機械密封的優化設計

王洪群，周國忠，虞培清

(浙江長城攪拌設備股份有限公司，浙江 溫州 325019)

0 前言

1 機械密封的構成及工作原理

圖1為釜用機械密封結構示意圖，圖中標明了主要構件或部位名稱。圖示的機械密封是集裝式結構，通過安裝法蘭將機械密封安裝到釜口，軸套通過其附帶的緊定螺釘固定在旋轉軸上。一對密封環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密封。其中位于上面的密封環為補償環，可以在一定范圍內浮動并在彈簧作用下保持與下面密封環的追隨貼合。通過注液孔進入密封箱體的流體用于冷卻和潤滑兩個密封環之間的摩擦面。傳動銷用來把隨旋轉軸轉動的軸套的動力傳遞給浮動密封環。通常情況下，公認機械密封性能可靠，泄漏量小，使用壽命長，功耗低，毋需經常維修，已被廣泛應用于石油、化工、冶金、機械、航空和原子能等工業中。

圖1 機械密封結構示意圖

從圖1可以看出，上面的補償環在彈簧作用下保持與下面密封環的追隨貼合，并可以在一定范圍內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表面精度以及自身變形量的要求都很嚴格，這些因素導致了補償環浮動范圍受到限制，當旋轉軸出現不大的跳動或擺動時，摩擦副的密封環之間不能保持良好的貼合密封，引起泄漏，而且該機械密封零部件制造難度大，成本高。

2 機械密封的優化設計

雖然機械密封技術相對成熟，因使用工況的不斷變化總會出現新的問題，一般通過兩個途徑研究解決：其一是研究代表機械密封特征的摩擦端面相關項，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]，分析這些因素對機械密封性能的影響；其二是從結構及材料的優化來適應不同的工況或條件[5,12]。帶彈性密封環的機械密封就是從結構入手，改進機械密封在軸跳動或擺動較大情況下的適用性。

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

圖2 帶彈性密封環的機械密封結構示意圖

圖3 帶彈性密封環的機械密封局部放大圖

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

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

圖4 帶彈性密封環的雙端面機械密封結構示意圖

3 帶彈性密封環的機械密封設計要點及性能分析

帶彈性密封環的機械密封引入了彈性密封環取代原有機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，并改變了補償環的浮動機構。

3.1 浮動效果

帶彈性密封環的機械密封由于引入了彈性密封環起到輔助密封的作用，副密封帶來的諸多弊端不復存在，如圖2所示，補償環的竄動和傾斜自由度使得補償環浮動能力大大提高，在攪拌軸運轉時出現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

安裝機械密封部位常常有軸向尺寸限制，帶彈性密封環的機械密封由于引入了軸向小尺寸的彈性密封環作為輔助密封，使得現有機械密封上無法精簡縮小的摩擦副及其附屬結構部件減少或者變小，從而引起機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，帶彈性密封環的機械密封的載荷系數總是大于1，即K>1，不利于密封環的磨損和壽命，建議在低壓工況使用，比如P≤0.6 MPa。

設計帶彈性密封環的機械密封的初衷是改善補償環的浮動效果，以滿足在旋轉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，機械密封整體尺寸小方便安裝也節省材料。由于這種設計載荷系數只能是大于1，所以在選用時應考慮密封壓力和使用壽命是否符合要求。

4 結束語

按照圖2所示結構設計軸徑為50 mm帶彈性密封環的單端面機械密封，在FST釜用機械密封試驗臺上運行試驗，試驗壓力0.6 MPa，常溫運行8 h。跟蹤試驗過程未發現明顯泄漏，本試驗僅僅定性地證明帶彈性密封環的機械密封的可行性。帶彈性密封環的機械密封是對傳統機械密封結構的一種改進，旨在特殊工況下為設計者提供更多的選擇方案。機械密封的很多知識來源于實踐的積累，本文所述對機械密封的改進實用效果還有待于今后長期實踐的考察。目前已對“帶彈性密封環的單端面機械密封和雙端面機械密封”產品申請了發明專利并獲得授權(ZL201410079791.1)。更多有價值的數據會在今后的繼續試驗和使用過程中產生，從而便于企業設計選用，為科研和工業生產服務。

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