剖分式机械密封技术研究进展(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京林业大学机电工程学院 作者:孙见君

4、发展方向

  随着工业化生产对密封技术要求的不断提高, 以及制造技术、计算机技术的迅速发展, 剖分式机械密封技术研究有着巨大的理论探索空间和广阔的应用前景。

4.1、理论研究

4.1.1、密封环应力应变数学模型的建立

  剖分式密封环结构与整体环不同, 分型面的存在破坏了密封环结构的连续性, 使其应力应变分析, 以及端面接触和液膜厚度偶合分析变得更为复杂。建立动环、静环对等两瓣或多瓣环型机械密封应力应变数学模型, 是探索受热受压后密封端面和分型面的变形规律, 以及研究密封性能的基础。

4.1.2、计算方法

  为了解决密封端面液膜内部物理量(如温度、压力、速度) 、密封性能参数计算和密封小扰动等方面问题, 一些新的有限元法, 如迎风格式的有限元法、Petrov - Galerkin有限元法以及Galerkin最小二乘法等, 将会被引入。正确选择计算方法是求解剖分式机械密封相关参数的关键。

4.1.3、分型面效应与分型面连接紧密性分析

  分型面把密封环分割成对等两瓣或多瓣环, 使得密封环不再具有整环的结构连续性, 导致工作在一定压力和温度介质中的密封环产生不连续的端面变形,以及周向曲率变化。开展压力-温度场中剖分式机械密封的分型面效应研究和分型面连接紧密性分析, 提出改善密封工作条件和密封性能的方法, 将是剖分式机械密封技术研究面临的最迫切问题。

4.1.4、端面改型技术研究

  与整体环机械密封一样, 为了适应设备长周期运行的需要, 剖分式机械密封也将被设计成流体动力润滑密封。在解决了分型面对端面变形影响和分型面连接紧密性问题之后, 端面槽形结构参数设计、密封性能数值分析方法、端面流体动压力的分布规律等课题, 将是剖分式机械密封技术研究的又一热点。

4.1.5、设计方法

  设计方法是剖分式机械密封技术研究的根本问题, 也是实现剖分式机械密封工程应用的理论依据。目前, 剖分式机械密封设计通常是根据给定工况与要求, 参照整体环密封产品的结构型式选取参数, 然后通过试验, 确定适用范围, 均未考虑端面受热受压后的变形对密封性能的影响和分型面连接的紧密性问题。

  有研究表明采用适当的密封形状, 可以在很宽的传热系数范围内将热变形控制为零, 材料不同而几何形状相同的密封环也能获得同样的零变形。导致零变形的几何形状不是唯一的, 其他类似结构也能得到零变形。为了得到两密封端面相对零变形和分型面不偏转, 可以根据受热受压后密封端面变形规律, 把静环和动环端面同时都设计成零变形或用正变形的动环与负变形的静环配对, 而把静环和动环分型面都设计成零变形。建立剖分式机械密封设计方法就是形成一套根据工作参数范围和密封要求进行剖分密封环轴截面形状设计、材料性质和传热系数分析选择的规则, 并随着计算机技术的发展, 形成优化设计和专家设计系统。

4.1.6、泄漏预测与寿命评价

  泄漏预测与寿命评价是一个多学科交叉的复杂系统问题, 同时又是一个具有工程价值的问题。泄漏预测与寿命评价研究主要包括故障树法失效分析、基于端面接触状态的泄漏预测模型、密封环端面摩擦磨损规律、泄漏率标准和端面接触状态测量方法等课题。

4.2、试验研究

4.2.1、试验技术与装备

  剖分式机械密封技术的发展, 目前处于理论与试验相结合的阶段, 密封设计也还是依靠经验的积累和试验技术进行统计分析。根据试验条件, 试验分为现场试验和模拟试验两大类。由于现场试验缺乏灵活性、系统性, 且受现场安装、维护及主机操作等工艺条件因素的影响较大, 导致试验的准确性和数据的完整性不易保证, 因而, 常常在实验室模拟其工作条件进行试验。试验内容包括: 测量密封静压和运转时的泄漏量; 测量端面接触状态; 测量摩擦副的磨损量;测量密封的功耗、流量、温升, 以及密封环端面的磨损形态及变形。

  试验技术与装备是试验研究的基础。有必要分析正交设计法、均匀设计法与D2最优设计法的优缺点并探讨其在剖分式机械密封试验中的作用; 研究试验装备, 包括先进的试验台架, 测量传感器如端面摩扭矩传感器、端面接触状态测量传感器、基于CCD及数字图像相关技术的端面及分型面微小变形激光非接触测量装置等。

4.2.2、泄漏率加速试验方法

  研究剖分式机械密封的密封特性, 需要考量泄漏率与端面比载荷、转速和时间等参数之间的关系。然而, 要在现场装置或模拟实验装置上通过完全试验的方法获得泄漏率与端面比载荷、转速和时间等参数之间的变化规律, 十分耗时耗资。可见, 寻求泄漏率加速试验方法, 对开展剖分式机械密封技术具有极其重要的意义。

4.3、应用研究

4.3.1、高参数剖分式机械密封设计

  剖分式机械密封虽然具有安装方便的优点, 但由于缺乏设计方法, 目前只能应用于低参数工况场合。在上述设计方法研究成果基础上, 进行高参数剖分式机械密封设计, 将是应用研究的热点。

4.3.2、改型端面及分型面加工技术

  剖分式机械密封产品制造的关键是密封端面上与槽的加工。由于密封面上空与槽非常浅, 而且对空或槽深精度要求高, 一般的机械加工是无法实现的。分型面的连接结构及其紧密性对密封性能也具有非常重要的影响。因此, 研究开发低成本、高精度的开空开槽技术、分型面连接结构加工技术将成为提高剖分式机械密封性能, 降低产品价格的关键。目前, 较为常用的开槽技术有电加工法、化学腐蚀法、电化学腐蚀法、光刻法及激光加工; 分型面连接结构加工技术有普通机械加工与线切割、塑性成形加工、虚拟加工等技术。

4.3.3、延寿技术

  随着生产工艺对机械密封性能参数指标要求的不断提高, 以及设备长周期运行的需要, 密封装置不仅需要快速拆卸和安装的性能, 同时还需要较长的工作寿命。通过优化设计和优化工作环境都可以达到延长剖分式机械密封寿命的目的。密封端面形状优化, 密封环的结构尺寸优化可以提升端面液膜或气膜的刚度, 以及抵抗温差变形的能力; 密封环境优化, 就是进行密封端面冲洗冷却或采用自适应控制系统调节工作参数, 维持剖分式机械密封处于最佳状态, 以获得更长的工作寿命。

5、结束语

  (1) 分型面的存在, 一方面使得剖分式机械密封安装方便, 另一方面因为打破了密封环的结构连续性, 改变了端面受热受压后的变形规律, 极大地影响了剖分式机械密封性能。

  (2) 建立基于动、静环端面零变形或正负对等变形的剖分式机械密封设计方法, 以及开展剖分式端面改型机械密封技术研究, 将是其获得广泛应用的理论基础。

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