接触式机械密封基本性能研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京林业大学 作者:於秋萍

  研究接触式机械密封的包括端面摩擦特性和密封特性(泄漏指标) 的接触式机械密封基本性能,有利于延长机械密封的使用寿命,减少因泄漏带来的损失。通过对前人在机械密封端面摩擦特性及泄漏特性方面的研究成果包括摩擦特性参数、表面形貌的影响及其表征、端面材料配对、泄漏通道模型及界面流体流动特性的综述,分析了现有研究存在的不足,指出了机械密封基本性能研究的后续方向:全面考察机械密封的摩擦及泄漏特性,优化密封界面泄漏通道模型,建立密封界面流体流动模型。

  1、前言

  由于密封表面结构简单、制造方便,维护成本低,密封性和可靠性良好,接触式机械密封被广泛应用于电力、船舶、航空航天、石油化工等过程工业领域的设备中。经过100 多年的发展,其应用领域不断扩大,在工业中也越来越重要。在能源与资源尤为紧缺的今天,接触式机械密封工作在50℃下寿命长达5 年、用于水泵寿命长达40年。

  接触式机械密封结构如图1 所示。

接触式机械密封结构

图1 接触式机械密封结构

  动环和静环紧密接触,形成主密封(摩擦副) ,动环与轴套之间、静环与设备壳体之间依靠O形圈进行二次密封。其基本性能包括端面摩擦特性( 即抵御摩擦磨损的能力) 和密封特性( 即泄漏指标、泄漏特性) 。

  本文旨在通过对接触式机械密封基本性能研究的回顾与分析,总结前人研究的不足,指出今后的研究方向,为进一步深化接触式机械密封研究、拓展其应用范围提供参考和依据。

  5、机械密封基本性能研究趋势

  纵观前人的研究基础及存在的不足,笔者认为,接触式机械密封基本性能的研究应从以下几方面展开:

  (1) 全面考察机械密封的摩擦及泄漏特性。机械密封运转过程中,密封界面( 密封端面,O 形圈及其接触表面) 的不断磨损不但会引起其形貌的变化,使润滑条件发生改变,影响摩擦磨损,还会改变泄漏通道的形状、数量及分布,影响通道内流体的流动,从而使泄漏情况发生改变。此外,密封端面载荷下降、O 形圈松弛老化以及弹性元件载荷下降之间存在着一定关联,共同影响着密封界面的摩擦及泄漏情况。在考察机械密封的性能时,应综合考虑这些因素,而不能孤立地进行研究。

  (2) 优化密封界面泄漏通道模型。基于逾渗理论发现的平垫密封界面存在泄漏现象,为研究密封界面之间的泄漏通道问题提供了新的途径。

  在平面上,密封界面的未接触( 白色方块) 面积与放大倍数ζ 有关,ζ 越大,白色方块越多。当白色方块的几率达到逾渗阈值,就会从接触面的一侧连通至另一侧,形成泄漏通道,如图7 所示。在空间方向上,密封端面、O 形圈及其接触面的接触模型分别如图8,9所示。

接触式机械密封基本性能研究进展

图7 密封界面泄漏通道的形成过程

接触式机械密封基本性能研究进展

图8 密封端面接触模型

接触式机械密封基本性能研究进展

图9 O 形圈接触模型

  根据逾渗理论建立密封界面三维逾渗模型的同时,采用数值模拟方法研究分析孔隙率、孔隙尺度等对密封界面三维逾渗概率的影响,揭示密封界面间出现孔道的成因,为系统地阐释接触式机械密封泄漏机理奠定基础。

  (3) 建立密封界面流体流动模型。根据体积平均化( REV) 动力学方程,进行空间平均,建立孔道内的流体压力、离心力和流动阻力之间的运动方程,与求解流动阻力的能量方程结合,得到密封界面中满足微观流动的控制方程; 采用几何分析法,结合密封界面优化后的泄漏通道模型,考虑不同情形时的流体流线,通过对这些代表性流线的迂曲度取几何平均和加权平均,求取密封界面中流体流线的迂曲度解析表达式; 基于Fluent 软件建立直接数值模拟模型,研究密封界面间孔道内的流体的流速、流动阻力和压降。

  总之,只有对接触式机械密封的基本性能进行深入研究,才能全面地了解其在工作过程中的摩擦及泄漏变化情况,通过改善外部条件,减小密封件的摩擦磨损,根据工作条件预测出密封件的泄漏情况和寿命,在其损坏之前进行更换,达到节能减排、提高设备稳定性、保障操作人员生命安全等目的。

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