- ▸Áp suất mặt đệm kín cơ khí Pb = Ps + (β-k)·P, trong đó áp suất lò xo Ps được khuyến nghị ở mức 0,1-0,3 MPa, hệ số cân bằng β ở 0,65-0,85, và hệ số áp suất màng k ở 0,5-0,7
- ▸Đệm kín cơ khí gắn trong khuyến nghị áp suất lò xo 0,15-0,25 MPa, gắn ngoài 0,2-0,35 MPa, đảm bảo mặt đệm đóng kín trong quá trình khởi động và điều kiện áp suất thấp
- ▸Môi trường có độ nhớt cao (>100 cP) áp suất lò xo 0,25-0,35 MPa, môi trường có độ nhớt thấp (<1 cP, như các chất lỏng hydrocarbon) 0,10-0,18 MPa, tránh ma sát khô hoặc bay hơi môi trường
- ▸Đối với vòng quay than chì carbon ngâm tẩm antimon kết hợp vòng đứng yếm bằng silicon carbide, giới hạn áp suất mặt là 0,6 MPa với giá trị PV không vượt quá 10 MPa·m/s; khi vượt quá cần cấu trúc cân bằng để giảm áp suất mặt
Hiệu suất và tuổi thọ của đệm kín cơ khí phụ thuộc phần lớn vào thiết kế hợp lý của áp suất mặt. Áp suất mặt quá nhỏ dẫn đến mặt đệm mở và rò rỉ, trong khi quá lớn gây ma sát và mài mòn tăng cường. Qua nhiều năm thực tiễn thiết kế và sản xuất đệm kín, Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) đã tích lũy kinh nghiệm phong phú trong thiết kế áp suất lò xo. Bài viết này hệ thống giới thiệu các phương pháp tính toán và nguyên tắc lựa chọn áp suất lò xo đệm kín cơ khí, giúp kỹ sư đệm kín đạt được thiết kế chính xác.
1. Thành phần và tính toán áp suất mặt
1.1 Công thức áp suất mặt
Áp suất mặt đệm kín cơ khí Pb gồm áp suất lò xo Ps và áp suất hiệu dụng từ môi trường Pp:
Pb = Ps + (β - k) · P
Trong đó:
- Pb: áp suất mặt (MPa)
- Ps: áp suất lò xo (MPa), lấy từ lực lò xo Fs chia cho diện tích mặt đệm A
- β: hệ số cân bằng, phản ánh tỷ lệ diện tích vòng quay chịu áp suất môi trường so với diện tích mặt đệm
- k: hệ số áp suất màng, phản ánh tỷ lệ áp suất trung bình của màng chất lỏng giữa các mặt đệm so với áp suất môi trường
- P: áp suất môi trường (MPa)
1.2 Tính toán áp suất lò xo
Áp suất lò xo Ps = Fs / A
Trong đó lực lò xo Fs = n × k_s × x
- n: số lượng lò xo (thường 4-12)
- k_s: độ cứng lò xo đơn (N/mm)
- x: độ nén lò xo (mm)
Với mặt đệm Φ50 mm (diện tích 19,63 cm²), nếu dùng 8 lò xo nhỏ có độ cứng lò xo đơn 0,5 N/mm và độ nén 5 mm:
- Fs = 8 × 0,5 × 5 = 20 N
- Ps = 20 / 19,63×10⁻⁴ = 0,0102 MPa
Có thể thấy áp suất lò xo cần được thiết kế cẩn thận — quá lớn hoặc quá nhỏ đều ảnh hưởng đến hiệu suất kín.
2. Phạm Vi Áp Suất Lò Xo Đề Xuất
2.1 Phân Loại Theo Phương Pháp Lắp Đặt
1.Đệm kín cơ khí lắp trong: áp suất lò xo đề xuất là 0,15-0,25 MPa. Vòng quay của đệm kín lắp trong chịu áp suất môi chất, và áp suất mặt tiếp xúc chủ yếu do áp suất môi chất cung cấp; áp suất lò xo chỉ cần đảm bảo mặt tiếp xúc đóng kín trong quá trình khởi động và dừng.
2.Đệm kín cơ khí lắp ngoài: áp suất lò xo đề xuất là 0,20-0,35 MPa. Vòng quay của đệm kín lắp ngoài không chịu áp suất môi chất, và áp suất mặt tiếp xúc hoàn toàn do lực lò xo cung cấp, yêu cầu áp suất lò xo lớn hơn.
3.Đệm kín cơ khí dạng bellow: áp suất lò xo đề xuất là 0,10-0,20 MPa. Độ đàn hồi của bellow tự thân cung cấp một phần lực đóng mặt tiếp xúc và khả năng bù trừ, cho phép giảm áp suất lò xo phù hợp.
