機(jī)械端面密封的動(dòng)壓效應(yīng)

機(jī)械端面密封的動(dòng)壓效應(yīng)

隨著工程機(jī)械大型化、自動(dòng)化、智能化、集成化程度的提高，許多機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副處于高溫、高壓、高速工作狀態(tài)，它們之間的工作狀態(tài)直接影響了其承擔(dān)的機(jī)械功能完成的好壞，因此開(kāi)展旋轉(zhuǎn)軸的密封研究就顯得十分重要，本文將對(duì)機(jī)械密封機(jī)理研究的現(xiàn)狀進(jìn)行分析與探討。

機(jī)械端面密封是一種軸向端面密封，簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)械密封，又稱(chēng)端面密封，是常用的旋轉(zhuǎn)軸密封。與其它形式的密封（如壓蓋軟填料密封）相比，具有泄漏量低、摩擦磨損小、使用壽命長(zhǎng)、工作可靠、不需日常維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是機(jī)泵設(shè)備中應(yīng)用更加普遍，重要場(chǎng)合85%以上機(jī)泵使用了機(jī)械端面密封。此外，機(jī)械端面密封在許多高壓、高溫、高速、易燃、易爆和腐蝕性介質(zhì)等工況下也取得了較好的使用效果。

機(jī)械密封機(jī)理的研究主要集中在密封中流體動(dòng)壓效應(yīng)的研究。無(wú)論是接觸式機(jī)械密封還是非接觸式機(jī)械密封，都希望通過(guò)流體動(dòng)壓效應(yīng)來(lái)提高密封的承載能力，從而減小摩擦、磨損和漏損，提高密封的可靠性以延長(zhǎng)密封的壽命。決定機(jī)械密封中的流體動(dòng)壓效應(yīng)的理論基礎(chǔ)是英國(guó)著名的科學(xué)家雷諾(Reynolds)1886年提出的潤(rùn)滑理論的基本方程——雷諾方程。對(duì)機(jī)械密封的流體動(dòng)壓效應(yīng)的研究從本世紀(jì)６０年代初開(kāi)始，至今已取得了不少的研究成果，但仍然存在一些尚未解決的問(wèn)題，研究工作主要集中在以下3個(gè)方面。

1 平面端面密封中的流體動(dòng)壓效應(yīng)研究

標(biāo)準(zhǔn)的平衡型和非平衡型機(jī)械密封通常是在邊界潤(rùn)滑條件下工作，其摩擦系數(shù)一般為ｆ=0.07± 0.03。在該工況下，雖然在密封縫隙中存在液體層，但是液層可能局部中斷，而且?guī)缀鯖](méi)有壓力，因而也就沒(méi)有顯著的粘性效果。由于高的端面摩擦生熱，即使是具有最好的熱傳導(dǎo)和冷卻特性的端面配對(duì)材料，其壓力－速度極限即PV值極限也很低。為了提高密封的PV值極限，拓寬平面端面密封的使用范圍，必須借助于密封端面液膜的流體動(dòng)壓效應(yīng)。Denny(1961)通過(guò)試驗(yàn)首次觀察到兩密封端面是被一層薄的液膜所隔離。自此以后，為了更好地理解機(jī)械端面密封的工作機(jī)理，許多研究者做了大量的工作，這些工作大部分是涉及流體膜壓的產(chǎn)生機(jī)理。密封端面上的流體膜壓主要取決于端面間隙的形狀和尺寸，即流體膜的幾何形狀和厚度。文獻(xiàn)?１、３?詳細(xì)地回顧了曾經(jīng)提出的各種壓力產(chǎn)生機(jī)理。這些機(jī)理包括：偏心和偏斜、表面波度、表面粗糙度、相變、熱彈效應(yīng)和振動(dòng)。研究成果表明，平面端面密封主要是在混合摩擦狀態(tài)下工作，流體膜承擔(dān)很大一部分載荷，其余載荷由端面微凸體接觸來(lái)承擔(dān)。

根據(jù)經(jīng)典的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，平行平面滑動(dòng)中液膜不具有承載能力。然而Lebeck(1978)通過(guò)整理和分析滑動(dòng)軸承和機(jī)械端面密封中有關(guān)平行平面滑動(dòng)眾多研究者的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出在平行平面滑動(dòng)中流體膜也具有一定的流體動(dòng)壓效應(yīng)，能夠產(chǎn)生有用的承載能力。在對(duì)各種可能的承載機(jī)理(熱楔、熱密度、熱粘度、微凸體潤(rùn)滑、微凸體碰撞、擠壓效應(yīng))進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和比較后指出，這些機(jī)理在特定的密封設(shè)計(jì)中可能起到一定的作用，但是一般情況下不可能產(chǎn)生明顯的承載能力，然而表面的整體傾斜、錐度和波度能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的流體動(dòng)壓承載能力，理論和試驗(yàn)研究都表明表面宏觀波度是最可能的流體動(dòng)壓承載機(jī)理。表面波度分兩類(lèi)：一類(lèi)是加工過(guò)程中形成的表面微觀波度；另一類(lèi)是由磨損、彈性變形和熱變形共同作用產(chǎn)生的表面宏觀波度，表面波度的流體動(dòng)壓效應(yīng)逐步引起了各國(guó)學(xué)者的普遍重視，相繼提出了機(jī)械端面密封的各種波度模型。

