【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 彈簧工作載荷Fs和被密封介質(zhì)作用在從db到d2的環(huán)形面上的壓力Fp；阻礙動(dòng)環(huán)壓緊靜環(huán)的力有：密封端面流體膜反力軸向分力Fm和密封套O形密封圈與密封腔內(nèi)表面間的摩擦阻力Ff，O 形密封圈產(chǎn)生的摩擦阻力與密封套運(yùn)動(dòng)（軸向）方向相反，數(shù)值不大，一般在計(jì)算中忽略不計(jì)。則密封面的閉合力為： （3）其中Fs=PsA，F(xiàn)p=PAe，F(xiàn)m=λPA，則密封面比壓為： （4）式中：Ps為彈簧比壓；A為密封面的徑向投影面積，；P為密封介質(zhì)壓力，本設(shè)計(jì)中P=3MPa；Ae為介質(zhì)作用中密封軸套上的有效面積，；λ為液膜反壓系數(shù)，對(duì)于粘度較大的液體λ=1/3；為了保證機(jī)械密封具有長(zhǎng)久的使用壽命和良好的密封性能，必須選擇合理的端面比壓，根據(jù)機(jī)械密封手冊(cè)有關(guān)規(guī)定選擇Pc=。由錐面密封端面磨損特性可知，隨著動(dòng)環(huán)的磨損，接觸母線長(zhǎng)度L不斷增長(zhǎng)，載荷系數(shù)β不斷減小，從而會(huì)造成密封比壓Pc降低（卸載）[17]。因此，彈簧比壓除了要使動(dòng)環(huán)相對(duì)于靜環(huán)具有良好的追隨性外，還要補(bǔ)償因靜環(huán)磨損造成β值下降而帶來(lái)的密封面卸載。為了使得端面比壓Pc滿足要求，必須保證在靜環(huán)磨損最嚴(yán)重（β值最小時(shí)），彈簧比壓大于所需的最小值，以此為依據(jù)選擇彈性元件。在靜環(huán)磨損最嚴(yán)重時(shí)，接觸母線長(zhǎng)度L=3mm，密封端面外徑d2=，此時(shí)：平衡系數(shù) 密封面徑向投影面積 代入（4）式得彈簧比壓Ps=，彈簧力Fs=PsA=。（2）彈簧選型根據(jù)彈簧座尺寸選擇彈簧絲徑d=，平均直徑D=，材料為65鋼，切變模量G=81400MPa，圈數(shù)n=15。彈簧力驗(yàn)算：由于彈簧兩端存在死圈，有效圈數(shù)n=152*=彈簧旋繞比 C=D/d=剛度c=Gd/8C3n=81400106103/8()3= Nm當(dāng)定位塊剛?cè)サ魰r(shí)，彈簧壓縮量最大：x1=當(dāng)動(dòng)環(huán)磨損最嚴(yán)重時(shí)，彈簧壓縮量最?。簒2=則最大彈簧力為：Fsmax=Ncx1=10=343N 最小彈簧力為：Fsmin=Ncx2=10=256N，符合條件。 摩擦功率計(jì)算及電機(jī)選型機(jī)械密封在運(yùn)行過(guò)程中，功率消耗包括密封端面摩擦功率Nf和旋轉(zhuǎn)組件對(duì)介質(zhì)的攪拌功率Ns。一般情況下后者比前者小得多，而且也很難準(zhǔn)確計(jì)算，通?？梢院雎裕瑑H計(jì)算密封端面摩擦功率Nf。端面摩擦功率、摩擦轉(zhuǎn)矩常用下式進(jìn)行計(jì)算： （5） （6）式中 Nf——端面摩擦功率，W； f——密封端面摩擦系數(shù)，根據(jù)摩擦副材料確定f=[1]； Pc——端面比壓，MPa； V——密封端面平均線速度，v=π（d1+d2max）n/2=； A——密封端面徑向投影面積，A=； r1 ——密封端面內(nèi)半徑，m； r2 ——密封端面外半徑，m；代入式（5），（6）得：Tf=m，Nf=170W.根據(jù)轉(zhuǎn)矩和功率大小，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用泰安伊萬(wàn)福電機(jī)有限公司生產(chǎn)的Y27112型三相異步電動(dòng)機(jī)，它的性能滿足機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)的要求。額定電壓（V）380額定電流（A）1額定轉(zhuǎn)速（r/min）2820額定功率（KW） Y27112三相異步電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) 主軸設(shè)計(jì)和校核由于軸長(zhǎng)期處于密封介質(zhì)中，密封介質(zhì)具有一定的腐蝕性，所以采用1Cr13材料并調(diào)質(zhì)處理。據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）》(機(jī)械工業(yè)出版社)[18]材料的力學(xué)性能為:牌號(hào) 1Cr13熱處理 調(diào)質(zhì)直徑(φ) ≤60mm硬度(HB) 187— 217抗拉強(qiáng)度(σb) 600MPa屈服強(qiáng)度(σs) 420MPa彎曲疲勞極限(σ1) 275MPa扭轉(zhuǎn)疲勞極限(τ1) 155MPa許用靜應(yīng)力(σ+1p) 240MPa許用疲勞應(yīng)力(σ1p) 152MPa—183MPa因此取 [τ]=155MPa Tmax=80GPa對(duì)于精密穩(wěn)定的傳動(dòng)[]~176。/m，因此取[]=176。/m通過(guò)電機(jī)的輸出功率對(duì)軸進(jìn)行保守設(shè)計(jì)：由電機(jī)功率為N=，轉(zhuǎn)速n=2820r/min扭矩： 由強(qiáng)度條件： 由剛度條件： 因此設(shè)計(jì)軸的最小截面直徑d=18mm校核軸強(qiáng)度：校核軸剛度： 經(jīng)校核，軸徑符合要求。 