2.2 Phân Loại Theo Độ Nhớt Môi Chất
- Môi chất có độ nhớt thấp (<1 cP, như hydrocarbon lỏng, LPG): áp suất lò xo 0,10-0,18 MPa. Môi chất có độ nhớt thấp có khả năng bôi trơn kém, áp suất lò xo quá lớn dẫn đến ma sát khô tại mặt tiếp xúc, làm tăng tốc độ mài mòn.
- Môi chất có độ nhớt trung bình (1-100 cP, như nước, dầu nhẹ): áp suất lò xo 0,15-0,25 MPa. Đây là điều kiện phổ biến nhất, với áp suất lò xo vừa phải.
- Môi chất có độ nhớt cao (>100 cP, như dầu nặng, siro): áp suất lò xo 0,25-0,35 MPa. Môi chất có độ nhớt cao dễ hình thành màng dầu dày tại mặt đệm, cần áp suất lò xo lớn hơn để duy trì tiếp xúc mặt đệm.
2.3 Phân Loại Theo Áp Suất Môi Chất
- Áp suất thấp (<0,5 MPa): áp suất lò xo lấy giới hạn trên, đảm bảo đóng kín mặt tiếp xúc
- Áp suất trung bình (0,5-3 MPa): áp suất lò xo lấy giá trị trung bình
- Áp suất cao (>3 MPa): áp suất lò xo lấy giới hạn dưới, chủ yếu dựa vào áp suất môi chất để tạo áp suất mặt tiếp xúc
3. Lựa Chọn Hệ Số Cân Bằng β
3.1 Định Nghĩa Hệ Số Cân Bằng
Hệ số cân bằng β = A2 / A1
Trong đó A1 là diện tích mặt đệm và A2 là diện tích hiệu dụng của vòng quay chịu áp suất môi chất.
- β>1: loại không cân bằng, áp suất môi chất làm tăng áp suất mặt tiếp xúc
- β=1: loại cân bằng, áp suất môi chất không ảnh hưởng đến áp suất mặt tiếp xúc
- β<1: loại quá cân bằng, áp suất môi chất làm giảm áp suất mặt tiếp xúc (ít được sử dụng trong thực tế)
3.2 Giá Trị β Đề Xuất
- Điều kiện áp suất thấp (<0,6 MPa): β=1,0-1,2 (loại không cân bằng), cấu trúc đơn giản
- Điều kiện áp suất trung bình (0,6-3 MPa): β=0,75-0,85 (loại cân bằng một phần)
- Điều kiện áp suất cao (>3 MPa): β=0,65-0,75 (loại cân bằng sâu)
4. Lựa Chọn Hệ Số Áp Suất Màng k
Hệ số áp suất màng k phản ánh sự phân bố áp suất của màng lỏng giữa các mặt đệm. Đối với các tổ hợp vật liệu mặt đệm và môi chất khác nhau, giá trị k cũng khác nhau:
- Môi chất nước thông thường: k=0,5
- Môi chất dầu nhẹ: k=0,5-0,6
- Môi chất dầu có độ nhớt cao: k=0,6-0,7
- Môi chất khí hóa lỏng: k=0,7-0,85 (dễ bay hơi, áp suất màng lỏng gần bằng áp suất môi chất)
5. Ví dụ thiết kế
Đối với đệm kín cơ khí bơm ly tâm với môi chất là nước ở nhiệt độ phòng, áp suất 1,5 MPa, mặt đệm Φ50 mm, cấu trúc cân bằng một phần gắn trong, β=0,8, k=0,5:
- Lấy áp suất lò xo Ps=0,2 MPa
- Áp suất mặt đệm Pb = 0,2 + (0,8-0,5) × 1,5 = 0,2 + 0,45 = 0,65 MPa
Giá trị này có vượt quá áp suất mặt đệm cho phép 0,6 MPa đối với cặp than chì ngâm tẩm antimon/ silicon carbide không? Cần điều chỉnh. β có thể giảm xuống 0,75:
Pb = 0,2 + (0,75-0,5) × 1,5 = 0,2 + 0,375 = 0,575 MPa
Giá trị này đáp ứng yêu cầu.
Kết luận
Thiết kế áp suất lò xo đệm kín cơ khí là yếu tố then chốt đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của vòng đệm. Huahao Sealing Co., Ltd. cung cấp đầy đủ các loại vòng đệm than chì carbon và dịch vụ thiết kế, tính toán áp suất lò xo tùy chỉnh dựa trên điều kiện vận hành của khách hàng. Vui lòng liên hệ với đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi — chúng tôi sẽ cung cấp giải pháp kín tối ưu dựa trên kinh nghiệm kỹ thuật chuyên nghiệp.