機(jī)械密封的優(yōu)化設(shè)計

王洪群，周國忠，虞培清

(浙江長城攪拌設(shè)備股份有限公司，浙江 溫州 325019)

0 前言

1 機(jī)械密封的構(gòu)成及工作原理

圖1為釜用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)明了主要構(gòu)件或部位名稱。圖示的機(jī)械密封是集裝式結(jié)構(gòu)，通過安裝法蘭將機(jī)械密封安裝到釜口，軸套通過其附帶的緊定螺釘固定在旋轉(zhuǎn)軸上。一對密封環(huán)也稱為摩擦副在軸向互相接觸和摩擦，加上其他輔助部件共同作用實現(xiàn)密封。其中位于上面的密封環(huán)為補(bǔ)償環(huán)，可以在一定范圍內(nèi)浮動并在彈簧作用下保持與下面密封環(huán)的追隨貼合。通過注液孔進(jìn)入密封箱體的流體用于冷卻和潤滑兩個密封環(huán)之間的摩擦面。傳動銷用來把隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的軸套的動力傳遞給浮動密封環(huán)。通常情況下，公認(rèn)機(jī)械密封性能可靠，泄漏量小，使用壽命長，功耗低，毋需經(jīng)常維修，已被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、航空和原子能等工業(yè)中。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可以看出，上面的補(bǔ)償環(huán)在彈簧作用下保持與下面密封環(huán)的追隨貼合，并可以在一定范圍內(nèi)浮動是借助其與軸套之間的O形彈性密封圈和其他部件配合作用實現(xiàn)的。這些部件都是柱面配合，加上O形彈性密封圈對與其接觸的兩側(cè)表面精度以及自身變形量的要求都很嚴(yán)格，這些因素導(dǎo)致了補(bǔ)償環(huán)浮動范圍受到限制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)不大的跳動或擺動時，摩擦副的密封環(huán)之間不能保持良好的貼合密封，引起泄漏，而且該機(jī)械密封零部件制造難度大，成本高。

2 機(jī)械密封的優(yōu)化設(shè)計

雖然機(jī)械密封技術(shù)相對成熟，因使用工況的不斷變化總會出現(xiàn)新的問題，一般通過兩個途徑研究解決：其一是研究代表機(jī)械密封特征的摩擦端面相關(guān)項，諸如端面比壓、摩擦副端面粗糙度、工作時端面上的相變以及粘度等物性隨溫度和壓力變化等[8-10]，分析這些因素對機(jī)械密封性能的影響；其二是從結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化來適應(yīng)不同的工況或條件[5,12]。帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封就是從結(jié)構(gòu)入手，改進(jìn)機(jī)械密封在軸跳動或擺動較大情況下的適用性。

圖2是帶彈性密封環(huán)的釜用機(jī)械密封的一種設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是帶彈性密封環(huán)的釜用機(jī)械密封局部放大圖，針對的是圖2中左側(cè)包含摩擦副的部位，用以說明補(bǔ)償環(huán)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和工作情況。這種改進(jìn)型機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就要明確密封兩側(cè)的壓力方向，圖示的情況是位于下部的釜內(nèi)壓力高于上部大氣側(cè)，釜內(nèi)屬于高壓側(cè)。摩擦副中可以浮動的密封環(huán)即補(bǔ)償環(huán)位于下部，借助置于其外側(cè)的彈性密封環(huán)及其上部低壓側(cè)的彈性密封環(huán)靠件以及頂在補(bǔ)償環(huán)下部端面的彈簧實現(xiàn)密封浮動支撐的。彈性密封環(huán)的上側(cè)是平面，緊靠彈性密封環(huán)靠件，彈性密封環(huán)的下側(cè)內(nèi)外圓均設(shè)計成楔形，內(nèi)圓表面與補(bǔ)償環(huán)的外圓表面密封連接，外圓表面與密封箱體的柱筒內(nèi)圓表面密封連接，密封環(huán)靠件通過外圓安裝定位在密封箱體的柱筒內(nèi)圓表面，內(nèi)圓與補(bǔ)償環(huán)外圓之間保留的間隙根據(jù)補(bǔ)償環(huán)設(shè)計的浮動幅度以及彈性密封環(huán)在該處的抗壓能力確定。若干均布的彈簧由法蘭上對應(yīng)補(bǔ)償環(huán)的位置設(shè)計的盲孔定位。

圖2 帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封局部放大圖

摩擦副中與補(bǔ)償環(huán)對應(yīng)的非浮動的密封環(huán)位于上部，借助置于其內(nèi)側(cè)的彈性密封環(huán)及其上部低壓側(cè)的彈性密封環(huán)靠件實現(xiàn)密封固定支撐的。彈性密封環(huán)上側(cè)是平面緊靠彈性密封環(huán)靠件，彈性密封環(huán)下側(cè)內(nèi)外圓均設(shè)計成楔形，外圓表面與非浮動的密封環(huán)內(nèi)圓表面密封連接，內(nèi)圓表面與軸套外圓表面密封連接，彈性密封環(huán)靠件通過內(nèi)圓安裝定位在軸套外圓表面。工作時非浮動的密封環(huán)和軸套一起隨旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，而補(bǔ)償環(huán)是安裝在不動的密封箱體上，彈簧的初始壓力保證了補(bǔ)償環(huán)和非浮動的密封環(huán)之間的摩擦端面的貼合，來自釜內(nèi)高壓側(cè)的壓力作用在補(bǔ)償環(huán)外側(cè)的彈性密封環(huán)和非浮動的密封環(huán)內(nèi)側(cè)的彈性密封環(huán)上，使得釜內(nèi)高壓側(cè)與封液和大氣測完全密封隔離，隨著壓力增高，彈性密封環(huán)內(nèi)外圓的楔形設(shè)計使其密封能力自然提高，補(bǔ)償環(huán)和非浮動密封環(huán)之間的摩擦端面貼合力也隨之增高以適應(yīng)更高壓密封的要求。又由于補(bǔ)償環(huán)外側(cè)的彈性密封環(huán)靠件內(nèi)圓與補(bǔ)償環(huán)外圓之間根據(jù)工況設(shè)計保留了需要的間隙，加之彈性密封環(huán)的變形性能，使得補(bǔ)償環(huán)具有良好的浮動能力以適應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的跳動或擺動。