壓力容器設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求，取密封腔體的材料為鑄鋼ZG2705003(GBT/2100一1980)。該材料屬于中碳鑄鋼，有一定的韌性及塑性，強(qiáng)度和硬度較高，切削性良好，焊接性尚可，鑄造性能比低碳鋼好鑄造性能較好，具有較好的力學(xué)性能。在弱腐蝕介質(zhì)和溫度不高的情況下，均有良好的耐蝕性。可用于承受沖擊負(fù)荷、要求韌性高的鑄件。對(duì)該材料進(jìn)行熱處理后，其力學(xué)性能為： 根據(jù)GB150標(biāo)準(zhǔn)中壓力容器的設(shè)計(jì)規(guī)范：[19] (7)式中： δ——計(jì)算厚度，mm； Pc——計(jì)算壓力，MPa，Pc≈~； D ——密封腔體直徑，mm； [σ]t——設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa； φ——焊縫系數(shù)； C ——壁厚附加量；其中壁厚附加量：C=C1+C2+C3； C1——鋼板厚度負(fù)偏差； C2——腐蝕厚度； C3——鋼材加工損失厚度設(shè)計(jì)計(jì)算中?。害?； Pc=3=； 100℃時(shí)，[σ]t=163MPa。 鋼板厚度負(fù)偏差C1=； 腐蝕厚度C2=； 鋼材加工損失厚度C3=1mm代入數(shù)據(jù)到（7）式得：為了保證安全，為以后更高壓力條件下實(shí)驗(yàn)考慮，取壁厚為5mm。 螺栓、軸承等其他部件選型 螺栓的設(shè)計(jì)和校核由于螺栓連接的密封腔與機(jī)封座之間的作用力是以軸向力為主，剪切力可以忽略不計(jì)，因此設(shè)計(jì)螺栓應(yīng)按照受拉螺栓連接進(jìn)行。密封腔的設(shè)計(jì)壓力為3MPa，取材料為45鋼的8個(gè)螺栓對(duì)稱布置進(jìn)行連接。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得知45鋼：力學(xué)性能 [σ]′=480MPa螺栓許用拉應(yīng)力為： [20] (8)其中，[Ss]=~，取Ss=，代入（8）式得：[σ]=320MPa機(jī)封座承受壓力為： 則，單個(gè)螺栓所承受的力為：對(duì)于有密封性要求的連接，殘余預(yù)緊力：F2==1792=2688N總拉力： F總=F1+F2=1792+2688=4480N則根據(jù)第四強(qiáng)度理論得：為了保證安全，使用45鋼材料，直徑為8mm 的螺栓進(jìn)行連接。 軸承選型及計(jì)算本設(shè)計(jì)中，主軸利用一對(duì)角接觸球軸承面對(duì)面安裝進(jìn)行支撐，最高轉(zhuǎn)速為2820r/min，軸承預(yù)期使用壽命Lh=5000h，脂潤(rùn)滑。預(yù)選軸承型號(hào)為7207C，由手冊(cè)查的軸承數(shù)據(jù)如下：Cr= C0r=20KN軸承主要受到軸向力，徑向力可忽略不計(jì)，軸向力大小為：則： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）》：e=則： X=，Y=沖擊載荷系數(shù)，： fd=當(dāng)量動(dòng)載荷為： 額定動(dòng)載荷為：選用軸承7207C可以滿足軸承壽命的要求。 聯(lián)軸器選型及校核本設(shè)計(jì)為減小由于同軸度誤差引起的不良影響，采用柔性聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tc包括兩部分：為克服連續(xù)作用的額定載荷和摩擦阻力所需的工作轉(zhuǎn)矩T和附加動(dòng)力轉(zhuǎn)矩T′，常按下式進(jìn)行計(jì)算：Tc=T+T′≈KT≤Tn式中 Tn——許用名義轉(zhuǎn)矩，由手冊(cè)查出； K ——載荷系數(shù)，K= T ——工作轉(zhuǎn)矩，T=m則： Tc≈=m 根據(jù)軸徑初選聯(lián)軸器型號(hào)為：電機(jī)端——KL2，Tn=10Nm≥Tc轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀端——KL3，Tn=224Nm≥Tc所選擇的聯(lián)軸器滿足使用要求。[本章小結(jié)]本章首先通過(guò)對(duì)機(jī)械密封兩種模型的比較，確定本方案采用平衡式錐面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)，并對(duì)主要密封件動(dòng)環(huán)、靜環(huán)從選材到尺寸確定進(jìn)行嚴(yán)格分析，再根據(jù)密封端面的受力情況確定彈性元件的尺寸與材料。，對(duì)系統(tǒng)的摩擦功耗進(jìn)行估算，作為選擇電機(jī)的主要參考，隨后幾節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主軸、密封腔、螺栓、軸承等零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及校核，以滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。 