密封接触

密封接触（精选三篇）

密封接触篇1

金属自紧式密封环的径向截面通常设计成小而且有弹性, 如C形, U形, V形, E形, W形等。其中开口方向朝向高压端。在高温、高压等极端环境下, 这些密封形式相对于传统的橡胶O形密封环具有无可比拟的优势, 因而被广泛应用于火箭、飞机、汽车发动机上。

粗糙表面的接触模型一直是摩擦学研究的重要课题之一。自Hertz发表其弹性接触模型以来, 基于此模型, 很多考虑粗糙度的微观弹塑性模型得以提出。较有代表性的有Greenwood等[1]提出的GW模型, ABBOTT等[2]和PULLEN等[3]先后提出的粗糙表面塑性接触模型, CHANG等[4]建立的CEB模型。CEB模型预测结果与POWIERZE等[5]的试验结果刚好相反, 也与人们的直觉观察即弹性变形具有更大的接触刚度相违背。为了弥补CEB模型的上述缺陷, ZHAO等[6]提出了包含弹性、弹塑性和塑性三种变形状态的表面接触模型, 赵永武等[7]提出了粗糙表面的接触载荷、平均分离和实际接触面积之间的数学关系式。

粗糙表面的微观接触模型的应用大部分局限于两个名义平面之间的接触。针对曲面与平面接触问题, Lo[8]将GW模型应用于平行圆柱体的接触问题。ANDREAS等[9]延续Lo的计算, 将CEB模型应用于自紧式金属密封圈的接触问题。

1 接触模型

1.1 基本模型

当两个名义平面或者一个名义平面和一个曲面接触时, 两粗糙表面的接触可以等效为一个粗糙表面和一个光滑表面的接触模型[10]。等效的杨氏模量可由下式计算:

其中, 和分别为上下表面的杨氏模量, 和分别为上下表面的泊松比。

模型的示意图如图1所示。为表面微凸体的法向变形量

本地接触压力由下式给出[7]:

其中三个积分分别对应两个粗糙表面的弹性接触压力、弹塑性接触压力和塑性接触压力;为表面微凸体高度的概率密度函数, 假定为高斯分布;为表面微凸体法向变形量;为弹性形变向弹塑性形变转化的临界值, 为弹塑性形变向完全塑性形变转化的临界值, 分别由下式确定:

分离高度d并不是一个常数, 由图1可得:

在最终形变位置, 本地分离高度可以由上式获得, 其中为变形后的接触曲面的曲率半径, 假定为在接触点邻近区域为定值。

将参考平面由表面微凸体平均高度线改为表面平均高度线, 针对两平面的参数存在如下关系[11]:

其中两参考平面之间的距离为。相对于表面微凸体平均高度线的粗糙表面高度分布的标准差和表面距离为和, 而相对于后者的标准差和表面高度为和。

1.2 无量纲化

利用表面高度标准差将长度单位无量纲化, 并将表面平均高度线作为参考平面, 等式 (5) 变为:

其中是的无量纲形式, 由下式给出:

同样的, 将等式 (1) 、 (2) 和 (3) 及相关量无量纲化得到:

1.3 接触线宽度计算

由于接触线宽度2C是有限的, 需要对接触压力做如下近似:

由下式确定:

将上式积分, 并无量纲化可得:

2 模拟参数与结果

经过上述论述, 如果给定无量纲的分离高度, 无量纲载荷即可计算。为使结果具有广泛的应用价值, 取如表1所示的材料参数进行计算。法兰材料一般与密封环硬度相同或者稍硬, 因此取如下参数:

模拟结果如图2所示。

3 结论

由曲线可知, 随载荷增加, 分离高度逐渐减小。在材料塑性指数ψ<3时, 随ψ的增大而减小。这是由于随塑性指数的增大, 材料更容易发生塑性变形。在接触载荷作用下, 表面微凸体发生塑性变形的比例增大。由于塑性变形下的刚度小于弹性变形, 因此分离高度变小。而当ψ>3时, 和材料的塑性指数无关。这是因为在大塑性指数条件下, 表面微凸体主要发生塑性变形所致。

