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機(jī)械密封的發(fā)展歷程與研究動(dòng)向

作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備中不可缺少的密封裝置, 機(jī)械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用壽命長(zhǎng)、功率消耗少等特點(diǎn), 在泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、攪拌器、轉(zhuǎn)盤塔、離心機(jī)和過濾機(jī)等工藝設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì), 為阻止動(dòng)力輸入軸與殼體間介質(zhì)的泄漏, 國(guó)外化工流程中95 %左右的旋轉(zhuǎn)設(shè)備采用了機(jī)械密封。隨著工業(yè)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的需要, 人們對(duì)機(jī)械密封性能又提出了更高的要求。長(zhǎng)壽命、低泄漏率、高參數(shù)的機(jī)械密封產(chǎn)品需要新理論、新技術(shù)的支持。了解機(jī)械密封的發(fā)展背景, 對(duì)于創(chuàng)造新型機(jī)械密封技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義, 了解機(jī)械密封研究動(dòng)向, 為工程技術(shù)人員投身研究指明了方向。

1機(jī)械密封的概述

機(jī)械密封自本世紀(jì)初問世至今,已在各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。通常,機(jī)械密封可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式機(jī)械密封是在密封面間沒有建立潤(rùn)滑手段的密封,它們是依靠密封面間的微凸體接觸緊密地密封住 ,因而有時(shí)可以認(rèn)為是“平面”密封或“平行面”密封。普通機(jī)械密封大多數(shù)屬于這種型式密封 ,廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中,該種密封在運(yùn)轉(zhuǎn)中常常表現(xiàn)為混合摩擦狀態(tài),個(gè)別表現(xiàn)為邊界摩擦狀態(tài)非接觸式機(jī)械密封也就是全流體潤(rùn)滑密封。這種型式密封的端面間被潤(rùn)滑劑 液體或氣體完全分隔開來,并且流體潤(rùn)滑膜是連續(xù)的

2機(jī)械密封機(jī)理研究進(jìn)展

對(duì)于機(jī)械密封而言, 形成密封作用的假說基本上分成兩類, 即表面張力假說和粘滯力假說。

最早提出表面張力假說的是A Brkich。該假說認(rèn)為端面間穩(wěn)定而可靠的密封主要是表面張力作用的結(jié)果, 密封端面實(shí)際上并不是理想的光滑平面, 少量突起部分存在著直接接觸。G E Rajakovics采用試驗(yàn)論述了表面張力是密封重要因素這一觀點(diǎn)。同時(shí)對(duì)粘滯假說提出了異議: ①粘滯力 (主要是指液體和固體表面的附著力) 要在間隙為10 - 9m或更小時(shí)才起作用,在微米級(jí)的密封間隙中不起作用; ②粘滯是一種動(dòng)力學(xué)的特征, 而在密封處于零泄漏時(shí), 徑向是沒有動(dòng)力學(xué)過程的。國(guó)內(nèi)李克永等也著文贊同表面張力假說。

P Basu , E Schwaiger 和 U W Sen fert 等人認(rèn)為密封面間的液膜起一個(gè)軟密封墊那樣的作用, 液體分子間的分子力隨粘度增加而上升, 且隨密封間隙的增大而下降。J Digard及M G enhle 等在低壓機(jī)械密封潤(rùn)滑狀況的試驗(yàn)研究中, 觀察到液膜內(nèi)存在著張力區(qū)。通過密封運(yùn)轉(zhuǎn)期間壓力傳感器測(cè)出了相變區(qū)的壓力及液膜破壞前在相變區(qū)受到張力的作用�；诙嗣鎯�(nèi)有空化、汽化現(xiàn)象的事實(shí), J Digard 及 M G enhle 認(rèn)為多級(jí)氣隙形成多次表面張力作用是提高總的密封能力的主要原因。

然而, 以E F Boon為代表的粘滯假說, 認(rèn)為某些液體分子由于粘性被粘貼在密封面上, 這種因壓差在密封間隙中產(chǎn)生粘滯力能阻止介質(zhì)的泄漏。

在國(guó)內(nèi)鄭海泉、陳汝灼從反面論證了表面張力假說的局限性: ①按表面張力計(jì)算出的最大密封能力其數(shù)值太小, 以表面張力較大的水來說, 在密封間隙為1μm的正常情況下, 最大的密封能力不足 0115MPa。若要考慮各種因素的影響, 修正后數(shù)值更小�？栈F(xiàn)象的成因、性質(zhì)、形態(tài)、分布等尚不清楚, 且密封處于靜止時(shí)并不產(chǎn)生空化現(xiàn)象, 因此解釋不了靜止時(shí)仍有很高密封能力這一事實(shí); ②表面張力假說必須以不漏為前提, 一旦泄漏就幾乎完全喪失密封能力。因?yàn)樾孤┎坏節(jié)駶?rùn)角降低, 特別是彎月面的形狀和對(duì)應(yīng)的液膜厚度都要朝降低密封能力的方向變化, 故密封能力會(huì)顯著降低。這不但不能解釋一般密封或多或少有點(diǎn)泄漏的實(shí)際情況, 對(duì)密封面內(nèi)外都有液體的多端面密封的密封能力更無法解釋。

