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机械密封环过盈联接的有限元分析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开展研究十分必要。1、机械密封过盈量确实定

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。过盈联接静环的构造示意图见图2。

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=TR4(α1-α2)(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有以下关系

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=δ1+δ2(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≈(δmin+δmax)/2

根据有效过盈量δb确定过盈配合基本偏差代号的选择

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