摘要：本文对比选取弹塑性接触模型, 利用表面形貌的微观结构建立本地接触表达式, 通过在径向截面内对接触力简化、积分得到弯曲面与平面的接触压力表达式。选取有效的材料参数利用MATLAB软件计算出在不同的材料参数下接触间隙与工作压力的曲线关系, 并对结果进行了分析。

密封接触篇2

滤棒气力输送机是一种用于香烟过滤嘴棒自动输送的烟草工业专用设备。它利用带有沿圆周均匀分布的纵向容纳槽的发射轮，将上游存储库分配的过滤嘴棒逐支取出，并利用清洁压缩空气通过密封的金属输送管道，高速、自动、长距离地输送到下游过滤嘴接装设备上的滤棒接收装置。其核心部件发射轮与密封弧块之间的密封，是整个设备的关键技术之一。

一、结构及工作原理概述(见图1)：

如图1所示，逆时针旋转的发射轮正下方有与之配合的密封弧块，密封弧块可以上下运动，处于工作状态时上升至最上位置，其内弧面与发射轮外圆柱面配合，使容纳槽封闭形成密封腔。密封弧块底部有一个呈长腰圆形的配气口，发射轮上每一个容纳槽的端面都有一个压缩空气喷嘴，并且该喷嘴有一个较窄的配气槽与发射轮外圆柱面连通。过滤嘴棒堆积在发射轮的上半部分，在重力、摩擦力和容纳槽之间叶片的综合作用下，过滤嘴棒能够顺利的落入容纳槽中。发射轮左上方有一个同样逆时针旋转的剃料辊，并且其粗糙的圆柱表面线速度高于发射轮表面线速度V₀，其作用是保证每一个容纳槽中最多只能落入一支过滤嘴棒。发射轮后端面下方正中央，有一个近似方形的输出口与密封的金属管道相连接。当发射轮旋转至配气槽与密封弧块底部的配气口重叠时，压缩空气立即从喷嘴中喷出，容纳槽中的过滤嘴棒在压缩空气的推动下，通过方形输出口进入输送管道，直至到达下游的滤棒接收装置。

传统的滤棒气力输送机采用接触式密封方式，如图1中发射轮与密封弧块之间的配合间隙δ=0，由于运动的发射轮与静止的密封弧块之间存在干摩擦，也就必然存在零件的磨耗问题。为延长使用寿命，降低运行阻力，通常的做法是发射轮采用耐磨的淬硬钢制造，而密封弧块采用低摩擦系数的高分子材料，以牺牲密封弧块的方式换取发射轮的较长工作寿命。过滤嘴棒在压缩空气的推动下高速射出时，也会造成密封弧块表面的局部磨损形成沟槽。一般条件下，密封弧块使用半年或者更短的时间就需要更换，造成设备的使用和维护成本偏高。另外，即使采用低摩擦系数的高分子材料来制造密封弧块，作用在密封弧块上的夹紧力也不能过大，否则会增大摩擦阻力，加剧磨损，这就需要在夹紧力的大小上作出让步。由于设备运行时作用在密封弧块上的压缩空气压力存在脉动，实际情况是密封弧块也会跟随压缩空气的脉动而上下振动，这一振动有损设备运行的稳定性，阻碍设备工作效率的提高。本文所述的新型结构，将采用非接触密封方式来解决密封和零件磨耗等一系列问题。