平面端面密封雖然存在一層薄的流體膜，能夠承擔(dān)一部分載荷，但在一般情況下，這層薄的流體膜是不完整的，存在部分微凸體的直接接觸。在高壓、高速和低粘工況下，微凸體的直接接觸將是主要的承載部分，此時(shí)密封中產(chǎn)生的摩擦和磨損很大，可能導(dǎo)致密封端面溫度急劇上升，液膜氣化，以至密封失效。為了克服接觸式機(jī)械密封存在的問(wèn)題，提出了非接觸式機(jī)械密封——流體動(dòng)壓和流體靜壓機(jī)械密封。

2 流體動(dòng)壓機(jī)械密封中的流體動(dòng)壓效應(yīng)研究

流體動(dòng)壓機(jī)械密封屬非接觸式密封，密封面被一層完整的膜厚為幾個(gè)微米的流體膜所隔開(kāi)，摩擦狀態(tài)是純粹的流體潤(rùn)滑工況。這些密封用在高壓差、高速和潤(rùn)滑性差的介質(zhì)密封(氣體、沸騰液體、低溫液體等)條件下工作。

在流體動(dòng)壓密封中，為了使端面摩擦副楔開(kāi)，利用了密封面的動(dòng)能。在靜止時(shí)密封面接觸，消除泄漏。當(dāng)密封高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由薄層流體膜將密封面分開(kāi)，出現(xiàn)有限的泄漏，甚至無(wú)泄漏。為了保持密封面的非接觸工況，密封面間隙內(nèi)液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)流體膜層要承受擠壓載荷，即流體膜應(yīng)具有流體力學(xué)剛度。

在流體動(dòng)壓密封中摩擦副表面的分離和承受擠壓載荷，是靠液體在摩擦力作用下從間隙收斂部分被壓出并產(chǎn)生作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。朝著滑動(dòng)速度方向間隙收斂段落也可通過(guò)密封面開(kāi)槽、開(kāi)口或臺(tái)階來(lái)產(chǎn)生。使用最廣泛的結(jié)構(gòu)是雷列臺(tái)階式、斜面式和螺旋槽面式密封。

螺旋槽面密封用于密封液體，可作上游泵送密封。在上游泵送密封中，密封相當(dāng)于一小流量高壓泵，它將少量的封液從低壓側(cè)沿著螺旋槽泵送到高壓側(cè)的密封室內(nèi)。Salant等提出了考慮螺旋槽面上游泵送密封中的空化效應(yīng)的解析模型。Salant等在文獻(xiàn)中研究了流槽(淺槽)貫穿整個(gè)密封面的情形，并研究了流槽形狀(斜線槽和螺旋槽)對(duì)泄漏量的影響。

許多文獻(xiàn)介紹了雷列臺(tái)階式、斜平面式、圓葉形和直葉形非接觸式上游泵送密封和相應(yīng)的算法。

綜上所述，流體動(dòng)壓密封是利用密封端面的宏觀幾何形狀模型來(lái)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)的機(jī)械密封，其理論基礎(chǔ)仍然是雷諾方程。這些宏觀幾何形狀模型包括傾斜塊(周向斜面、周向臺(tái)階、周向斜平面)和各種流槽(周向槽、直弦槽、三角槽、半圓形槽、矩形槽、弧形槽、葉形槽、螺旋槽、人字形槽)。

3 熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封中的流體動(dòng)壓效應(yīng)研究

標(biāo)準(zhǔn)的平衡和非平衡型機(jī)械密封通常是在邊界潤(rùn)滑條件下工作。由于端面摩擦生熱，即使是具有最好的熱傳導(dǎo)系數(shù)和冷卻特性的端面配對(duì)材料，其PV值極限也很低。為了提高密封的PV值極限，拓寬平面端面密封的使用范圍，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)向高參數(shù)發(fā)展的需要，機(jī)械密封必須設(shè)計(jì)在低摩擦系數(shù)下工作。密封端面間的一層完整的薄膜，將改善密封的潤(rùn)滑工況，有助于降低密封端面摩擦系數(shù)。這方面，熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封證明是非常成功的。

由于壓力變形產(chǎn)生的非平行面楔效應(yīng)叫壓力楔效應(yīng)，由于溫差局部熱變形產(chǎn)生的楔效應(yīng)叫熱楔效應(yīng)，由壓力變形和局部熱變形產(chǎn)生的楔效應(yīng)叫熱流體動(dòng)力楔效應(yīng)。熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封就是利用熱流體動(dòng)力楔效應(yīng)產(chǎn)生流體動(dòng)壓作用力的機(jī)械密封，它是一種新型的機(jī)械密封。
熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)和普通的機(jī)械密封沒(méi)有多大差別，只是在密封的動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面上開(kāi)設(shè)了各種形狀的流槽，這些流槽的深度為毫米量級(jí)，屬深槽密封。

熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封靜止時(shí)，摩擦副表面是平行平面。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于摩擦生熱的緣故，密封環(huán)被加熱而且受熱是不均勻的。受熱最厲害的區(qū)域是密封環(huán)由工作介質(zhì)冷卻的槽間或鏜孔間的中間段落。由于受熱冷卻的不均勻，密封面的平面度遭到破壞并形成收斂型間隙區(qū)域。熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封根據(jù)它的過(guò)程的復(fù)雜性和間隙與泄漏量的大小，居于接觸式機(jī)械密封和非接觸式機(jī)械密封之間。

E.Mayer在非平衡型機(jī)械密封上靠測(cè)壓孔測(cè)量密封縫隙中的壓力時(shí)，第一個(gè)發(fā)現(xiàn)并提出熱流體動(dòng)力效應(yīng)。在他的博士論文中對(duì)徑向矩形槽密封進(jìn)行了試驗(yàn)研究。1969年E.Mayer發(fā)表了圓弧形循環(huán)槽熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封的試驗(yàn)研究結(jié)果。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究表明，圓弧形循環(huán)槽熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封可以大大提高密封的PV值極限，得出這類(lèi)密封優(yōu)于普通機(jī)械密封之處在于：隨著PV值的增加，摩擦系數(shù)反而降低。E.Mayer對(duì)熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封的作用機(jī)理作過(guò)一些定性的描述，認(rèn)為圓弧形循環(huán)槽熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封實(shí)際就是Mitchell或Kingsbury止推軸承與機(jī)械密封的聯(lián)合。在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于槽的邊緣受到的冷卻比遠(yuǎn)離槽部分強(qiáng)烈得多，這樣就形成了熱流體動(dòng)力楔。E.Mayer的工作主要是在試驗(yàn)研究方面，產(chǎn)生了不少有用的專(zhuān)利，但沒(méi)有提出合理的理論分析模型和方法。

Golubiev(1967)首次提出了熱流體動(dòng)壓密封的完整的理論分析模型和方法。在模型中，假定密封由金屬環(huán)和碳石墨環(huán)組成，金屬環(huán)密封面具有幾個(gè)微米深的刮痕網(wǎng)絡(luò)，兩刮痕間的距離為零點(diǎn)幾毫米，碳石墨假定為絕對(duì)光滑的，兩密封面被一層只有零點(diǎn)幾微米的薄層完全隔開(kāi)。在壓差的作用下，液體首先進(jìn)入刮痕內(nèi)，進(jìn)入刮痕的液體被高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)表面強(qiáng)行帶入間隙中，由于摩擦，間隙內(nèi)的液體被加熱，同時(shí)也加熱了金屬表面，使之受熱膨脹，流體和金屬環(huán)表面的溫度沿著運(yùn)動(dòng)方向逐漸升高，使金屬膨脹不均勻。由于受熱不均勻，在刮痕間的金屬表面具有傾斜度，間隙變成收斂間隙。此時(shí)在金屬表面有流體動(dòng)壓作用力產(chǎn)生。

由于兩刮痕區(qū)間的間隙與徑向長(zhǎng)度相比非常小，可將此問(wèn)題視作平面問(wèn)題來(lái)簡(jiǎn)化處理。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)和熱彈性力學(xué)理論，提出了解決此問(wèn)題的聯(lián)立方程組，這些方程包括間隙內(nèi)液體膜層的運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程、間隙內(nèi)液體的能量方程、液體粘溫關(guān)系、金屬環(huán)的熱傳導(dǎo)以及間隙的變化方程。Golubiev的理論模型揭示了局部熱變形產(chǎn)生熱楔效應(yīng)這一實(shí)質(zhì)。遺憾的是Golubiev的理論未被試驗(yàn)所證實(shí)。

事實(shí)上，Golubiev的理論模型存在不合理的地方：密封面間隙為零點(diǎn)幾個(gè)微米，這基本上與實(shí)際密封表面的粗糙度屬同一量級(jí)，此時(shí)應(yīng)考慮表面粗糙度的影響，徑向壓差的影響被忽略了；金屬環(huán)面刮痕的深度為幾個(gè)微米，這實(shí)際上是屬淺槽范疇，對(duì)淺槽情形，提出的刮痕內(nèi)壓力和溫度的邊界條件一般不滿足。

有趣的是，W.E.Key和R.F.Salant等提出了熱流體動(dòng)壓墊深槽機(jī)械密封的理論分析模型。模型中分析的是將流槽——矩形槽設(shè)置在軟面石墨環(huán)上的情形，考慮了由力變形和熱變形在動(dòng)、靜環(huán)密封面形成的徑向錐度產(chǎn)生的流體靜壓效應(yīng)和由開(kāi)槽環(huán)表面力變形形成的周向波度產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)。這是一種壓力楔模型。

國(guó)內(nèi)在熱流體動(dòng)壓機(jī)械密封的試驗(yàn)研究方面作了一些工作，但理論上沒(méi)有取得進(jìn)展。