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机械端面密封机理分析 |
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| 机械端面密封机理分析 |
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作者：佚名 文章来源：网上收集 点击数： 更新时间：2007-7-16 15:49:28  |
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机械端面密封是一种轴向端面密封，简称机械密封，又称端面密封，是常用的旋转轴密封。与其它形式的密封（如压盖软填料密封）相比，具有泄漏量低、摩擦磨损小、使用寿命长、工作可靠、不需日常维护等一系列优点。因此在现代工业生产中得到了广泛的应用，特别是机泵设备中应用更加普遍，重要场合85%以上机泵使用了机械端面密封。此外，机械端面密封在许多高压、高温、高速、易燃、易爆和腐蚀性介质等工况下也取得了较好的使用效果。
机械密封机理的研究主要集中在密封中流体动压效应的研究。无论是接触式机械密封还是非接触式机械密封，都希望通过流体动压效应来提高密封的承载能力，从而减小摩擦、磨损和漏损，提高密封的可靠性以延长密封的寿命。决定机械密封中的流体动压效应的理论基础是英国著名的科学家雷诺(Reynolds)1886年提出的润滑理论的基本方程——雷诺方程。对机械密封的流体动压效应的研究从本世纪６０年代初开始，至今已取得了不少的研究成果，但仍然存在一些尚未解决的问题，研究工作主要集中在以下3个方面。
1 平面端面密封中的流体动压效应研究
标准的平衡型和非平衡型机械密封通常是在边界润滑条件下工作，其摩擦系数一般为ｆ=0.07± 0.03。在该工况下，虽然在密封缝隙中存在液体层，但是液层可能局部中断，而且几乎没有压力，因而也就没有显著的粘性效果。由于高的端面摩擦生热，即使是具有最好的热传导和冷却特性的端面配对材料，其压力－速度极限即PV值极限也很低。为了提高密封的PV值极限，拓宽平面端面密封的使用范围，必须借助于密封端面液膜的流体动压效应。Denny(1961)通过试验首次观察到两密封端面是被一层薄的液膜所隔离。自此以后，为了更好地理解机械端面密封的工作机理，许多研究者做了大量的工作，这些工作大部分是涉及流体膜压的产生机理。密封端面上的流体膜压主要取决于端面间隙的形状和尺寸，即流体膜的几何形状和厚度。
平面端面密封虽然存在一层薄的流体膜，能够承担一部分载荷，但在一般情况下，这层薄的流体膜是不完整的，存在部分微凸体的直接接触。在高压、高速和低粘工况下，微凸体的直接接触将是主要的承载部分，此时密封中产生的摩擦和磨损很大，可能导致密封端面温度急剧上升，液膜气化，以至密封失效。为了克服接触式机械密封存在的问题，提出了非接触式机械密封——流体动压和流体静压机械密封。
2 流体动压机械密封中的流体动压效应研究
流体动压机械密封属非接触式密封，密封面被一层完整的膜厚为几个微米的流体膜所隔开，摩擦状态是纯粹的流体润滑工况。这些密封用在高压差、高速和润滑性差的介质密封(气体、沸腾液体、低温液体等)条件下工作。
在流体动压密封中，为了使端面摩擦副楔开，利用了密封面的动能。在静止时密封面接触，消除泄漏。当密封高速旋转时，由薄层流体膜将密封面分开，出现有限的泄漏，甚至无泄漏。为了保持密封面的非接触工况，密封面间隙内液体介质或气体介质流体膜层要承受挤压载荷，即流体膜应具有流体力学刚度。
在流体动压密封中摩擦副表面的分离和承受挤压载荷，是靠液体在摩擦力作用下从间隙收敛部分被压出并产生作用力来实现的。朝着滑动速度方向间隙收敛段落也可通过密封面开槽、开口或台阶来产生。使用最广泛的结构是雷列台阶式、斜面式和螺旋槽面式密封。
螺旋槽面密封用于密封液体，可作上游泵送密封。在上游泵送密封中，密封相当于一小流量高压泵，它将少量的封液从低压侧沿着螺旋槽泵送到高压侧的密封室内。Salant等提出了考虑螺旋槽面上游泵送密封中的空化效应的解析模型。Salant等在文献中研究了流槽(浅槽)贯穿整个密封面的情形，并研究了流槽形状(斜线槽和螺旋槽)对泄漏量的影响。
综上所述，流体动压密封是利用密封端面的宏观几何形状模型来产生流体动压效应的机械密封，其理论基础仍然是雷诺方程。这些宏观几何形状模型包括倾斜块(周向斜面、周向台阶、周向斜平面)和各种流槽(周向槽、直弦槽、三角槽、半圆形槽、矩形槽、弧形槽、叶形槽、螺旋槽、人字形槽)。
3 热流体动压机械密封中的流体动压效应研究
标准的平衡和非平衡型机械密封通常是在边界润滑条件下工作。由于端面摩擦生热，即使是具有最好的热传导系数和冷却特性的端面配对材料，其PV值极限也很低。为了提高密封的PV值极限，拓宽平面端面密封的使用范围，适应现代工业向高参数发展的需要，机械密封必须设计在低摩擦系数下工作。密封端面间的一层完整的薄膜，将改善密封的润滑工况，有助于降低密封端面摩擦系数。这方面，热流体动压机械密封证明是非常成功的。
热流体动压机械密封静止时，摩擦副表面是平行平面。在运转时，由于摩擦生热的缘故，密封环被加热而且受热是不均匀的。受热最厉害的区域是密封环由工作介质冷却的槽间或镗孔间的中间段落。由于受热冷却的不均匀，密封面的平面度遭到破坏并形成收敛型间隙区域。热流体动压机械密封根据它的过程的复杂性和间隙与泄漏量的大小，居于接触式机械密封和非接触式机械密封之间。
W.E.Key和R.F.Salant等提出了热流体动压垫深槽机械密封的理论分析模型。模型中分析的是将流槽——矩形槽设置在软面石墨环上的情形，考虑了由力变形和热变形在动、静环密封面形成的径向锥度产生的流体静压效应和由开槽环表面力变形形成的周向波度产生的流体动压效应。这是一种压力楔模型。
国内在热流体动压机械密封的试验研究方面作了一些工作，但理论上没有取得进展.
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