Выбор и расчет давления пружины торцевого уплотнения: от точного контроля силы прижатия торца

Рабочие характеристики и срок службы торцевых уплотнений во многом зависят от правильного расчёта давления на уплотнительные поверхности. Слишком малое давление приводит к раскрытию уплотнительных поверхностей и протечкам, слишком большое — к усиленному трению и износу. За годы проектирования и производства уплотнений Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) накопила богатый опыт в проектировании давления пружины. В этой статье систематически изложены методы расчёта и принципы выбора давления пружины торцевого уплотнения, что помогает инженерам по уплотнениям выполнять точный дизайн.

1. Состав и расчёт давления на уплотнительную поверхность

1.1 Формула давления на поверхность

Давление на торцевом уплотнении Pb состоит из давления пружины Ps и эффективного давления среды Pp:

Pb = Ps + (β - k) · P

Где:

• Pb: давление на поверхность (МПа)
• Ps: давление пружины (МПа), получаемое как сила пружины Fs, делённая на площадь уплотнительной поверхности A
• β: коэффициент баланса, отражающий отношение площади вращающегося кольца, подверженной давлению среды, к площади уплотнительной поверхности
• k: коэффициент давления пленки, отражающий отношение среднего давления жидкостной плёнки между уплотнительными поверхностями к давлению среды
• P: давление среды (МПа)

1.2 Расчёт давления пружины

Давление пружины Ps = Fs / A

Где сила пружины Fs = n × k_s × x

• n: количество пружин (обычно 4-12)
• k_s: жёсткость одной пружины (Н/мм)
• x: сжатие пружины (мм)

Для уплотнительной поверхности диаметром Φ50 мм (площадь 19,63 см²), если используется 8 малых пружин с жёсткостью одной пружины 0,5 Н/мм и сжатием 5 мм:

• Fs = 8 × 0,5 × 5 = 20 Н
• Ps = 20 / 19,63×10⁻⁴ = 0,0102 МПа

Из этого видно, что давление пружины должно быть тщательно рассчитано — слишком большое или слишком малое влияет на герметичность.

2. Рекомендуемые диапазоны давления пружины

2.1 Классификация по способу монтажа

1.Внутренне установленные торцевые уплотнения: рекомендуемое давление пружины 0,15-0,25 МПа. Вращающееся уплотнительное кольцо внутренне установленных уплотнений подвергается давлению среды, и давление на торец в основном обеспечивается давлением среды; давление пружины необходимо лишь для обеспечения закрытия торца при запуске и остановке.

2.Внешне установленные торцевые уплотнения: рекомендуемое давление пружины 0,20-0,35 МПа. Вращающееся уплотнительное кольцо внешне установленных уплотнений не подвергается давлению среды, и давление на торец полностью обеспечивается силой пружины, требующей более высокого давления пружины.

3.Гофрированные торцевые уплотнения: рекомендуемое давление пружины 0,10-0,20 МПа. Собственная упругость гофры обеспечивает часть силы закрытия торца и компенсирующую способность, что позволяет соответственно снизить давление пружины.

2.2 Классификация по вязкости среды

• Среды с низкой вязкостью (<1 сП, например, жидкие углеводороды, сжиженный нефтяной газ): давление пружины 0,10-0,18 МПа. Среды с низкой вязкостью обладают плохой смазывающей способностью, и чрезмерное давление пружины приводит к сухому трению на торце, ускоряя износ.

• Среды со средней вязкостью (1-100 сП, например, вода, легкое масло): давление пружины 0,15-0,25 МПа. Это наиболее распространённые условия с умеренным давлением пружины.

• Среды с высокой вязкостью (>100 сП, например, тяжёлое масло, сироп): давление пружины 0,25-0,35 МПа. Среды с высокой вязкостью легко образуют толстую масляную плёнку на торце уплотнения, требуя более высокого давления пружины для поддержания контакта торцов.

2.3 Классификация по давлению среды

• Низкое давление (<0,5 МПа): давление пружины выбирается в верхнем диапазоне для обеспечения закрытия торца
• Среднее давление (0,5-3 МПа): давление пружины выбирается в среднем диапазоне
• Высокое давление (>3 МПа): давление пружины выбирается в нижнем диапазоне, основное давление на торец создаётся давлением среды

3. Выбор коэффициента балансировки β

3.1 Определение коэффициента балансировки

Коэффициент балансировки β = A2 / A1

где A1 — площадь торца уплотнительного кольца, A2 — эффективная площадь вращающегося кольца, подвергающаяся давлению среды.

• β>1: небалансированный тип, давление среды увеличивает давление на торец
• β=1: сбалансированный тип, давление среды не влияет на давление на торец
• β<1: сверхбалансированный тип, давление среды снижает давление на торец (редко используется на практике)

3.2 Рекомендуемые значения β

• Условия низкого давления (<0,6 МПа): β=1,0-1,2 (небалансированный тип), простая конструкция
• Условия среднего давления (0,6-3 МПа): β=0,75-0,85 (частично сбалансированный тип)
• Условия высокого давления (>3 МПа): β=0,65-0,75 (глубоко сбалансированный тип)

4. Выбор коэффициента давления плёнки k

Коэффициент давления плёнки k отражает распределение давления жидкостной плёнки между торцами уплотнений. Для различных комбинаций материалов торцов и сред значения k различаются:

• Обычная водная среда: k=0,5
• Лёгкие масляные среды: k=0,5-0,6
• Среды с высоковязким маслом: k=0,6-0,7
• Среды сжиженных газов: k=0,7-0,85 (легко испаряются, давление жидкостной плёнки близко к давлению среды)

5. Пример проектирования

Для торцевого уплотнения центробежного насоса с рабочей средой — вода при комнатной температуре, давлении 1,5 МПа, диаметре уплотнительного кольца Φ50 мм, внутренне установленной частично сбалансированной конструкции, β=0,8, k=0,5:

• Примем давление пружины Ps=0,2 МПа
• Давление на торце Pb = 0,2 + (0,8-0,5) × 1,5 = 0,2 + 0,45 = 0,65 МПа

Превышает ли это значение допустимое давление на торце 0,6 МПа для пары графит/карбид кремния с металлической пропиткой сурьмой? Требуется корректировка. Значение β можно уменьшить до 0,75:

Pb = 0,2 + (0,75-0,5) × 1,5 = 0,2 + 0,375 = 0,575 МПа

Это соответствует требованию.

Заключение

Проектирование давления пружины торцевого уплотнения является ключевой гарантией его герметичности и срока службы. Huahao Sealing Co., Ltd. предоставляет полный ассортимент уплотнительных колец из углеродного графита и предлагает услуги по индивидуальному проектированию и расчету давления пружины на основе условий эксплуатации заказчика. Пожалуйста, свяжитесь с нашей технической командой — мы предоставим оптимальное решение для уплотнения, опираясь на профессиональный инженерный опыт.