77 第四章 機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制部分設(shè)計(jì)第4章 機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制部分設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)要求能夠模擬不同工作環(huán)境下的密封實(shí)驗(yàn)，包括主軸轉(zhuǎn)速的控制、介質(zhì)壓力、溫度的控制等，以擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)臺(tái)的使用范圍，為不同型號(hào)機(jī)械密封產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)。 機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用施耐德的ATV312HON4型變頻器控制電機(jī)的輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。該變頻器具有功能強(qiáng)勁、結(jié)構(gòu)緊湊和易于安裝的特點(diǎn)，集成的多種功能適合于各種機(jī)械應(yīng)用。：電源特性（V）380最大瞬時(shí)電流（A）瞬時(shí)過(guò)轉(zhuǎn)矩（%）170~200%上限頻率（Hz）50下限頻率（Hz）0加速時(shí)間（s）3減速時(shí)間（s）3 ATV312HON4型變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)，A、B、C三線連接38OV的三相交流電，將其分別連接到變頻器的電源輸入端Ll、L2Z、L3；STF與STR輸入端分別用于控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，它們分別通過(guò)開關(guān)KM0與KM1接到公共輸入端SD；頻率設(shè)定器用于設(shè)定輸出頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻的阻值，引腳2處可輸入0—5V的電壓信號(hào)，與輸出頻率成正比，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)引腳2的輸入電壓以調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率；AM端與公共輸入端5相連，輸出5V模擬電壓信號(hào)，其電壓值的大小與變頻器的輸出頻率成正比，因此將其輸出接到電壓顯示類儀表，以觀察變頻器的輸出頻率大小。變頻器利用脈寬調(diào)制的原理，根據(jù)設(shè)定頻率將輸入電壓經(jīng)過(guò)變壓變頻轉(zhuǎn)換后分別輸出到U、V、W端，以調(diào)節(jié)和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。使用該變頻器可以使電機(jī)在0一2820r/min范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的要求。[21] 變頻器接線圖 機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)壓力、溫度的調(diào)節(jié)（1）壓力的調(diào)節(jié)：本設(shè)計(jì)利用調(diào)壓溢流閥進(jìn)行壓力控制。，在密封腔出口端安裝一個(gè)調(diào)壓溢流閥[22]，同時(shí)在閥的兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)壓力表，通過(guò)調(diào)節(jié)閥口的開合程度調(diào)節(jié)密封腔壓力，并通過(guò)兩端的壓力表控制密封腔壓力的大小。溢流閥的型號(hào)為：YF310L，~。（2）溫度的調(diào)節(jié)：通過(guò)加熱棒加熱流體溫度，并通過(guò)溫度控制器控制水箱溫度。當(dāng)加熱棒加熱到指定的溫度時(shí)，溫度調(diào)節(jié)控制器自動(dòng)切斷加熱棒的電源，停止加熱；當(dāng)溫度降低時(shí)，自動(dòng)連接加熱棒電源，加熱水箱溫度，通過(guò)控制水箱的溫度從而實(shí)現(xiàn)密封腔介質(zhì)溫度的控制。[14][本章小結(jié)]本章首先根據(jù)電機(jī)特點(diǎn)選定了適合的變頻器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速0~2820r/min內(nèi)變化。另外，對(duì)溫度和壓力調(diào)節(jié)做出分析，確定調(diào)節(jié)控制方案，可以保證壓力和溫度的調(diào)節(jié)控制。第五章 機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試部分設(shè)計(jì)第5章 機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試部分設(shè)計(jì)早期國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)沒(méi)有測(cè)試系統(tǒng)，因而無(wú)法監(jiān)測(cè)機(jī)械密封的內(nèi)部工作狀況。