多孔端面机械密封的结构特点及性能

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

  多孔端面机械密封(LST-MS) 是Etsion于1996 年提出的,在动静环的任一面上加工出不同分布形式的微孔,微孔不具有方向性,属于双向旋转的非接触机械密封,可用于气体或液体密封。典型微孔端面密封常采用激光精密加工而成,如图所示。本文主要讲解了多孔端面机械密封的结构特点及性能,揭示其密封机理与动压形成机制。

微孔端面密封的结构示意图

图3 微孔端面密封的结构示意图

  1999 年,Burstein和Ingman探讨了随机分布激光加工端面微孔尺寸对机械密封承载能力的影响。相比之下,Etsion 对端面微孔机械密封的研究更为深入。1999年至2006年期间,Etsion针对LST-MS提出了一种新的数学模型,进行了一系列理论及实验研究,建立静压多孔端面干气密封理论,以一定泄漏量下的最大承载力为目标,对多孔织构参数进行了数值优化。研究结果表明,优化后的LST-MS摩擦力矩及产热显著减小,较普通光滑端面机械密封,其密封寿命延长3 倍以上; 可通过表面微孔化技术使得非平衡式机械密封具有较高的承载能力; 指出静压多孔端面干气密封性能主要依赖微孔部分密度,与微孔直径无关,微孔实际深度对密封性能影响甚小。

  国内,蔡永宁、于新奇、彭旭东对这类槽型研究较多。2003至2007年间,于新奇建立了LST-MS的计算模型,数值分析和理论计算结果表明:密封端面间的摩擦扭矩随密封环转速增加而增大,微孔深度和微孔密度有最佳参数,使密封端面间的摩擦扭矩最小。实验研究表明:与普通密封端面进行比较,机械密封的微孔端面结构可显著改善密封环的摩擦性能,且端面温升、摩擦扭矩和摩擦系数远低于普通机械密封的相应值,实验数据与理论研究基本符合。

  2007年,蔡永宁等建立了多孔端面机械密封理论分析模型,以获得最大端面静压为目标,优化了结构参数,再次证明在部分密封端面上加工微孔可有效增大端面静压。同年,万轶等实验结果表明:与光滑摩擦副相比,多孔端面密封可以将最大PV 值提高2.5倍。2010年,白少先、彭旭东等基于气体润滑理论的数值分析表明LST-MS由于轴向气膜刚度较小,具有更小的扰动振幅,密封端面开启后有利于保持密封间隙的稳定,减少密封端面的接触摩擦。2011年,彭旭东等在收敛锥面密封和多孔端面机械密封研究的基础上,提出了锥面-微孔组合端面新型机械密封,通过有限元法求解理论模型证明在低压工况下,收敛锥面能提高机械密封的开启特性。同年,彭旭东等又考虑了液体表面张力对LST-MS密封性能的影响,提出了疏水型面的几何结构模型,从理论上证明了LST-MS 疏水型面具有自密封性,有利于实现零泄漏。

  微孔作为润滑剂存储器在摩擦过程中持续给接触面间供油,同时可以捕捉摩擦面间的磨损粒子,减少犁沟的形成,从而延长了密封寿命。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为但由于密封开启时容易发生接触,进而造成早期失效;同时由于磨屑在微孔中的沉积,也会减小其减摩效果;目前LST-MS 缺乏可供参考比较的系列试验数据。

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