二、非接触密封原理(见图1、图2)：

对于滤棒气力输送机来说，非接触密封就是要消除存在相对运动的发射轮与密封弧块之间因接触而产生的滑动摩擦，从而达到从根本上解决密封弧块磨损问题的目的。如图1中，当间隙δ＞0，压缩空气泄漏量q_r足够小且能够满足工程要求时，就可以视为非接触密封。将发射轮与密封弧块之间的厚度为δ的圆弧空间区域展开；即可将问题简化为图2所示的平面缝隙流动模型。图2中，Y轴上方的阴影区域表示以线速度V₀运动的发射轮外圆柱表面，压力P₁=P，P₂=0，压差P=P₁-P₂=P，V_y表示压缩空气泄漏时的流动方向。由于发射轮和密封弧块左右对称，压缩空气从中间向左右两侧泄漏的流动方向V_y正好相反。根据流体力学中平面缝隙流动的流量公式：q_rB(△P△δ³/12μ1±V₀/2)，(式中B为垂直于V_y方向的宽度，在此可等效于发射轮的长度，1为沿运动方向的长度，可等效于密封弧块的弧长，μ为空气运动粘度)当V₀与V_y同向时，公式中±取+，相反则取-，在此可以知道公式后半部分的值为0，即q_r=BPδ³/12μ1。受结构和工作条件的限制，设计中只能通过尽量减小8来达到减小q_r的目的。因为q_r与δ的3次方成正比，减小δ可以收到显著的效果。

三、非接触密封结构(见图3)：

设计中采用如图3所示结构来实现非接触密封。图中前支承轮、发射轮、后支承轮同轴布置，发射轮两端有伸出轴分别支承在前后支承轮内部的两个超精密双列圆柱滚子轴承上，实现发射轮径向定位。由于该双列圆柱滚子轴承外圈无挡边，轴承内圈和滚子组可以相对外圈作一定幅度的轴向位移。发射轮轴向定位由前支承轮一端的伸出轴上一个双列深沟球轴承提供(图3中省略此部分)，并能够调节发射轮后端面与后支承轮之间的功能间隙大小。发射轮运转的动力由后支承轮一端的伸出轴输入。前后两支承轮的外圆直径与密封弧块的内圆弧直径均为a，发射轮直径b略小于a，非接触密封的配合间隙δ=(a-b)/2。要保证可靠的密封，应尽可能减小配合间隙δ，否则会因为压缩空气泄漏量q_r过大而无法实现预期的非接触密封。在工程应用中，考虑到相关各零件的加工误差、装配误差、双列圆柱滚子轴承回转精度等因素的影响，应使δ取一个合理的数值。

四、轴承预紧(见图4)：

非接触密封要求配合间隙δ数值极小且能够维持恒定，这就要求发射轮有很高的几何精度和回转精度，因此结构中采用超精密双列圆柱滚子轴承作为其径向支承。这种轴承的滚子与内外滚道的接触为线接触且滚子数量较多，与点接触的球轴承相比，能够提供更高的径向刚度；而且轴承内孔带有1:12的锥度，可以通过推动轴承内圈相对锥形轴颈移动来消除径向游隙，并且在滚子与内外圈之间产生预紧，其作用是通过增加径向刚度来提高发射轮的回转精度。如图4所示，当轴承外圈滚道直径d₁小于滚子组外切圆直径d₂时，预紧便产生了。当密封弧块在气缸顶推作用下与前后支承轮紧密配合时，前后支承轮相对发射轮必然会产生微量的位移，这个位移必须小于δ，否则会破坏非接触密封，具体表现为发射轮与密封弧块接触，摩擦会造成驱动电机过载和零件损伤。但轴承预紧量也不能过大，否则会增大轴承旋转时的阻力和温升，影响轴承使用寿命。可以通过控制轴承内圈相对轴端的距离d₃来调节预紧量的大小。

五、密封弧块驱动(见图5)：

当滤棒气力输送机正常工作时，密封弧块在气缸的顶推作用下与前后支承轮紧密贴合，并通过内外圆弧的几何外形实现自动对中。机器工作时压缩空气作用在密封弧块中央区域，产生向下的推力，因此密封弧块必须有足够的锁紧力来保证可靠的密封。当机器停机或检修时，密封弧块需下落到最下方的极限位置。为实现密封弧块升降运动和可靠的锁紧，结构中采用了3个双作用气缸来实现密封块的驱动。如图5所示。

