静态密封作为辅密封组成,在正常工作状态下,主密封的作用是借助背叶片跟随叶轮旋转所产生的负压来中和介质产生的压力(背叶片产生的负压略微大于介质产生的压力,在背叶片起主密封作用时油封在离心力的作用下不起密封作用,而当泵停止运转的时候背叶片已经不能起任何密封作用了,这时油封在弹簧的作用下开始起密封作用,从而有效地阻止泵内介质泄露。

9、图3背叶片-油封组合密封结构组合密封与填料密封,机械密封相比具有以下特点:(1平衡轴向力,使轴承负载减轻,能延长轴承使用寿命;(2动力密封工作时不存在机械摩擦与磨损;停车密封工作时除机器在起动与停转的短时间外 ,也不受机械摩擦与磨损,因此该密封的磨损小,使用寿命长;( 3由于该密封没有或几乎没有机械摩擦,因此在高速旋转的离心泵轴上使用显得更加合理;(4该密封无泄露或仅在其动与停车时有少量泄露,因此密封效果好;(5该密封在运行时不必维护;(6适合于输送各种介质泵的密封,包括含杂质液体的密封和许多苛刻条件下的介质密封,因此使用范围广;(7其缺点是密封结构复杂。2特性分析2.1泵正常运转时特性泵正常

10、运转时,其背叶片主要的作用是产生负压来阻止介质泄露的,如图4,同时还可以平衡部分轴向力,如图5,此时油封在离心力的作用下不起密封作用。图4背叶片密封原理图图5背叶片平衡轴向力原理背叶片减压后的压头H EK =H p -28g n (R 22-R 2r +(s +t s 2(R 22-R 2h (1式中叶轮转速,r min ;R 2叶轮外半径,m ;R r 背叶片外半径,m ;R h 轮毂半径,m ;H p 叶轮出口势扬程,m 。背叶片密封的封液能力就是背叶片所能产生的离心压力或扬程,该扬程可由该侧密封腔内所取微元体的受力平衡条件求得,其值H r =28g n(D 2e -D 2h (2式(2是

11、在假定背叶片端面与壳壁之间的间隙很小(接近于零、液体以=旋转且为理想液体的情况下得到的,是背叶片所能产生的最高扬程,故为理论封液能力,实际上,并不为零,且腔内液体是有黏性的实际液体,因此,而是2<<,故实际封液能力H 1=28g n (D 2e -D 2h (3两者相差的程度可用其比值K 表示,即K =H 1H r =22(4故有H 1=KH r =K 28g n(D 2e -D 2h (5其中K 称为反压系数,它是反映背叶片密封封液能力大小的重要参数,其物理意义是密封腔内液体的实际平均角度与叶轮角速度的平方之比,其值与轴向间隙,背叶片高度t ,液体黏性及腔内液体的流动状态等因素有

12、关,由于影响因素复杂,特别是腔内液体的流动状态难以确定。因此,计算背叶片密封封液能力的关键是如何准确可靠地确定反压系数K 值。在背叶片密封的优化设计中,通常用经叶片减压后轴封处扬程H s 来表示实际封液能力,该扬程可根据图4求得,图中AGF 曲线表示无背叶片时该侧空腔内液体压力沿径向的分布曲线,而AGK 曲线表示加背叶片后腔内液体压力沿径向分布曲线,EK 即为经背叶片减压后轴封处的液体压力或扬程(单位用米液柱表示,由图可知H s =EK =AB -A G -G K(6式(6中AB 为叶轮出口势扬程H p ,G K 即背叶片所产生的实际封液能力H 1,其值可由式(5计算,而A G 表示腔内无背叶

13、片部分(由D e 到D 2部分的液体以2旋转时所产生的扬程H ,同样的分析方法得到,其值H 2=A G =232g n(D 22-D 2e (7将式(5、式(7及=n30代入式(6得H s =H p -1.397(n 1002K (D 2e -D 2h +14(D 22-D 2e (8H s 、H p 、D e 、D h 的单位均为m ,由式(6可知,经背叶片减压后的扬程H s 越小,表示背叶片密封的封液能力越强,因此,H s 的大小可反映背叶片密封封液能力的强弱,若要保证背叶片密封不泄露,必须使H s =0(等压密封或H s <0(负压密封。2.2泵停止运转时特性当泵停止运转时,油封在

14、介质压力的作用下开始与轴接触,起密封作用。(1唇口的径向力是指单位圆周上的油封唇口对轴的箍紧力,它是表征唇口摩擦面上线接触应力大小的重要特性参数。对于唇口摩擦工况及密封寿命有直接影响,要达到密封目的,必须有足够的径向力,但径向力过大,唇口将轴箍得过紧,会使摩擦面上的油膜遭到破坏,油封的寿命将大大缩短。影响油封径向力的因素有很多,如油封的过盈量、油封弹簧的张力、油封结构形式及油封胶料的硬度等,都会导致油封径向力的变化。故唇口的总径向力F r =F r1+F r2+F r3式中F r1唇口对轴的过盈量产生的径向力,F r1=EW R2;F r2油封腰部弹性变形产生的径向力,F r2=ES 24L3

15、;F r3油封弹簧产生的径向力,F r3=F 3R;唇口过盈量之半,=d 0-d2,mm ;d 0轴直径;d 油封唇直径;E 橡胶弹性模量,MPa ;W 冠部截面积,mm 2;R 轴的半径,mm ;S 腰部厚度,mm ;L 腰部长度,mm ;F 3弹簧工作张力,N 。(2摩擦力矩旋转轴油封的密封性能,是由旋转动态下轴与油封唇及其界面油膜相互接触而实现的。这种接触状态是油封密封各因素的综合表现。油封的旋转摩擦特性主要表现在摩擦力矩和摩擦发热2个方面:油封的摩擦力矩T =f F r R ×10-3式中f 唇口与轴的摩擦因数,与密封介质种类、轴径大小和油封的橡胶材料等有关。油封只在开始运转和停止旋转时摩擦力矩较大,而后在离心力的作用下脱离轴。(3密封保护为了防止密封遭外来液体、灰尘和污泥的攻击,一般安装辅助保护装置,所以必须认真地权衡成本和利益。简单地解决方案是在密封的空气侧安装防尘密封唇。3结语密封性能是评价泵产品质量的重要指标,设计可靠的密封结构至关重要,采用新型的组合密封使杂质泵在耐磨性能上较填料密封有很大的改善,尤其是在底盖处改