E Mayer 通過大量試驗(yàn), 分析了粘度在機(jī)械密封機(jī)理中的地位�；谡硿僬f, 人們對(duì)機(jī)械密封端面間的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行了研究與探討。Mayer 認(rèn)為普通機(jī)械密封的摩擦副之間, 液膜之薄, 牛頓型流體方程缺乏有效的應(yīng)用條件。在普通機(jī)械密封上, 摩擦副端面間總是存在著接觸, 形成許多彼此間很少連通的空隙, 當(dāng)兩環(huán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 液體從一個(gè)空隙轉(zhuǎn)移到另一個(gè)空隙中去, 一直到液體質(zhì)點(diǎn)達(dá)到縫隙的終端為止,密封端面處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。戈盧別夫、Sum2mers - Smith和國(guó)內(nèi)顧永泉、王汝美等認(rèn)為實(shí)際運(yùn)行的普通機(jī)械密封一般處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)。流體靜壓效應(yīng)和流體動(dòng)壓效應(yīng)在形成液膜過程中起著不同的作用。然而, A O Lebeak 在“端面密封的波度預(yù)計(jì)、測(cè)量、起因和影響”一文中, 指出水介質(zhì)中工作的普通端面密封并未產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng), 這不能不使人們對(duì)此前在機(jī)械密封領(lǐng)域占有重要位置的混合潤(rùn)滑理論重新認(rèn)識(shí)。

可見機(jī)械密封機(jī)理至今仍然沒有一個(gè)完整的密封理論為人們所認(rèn)同。盡管如此, 人們?nèi)宰巫尾痪氲刈穼? 因?yàn)槊恳徊教剿饕约坝纱硕岢龅募僭O(shè)或獲得的結(jié)論, 對(duì)機(jī)械密封的設(shè)計(jì)制造以及應(yīng)用都起著重要的指導(dǎo)作用。

3機(jī)械密封端面摩擦機(jī)制與摩擦狀態(tài)

機(jī)械密封是機(jī)械設(shè)備防止泄漏、節(jié)約能源、控制環(huán)境污染的重要功能基礎(chǔ)件, 在石油、化工、輕工、冶金、機(jī)械、航空和原子能等工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。據(jù)我國(guó)石化行業(yè)統(tǒng)計(jì), 80%～90%的離心泵采用機(jī)械密封。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家旋轉(zhuǎn)機(jī)械的密封裝置中, 機(jī)械密封的用量占全部密封使用量的 90%以上。機(jī)械密封是靠動(dòng)、靜環(huán)的接觸端面在密封流體壓力和彈性元件的壓緊力作用下緊密貼合, 并相對(duì)滑動(dòng)達(dá)到密封的。工作時(shí), 機(jī)械密封端面上同時(shí)發(fā)生摩擦、潤(rùn)滑與磨損等現(xiàn)象, 其中摩擦是基本的, 潤(rùn)滑是為了改善摩擦工況, 磨損是摩擦的結(jié)果。

4可控機(jī)械密封的設(shè)計(jì)

不同普通機(jī)械密封,可控機(jī)械密封是一種主動(dòng)裝置 ,它可以以一種預(yù)程序化受控方式對(duì)密封的工作條件或和環(huán)境條件的變化作出積極快速反應(yīng)。這種密封具有可調(diào)節(jié)的可變膜厚 ,在工作期間,如果膜厚值太大或太小,通過調(diào)節(jié)可將膜厚調(diào)至最佳值。膜厚的調(diào)節(jié),可以通過控制沖洗液量或溫度間接地獲得 ,也可 以通過

控制端面開啟力或閉合力直接地獲得。調(diào)節(jié)方式有手工調(diào)節(jié),但更有效而可靠的方法是使用 自動(dòng)控制系統(tǒng),即利用微機(jī)的控制系統(tǒng)和傳感器不斷地自動(dòng)調(diào)節(jié)膜厚使之設(shè)置在最佳膜厚或最佳膜溫。

普通機(jī)械密封往往只能在設(shè)計(jì)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行,一旦工作條件或 和環(huán)境條件發(fā)生變化 ,則可能產(chǎn)生的高值端面載荷將導(dǎo)致高磨損,縮短密封壽命甚至完全失效 或者是端面膜厚過大,產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏而導(dǎo)致密封的失效。這類失效造成的停產(chǎn)、環(huán)境污染等方面的損失 ,往往是密封本身價(jià)格的數(shù)倍甚至幾十倍,上百倍。特別是對(duì)一些工況十分苛刻和關(guān)鍵的設(shè)備 如輸送劇毒、易燃和易爆介質(zhì)泵及核電站主冷泵等 來講 ,失效造成的損失將是無法估量的。所以在這類應(yīng)用場(chǎng)合,采用較復(fù)雜和較 昂貴的主動(dòng)控制的密封 ,既可大大提高密封的工作壽命,又可提高整套裝置的可靠性及允許更寬范圍的工作條件 ,同時(shí)還可避免 由于制造及安裝產(chǎn)生的問題。

可控機(jī)械密封控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)為端面溫升。但當(dāng)密封箱內(nèi)介質(zhì)溫度基本恒定時(shí),反饋信號(hào)就僅指端面溫度。端面溫升同潤(rùn)滑膜厚關(guān)系重大,易于測(cè)量,而且精度較高。到目前為止,還不曾見有對(duì)機(jī)械密封實(shí)際運(yùn)行時(shí)的端面扭矩或功耗的成熟測(cè)量方法,為此 ,將端面扭矩作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)的方法值得進(jìn)一步探討。

為完善可控機(jī)械密封 ,應(yīng)使規(guī)則系統(tǒng)更為完善,并應(yīng)用微 電子學(xué),采取在線控制 ,使得控制系統(tǒng)尺寸小且費(fèi)用低。隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和要求的提高,將來的密封面臨的可能是更高速度和壓力以及更嚴(yán)格的排放物標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足這些要求,就應(yīng)研究設(shè)計(jì)并制造出能投入工業(yè)應(yīng)用的、最大程度地限制泄漏的裝置,即帶有反饋信號(hào)系統(tǒng)的能有效受控的機(jī)械密封。

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