当机器处于待机状态时，各气缸的活塞杆都处于缩回状态，接到PLC发出的启动信号后，阀岛相应的阀片动作，中间与密封弧块连接的小直径气缸活塞杆首先伸出，而且空气压力和流量可调节，以控制密封弧块上升的力和速度，当密封弧块接触前后支承轮时，缸体外面的磁感应式接近开关检测到活塞上的磁环并发出信号给PLC，然后两个并联连接的大直径气缸同时动作，直至将密封弧块锁紧；下降动作过程则相反，两个大直径气缸先启动，当缸体外面的磁感应接近开关都检测到活塞杆缩回到位之后，小直径气缸才开始动作。这样的好处是，先用仅能克服密封弧块重力的较小的推力使密封弧块上升到位，既保证意外情况发生时操作人员的安全，又能最大限度的消除密封弧块与前后支承轮的碰撞。两个大直径气缸虽然气路并联，但由于活塞与缸体内壁的摩擦和粘滞作用，很难保证活塞杆伸缩完全同步，采用上述结构则很巧妙地回避了要求同步的问题。

六、应用效果：

密封接触篇3

浙江大唐乌沙山发电有限责任公司选用哈尔滨锅炉有限责任公司与三井巴布科克公司合作设计、制造的超临界本生直流锅炉, 型号为HG-1890/25.4-YM4, 空气预热器选用豪顿华三分仓回转式空气预热器, 型号为31 VNT 1800。修前试验中空预器漏风率在9~12%, 远远超出了设计值。空预器漏风率超标, 不仅增加了送风机、一次风机和引风机的出力, 更容易导致空预器烟气侧出口温度较低继而引起空预器冷端的低温腐蚀和堵灰问题。该问题对机组安全经济运行构成严重威胁, 决定在检修中进行柔性密封改造。

2漏风分析

空气预热器漏风主要分为两类:

2.1携带漏风。携带漏风是空预器在转动运行中将驻留在换热元件的空气携带到烟气侧, 同时将驻留在换热元件中的烟气携带入空气侧而导致的漏风。携带漏风量很少, 此类问题是回转式空预器结构所致, 因此无法避免。

2.2直接漏风。直接漏风在空预器漏风量中占了绝大部分。直接漏风是由于空预器转子需要旋转, 因此动静部件之间预留的间隙便形成了漏风的通道。在空预器所处的风烟系统中, 一次风、二次风侧为正压, 而烟气侧为负压, 风道之间的差压便是直接漏风的动力。[1]

冷态时, 空预器扇形板与密封片的间隙较小, 而运行中由于空预器中心筒受热向上膨胀, 转子外缘因为自重而下沉, 使整个转子发生蘑菇状变形, 导致扇形板与密封片的间隙由中心向外缘逐渐增大, 漏风量也随之增加。 (图1)

3柔性密封改造技术

3.1柔性密封基本原理。基本原理:将空预器的扇形板调整并固定在某一合理位置, 陶瓷柔性接触式密封系统安装在径向冷、热端转子格仓板上, 在未进入扇形板时, 陶瓷柔性接触式密封滑块高出扇形板0mm30mm。当陶瓷柔性接触式密封滑块运动到扇形板下面时, 合页式弹簧发生形变。密封滑块与扇形板接触, 形成严密无间隙的密封系统。当该密封滑块离开扇形板后, 合页式弹簧将密封滑块自动弹起, 以此循环进行。[2] (图2)

3.2柔性密封基本结构及其工艺特性。本次空预器柔性密封改造工程, 采用合页式弹簧技术, 即密封改造方式要求采用带有自润滑合金的密封滑块长期与扇型板接触的方式 (非刷式和弹性密封片密封) 。其基本结构如图3。