隨著機(jī)械密封技術(shù)的高速發(fā)展，早期的實(shí)驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)不能滿足日益發(fā)展的機(jī)械密封技術(shù)研究的需要。伴隨測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能和可靠性都有了質(zhì)的提升，機(jī)械密封的實(shí)驗(yàn)和研究也更為深入。機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)臺(tái)非常重要的組成部分，它的作用是將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備將這些信號(hào)讀取并處理。 設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)需要完成對(duì)實(shí)驗(yàn)情況及工作環(huán)境參數(shù)的測(cè)試，如工作溫度、壓力的測(cè)試和調(diào)節(jié)；完成對(duì)機(jī)械密封主要技術(shù)參數(shù)和工作狀況的測(cè)試，如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩測(cè)試等。根據(jù)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)一步來(lái)分析機(jī)械密封的運(yùn)行狀態(tài)。該部分是掌握機(jī)械密封性能和故障檢測(cè)的重要依據(jù)，因此要求系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單實(shí)用、具有抗干擾性、精確可靠、交互性好、技術(shù)成熟先進(jìn)。機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)是在模擬的機(jī)械密封的實(shí)際工作環(huán)境中對(duì)機(jī)械密封運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，因而要求測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、故障率低，能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行。被檢測(cè)對(duì)象環(huán)境中既有電動(dòng)機(jī)又有水泵，它們?cè)趩?dòng)、運(yùn)行以及停止過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電磁輻射和振動(dòng)，電源的浪峰和尖峰，還要考慮溫度、壓力等因素帶來(lái)的干擾和誤差。因此系統(tǒng)應(yīng)具有抗電磁輻射、抗振動(dòng)和抗電源干擾能力，同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮其自身的自檢和糾錯(cuò)能力。、交互性好從實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)際出發(fā)，要求系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單實(shí)用。，具有良好的擴(kuò)展能力系統(tǒng)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在整體功能上，而不著眼于單項(xiàng)技術(shù)的突破，盡量利用己成熟的技術(shù)為我所用；同時(shí)系統(tǒng)要有較好的擴(kuò)展能力和通信能力，為以后的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。 密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)組成。本測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)密封實(shí)驗(yàn)所要求的轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度、壓力等參數(shù)，通過(guò)各自的傳感器測(cè)出相應(yīng)參數(shù)，并通過(guò)I/O端口傳至顯示儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。 密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)組成在此實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)中，機(jī)械密封環(huán)境參數(shù)主要包括密封工作時(shí)的溫度、壓力、主軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等。機(jī)械密封工作時(shí)密封件的溫度和壓力分