圖4是對帶彈性密封環(huán)的釜用機(jī)械密封所設(shè)計的雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖。由于這種改進(jìn)型機(jī)械密封首先要明確密封兩側(cè)的壓力方向，也就是每個摩擦副的設(shè)計都要從這個基本要求出發(fā)。對于釜用雙端面機(jī)械密封，圖4的中部封液位置具有最高壓力，相對而言，位于下部的釜內(nèi)和上部的大氣側(cè)均屬于低壓側(cè)。摩擦副中補(bǔ)償環(huán)和置于其外側(cè)的彈性密封環(huán)、非浮動的密封環(huán)和置于其內(nèi)側(cè)的彈性密封環(huán)，均應(yīng)位于高壓側(cè)的中部，而彈性密封環(huán)靠件分別位于上部和下部低壓側(cè)，彈性密封環(huán)內(nèi)外圓上設(shè)計有楔形的一側(cè)朝向中部。

圖4 帶彈性密封環(huán)的雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封設(shè)計要點及性能分析

帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封引入了彈性密封環(huán)取代原有機(jī)械密封摩擦副與軸套之間以及摩擦副與密封箱體之間的密封連接方式，并改變了補(bǔ)償環(huán)的浮動機(jī)構(gòu)。

3.1 浮動效果

帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封由于引入了彈性密封環(huán)起到輔助密封的作用，副密封帶來的諸多弊端不復(fù)存在，如圖2所示，補(bǔ)償環(huán)的竄動和傾斜自由度使得補(bǔ)償環(huán)浮動能力大大提高，在攪拌軸運(yùn)轉(zhuǎn)時出現(xiàn)較大的跳動或擺動時仍可以保持摩擦副良好貼合密封。

3.2 整體尺寸

安裝機(jī)械密封部位常常有軸向尺寸限制，帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封由于引入了軸向小尺寸的彈性密封環(huán)作為輔助密封，使得現(xiàn)有機(jī)械密封上無法精簡縮小的摩擦副及其附屬結(jié)構(gòu)部件減少或者變小，從而引起機(jī)械密封整體尺寸降低，既可以降低成本，同時給安裝使用帶來極大便利。

如圖2或圖3所示，帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封的載荷系數(shù)總是大于1，即K>1，不利于密封環(huán)的磨損和壽命，建議在低壓工況使用，比如P≤0.6 MPa。

設(shè)計帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封的初衷是改善補(bǔ)償環(huán)的浮動效果，以滿足在旋轉(zhuǎn)軸的跳動或擺動較大的情況下也可以保持良好密封。同時使零部件制造難度小成本降低，機(jī)械密封整體尺寸小方便安裝也節(jié)省材料。由于這種設(shè)計載荷系數(shù)只能是大于1，所以在選用時應(yīng)考慮密封壓力和使用壽命是否符合要求。

4 結(jié)束語

按照圖2所示結(jié)構(gòu)設(shè)計軸徑為50 mm帶彈性密封環(huán)的單端面機(jī)械密封，在FST釜用機(jī)械密封試驗臺上運(yùn)行試驗，試驗壓力0.6 MPa，常溫運(yùn)行8 h。跟蹤試驗過程未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏，本試驗僅僅定性地證明帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封的可行性。帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封是對傳統(tǒng)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)，旨在特殊工況下為設(shè)計者提供更多的選擇方案。機(jī)械密封的很多知識來源于實踐的積累，本文所述對機(jī)械密封的改進(jìn)實用效果還有待于今后長期實踐的考察。目前已對“帶彈性密封環(huán)的單端面機(jī)械密封和雙端面機(jī)械密封”產(chǎn)品申請了發(fā)明專利并獲得授權(quán)(ZL201410079791.1)。更多有價值的數(shù)據(jù)會在今后的繼續(xù)試驗和使用過程中產(chǎn)生，從而便于企業(yè)設(shè)計選用，為科研和工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

[1] 徐灝.密封[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] 黃志堅，王洪群，林曉密，等.釜用機(jī)械密封端面比壓設(shè)計分析[J].機(jī)械工程師.2016(02)：110-111.

[3] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.HG/T 2269-2003，釜用機(jī)械密封技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊(三卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[5] 李小莉.水平側(cè)入式攪拌器機(jī)械密封損壞原因分析及改造[J].流體機(jī)械,2003,31(06)：33-34.

[6] 王洪群，虞培清，章志耿.釜用機(jī)械密封的應(yīng)用研究[J].流體機(jī)械,2008(05)：47-50.

[7] 徐游，楊紅文，王鳳喜，等.密封使用與維修問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[8] 王凱.攪拌設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[9] 彭旭東，王玉明，黃興，等.密封技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].液壓氣動與密封，2009(04)：4-11.

[10] 王洪群，虞培清.光滑平面普通機(jī)械密封的設(shè)計研究[J].流體機(jī)械,2010(03)：12-16.

[11] 顧永泉.機(jī)械密封實用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[12] 王洪群，虞培清.釜用完全剖分式機(jī)械密封改進(jìn)設(shè)計研究[J].化工機(jī)械，2010(03)：299-301.