3.2.1、陶瓷柔性密封部件。精加工铸钢件喷涂金属陶瓷镀层形成密封滑块 (如图所示) 。在密封滑块与扇形板接触部位采用摩擦电喷镀纳米合金陶瓷镀层, 接触面镜面处理光泽可见, 从而保证主密封件在高温无润滑脂的条件下摩擦系数μ<0.05, 由此增加的摩擦力对主轴电机驱动电流影响甚小, 转子跳动量只有0~35mm。由于镀层的存在, 保证表面硬度低于扇形板, 在保证耐磨的同时可以有效的保护扇形板。

3.2.2合页式弹簧技术。陶瓷柔性接触式密封技术的另一核心技术是退让弹簧 (如图所示) , 该弹簧为镍基合金材料, 是合金材料中早期发展的应用广泛的合金之一。此种材料具有良好的强度、良好的抗腐蚀和抗氧化性能, 而且也有较好的低温性能, 成形性能也好, 能适应各种焊接工艺。这种技术可以在运行中自动补偿转子在热态运行状态下一定的圆端面变形及圆周方向的变形, 适合空预器改造。

3.2.3检修工艺优化。本次改造把每台空预器径向冷热端每隔一道隔仓板加装一道陶瓷柔性接触式密封片, 即径向冷热端各加装24道陶瓷柔性接触式密封片。同时更换所有原硬密封片;轴向密封片全部更换为弹片密封片;旁路密封片全部更换为新密封片。在不影响密封效果的前提下节省了改造成本、缩短了工期。

3.3陶瓷柔性接触式密封技术优势。空预器漏风治理一直以来是各电厂节能减排的重要项目, 传统的空预器硬性密封虽然也能在一定程度上控制漏风率, 但效果并不明显, 硬性密封主要是在机组100%负荷时对其密封片进行调整, 一旦负荷下降, 则无法控制其漏风, 当硬密封磨损或发生锈蚀后, 经济性将会进一步降低;而陶瓷柔性接触式密封是无间隙密封, 负荷的变化对其影响并不是很大, 所以经济性优于传统的硬性密封。

4改造效果及收益

4.1改造效果。在检修过后由电科院进行了#4锅炉空预器漏风试验。2015年02月10日10:30~13:10对浙江大唐乌沙山发电有限责任公司#4锅炉空气预热器进行了漏风测试, 具体测试的结果见表1。

从#4锅炉空气预热器大修前后测试结果对比来看, 可得出如下结论:

#4锅炉4A和4B空预器经大修改造后的漏风率分别为4.42%和4.51% (修前漏风率分别为12.50%和9.42%) , 空预器漏风情况较大修前已有较为显著的改善, 取得了较好的节能改造效果。

4.2效益计算:a.按改造前空气预热器的漏风率10%计算, 按改造后空气预热器的漏风率5%计算, 则影响供电煤耗1g/kwh。b.机组年利用小时:5000小时。c.标准煤单价:680元/吨;M=5000小时×1克/千瓦时×600×103千瓦×680×10-6元/克=204万元

投资回收期分析:按本次密封改造所投资额411万元估算

T=Q/R*12=411/204*12=24.2 (月) 其中:T-投资回收期 (静态) ;Q-改造所投资费用;R-年收益。从计算的数据来分析, 密封改造后运行25个月即可收回成本, 再加上风机节省的电量费用等收益情况将更加可观。

结束语

通过这次柔性密封改造, 将#4炉空预器的漏风率控制在理想状态, 提高了机组的安全经济性, 说明柔性密封改造是降低空预器漏风的一条有效途径。

摘要：本文简述柔性密封原理及结构, 并结合改造前后空预器漏风情况及获得的收益, 肯定了柔性密封改造技术的成功应用, 为同类设备节能改造提供借鉴。

关键词：锅炉,空气预热器,漏风率,柔性密封技术

参考文献