針對(duì)機(jī)械密封的理論研究

黃玉璽 邱成磊 李琛恒 呂桉

摘 要：闡述了機(jī)械密封的起源與發(fā)展，介紹了機(jī)械密封在每一個(gè)階段發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。講述了50年來(lái)構(gòu)造機(jī)械密封機(jī)理的粘滯力假說(shuō)和表面張力假說(shuō)。在表面張力假說(shuō)的根基上，機(jī)械密封存在空化、汽化密封理論；在粘滯力假說(shuō)的基礎(chǔ)上，有邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑密封理論。在不停探究機(jī)械密封機(jī)理的同時(shí)，有效地利用密封機(jī)理設(shè)計(jì)造出了機(jī)械密封產(chǎn)品。目前，主流的機(jī)械密封應(yīng)用技術(shù)主要有組合密封技術(shù)、表面改形技術(shù)和可控機(jī)械密封技術(shù)。表明了現(xiàn)有密封理論都存在著無(wú)法攻克的問(wèn)題，指出了機(jī)械密封研究的動(dòng)力和方向。研究和揭示機(jī)械密封有關(guān)規(guī)律的關(guān)鍵是提升機(jī)械密封端面參數(shù)測(cè)試的可靠性；可控機(jī)械密封實(shí)踐仍存在諸多困難，其中包括最佳工況點(diǎn)的求取、控制參數(shù)的選擇與測(cè)量、反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制等；納米材料的特殊性能有助于改善機(jī)械密封端面間潤(rùn)滑狀態(tài)， 機(jī)械密封研究的近期目標(biāo)將是開(kāi)發(fā)納米材料機(jī)械密封和應(yīng)用納米沖洗液。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；組合密封

1、機(jī)械密封的起源與發(fā)展

最早的機(jī)械密封是1885年在英國(guó)以專利形式出現(xiàn)的，1900年開(kāi)始使用。第一次出現(xiàn)的簡(jiǎn)單的端面機(jī)械密封，解除了機(jī)器制造業(yè)中轉(zhuǎn)軸密封問(wèn)題。同慣用的填料密封相比，無(wú)論在功能上還是結(jié)構(gòu)原理上，機(jī)械密封都有著明顯的優(yōu)越進(jìn)性。然而，由于當(dāng)時(shí)缺少合適的材料和加工機(jī)床，盡管這種密封結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)秀的地方，但還是沒(méi)有發(fā)揮其效果。直到1920年，由于新工藝和新材料的出現(xiàn)，繼提高了使用可靠性和壽命，降低了制造成本之后，機(jī)械密封才逐漸在許多冷凍裝置上得到諸多的使用。1930年以后，機(jī)械密封用于內(nèi)燃機(jī)水泵的軸封，此時(shí)psv值達(dá)到了3.1MPa？m/s。在這一階段，機(jī)械密封發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ菣C(jī)械加工和材料方面的技術(shù)進(jìn)步。第二次世界大戰(zhàn)以后，機(jī)械密封在美國(guó)得到了快速普及。1939～1945年由于石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，石墨、陶瓷、硬質(zhì)合金等材料在機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)制造中的應(yīng)用以及加工技術(shù)中表面粗糙度控制水平得到提升，psv值達(dá)到了15MPa？m/s；1956年在構(gòu)造上出現(xiàn)了平衡型機(jī)械密封和中間環(huán)密封，psv值達(dá)到了30MPa？m/s，1959年達(dá)80MPa？m/s。在這一階段，機(jī)械密封發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ枪I(yè)發(fā)展速度和生產(chǎn)過(guò)程的需要。1961～1963年由于原子能工業(yè)的需求，在結(jié)構(gòu)上顯示了流體動(dòng)壓密封和流體靜壓密封，使psv值迅速提高到167MPa？m/s，1969年達(dá)到266MPa？m/s。在這一階段，主要發(fā)展動(dòng)力是密封端面間不一樣的潤(rùn)滑機(jī)理的出現(xiàn)和與之相適應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)的探尋與開(kāi)創(chuàng)。1971～1974年由于宇航和核電方面的特殊需求，在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)了多級(jí)密封，在材料上展現(xiàn)了碳化硅和優(yōu)質(zhì)的不同浸漬材料的碳石墨，使psv值達(dá)到了360MPa？m/s，1977年由于核電等特殊需求采用螺旋-機(jī)械密封組合的密封、改進(jìn)的中間浮動(dòng)環(huán)密封等、浮環(huán)-機(jī)械密封組合密封等，使最高psv值到了500MPa？m/s。這一階段，結(jié)構(gòu)重組和密封新材料的出現(xiàn)成為發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

1980-1990年隨著人們對(duì)保護(hù)環(huán)境意識(shí)的提升，開(kāi)發(fā)出了“零泄漏”機(jī)械密封。在流體動(dòng)壓密封原理的基本理論上，研發(fā)出了熱流體動(dòng)力楔機(jī)械密封和上游泵送機(jī)械密封。在保證密封性能和獲得較長(zhǎng)的使用壽命同時(shí)，人們利用自動(dòng)控制理論，開(kāi)發(fā)出可控機(jī)械密封。1990年以后，機(jī)械密封psv值達(dá)到了5700MPa？m/s。這一階段，密封原理的發(fā)展和控制理論的支持是發(fā)現(xiàn)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

2、機(jī)械密封的原理發(fā)展

對(duì)于機(jī)械密封而論，組成密封作用的假說(shuō)基上分成兩種，即表面張力假說(shuō)和粘滯力假說(shuō)。最早提出表面張力假說(shuō)的是A Brkich。A Brkich認(rèn)為密封端面間穩(wěn)定而可靠的結(jié)果主要是表面張力作用，密封端面實(shí)際上并不是理想的光滑平面，少量突起部分存在著直接接觸。G ERajakovics應(yīng)用試驗(yàn)闡述了表面張力是密封重要因素這一觀點(diǎn)。同時(shí)對(duì)粘滯假說(shuō)提出了異議：粘滯力（主要是指液體和固體表面的附著力）要在間隙為10-9m或更小時(shí)才起作用，在微米級(jí)的密封間隙中不起效果；粘滯是一種動(dòng)力學(xué)的特性，而在密封處于零泄漏時(shí)，徑向是沒(méi)有動(dòng)力學(xué)過(guò)程的。國(guó)內(nèi)李克永等也著文贊同表面張力假說(shuō)。

3、機(jī)械密封的應(yīng)用

在研究機(jī)械密封原理的一百多年中，人們成功的學(xué)以致用。在電力，核工業(yè)，石油等領(lǐng)域都有利用密封機(jī)理設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品。表面改形技術(shù)，組合密封技術(shù)，可控機(jī)械密封是目前主要的機(jī)械密封技術(shù)。

3.1組合密封技術(shù)

伴隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，人們已不滿于單一的密封，對(duì)它的要求也變高。目前人們把不同密封組合，擇其優(yōu)，使它能發(fā)揮更好的作用。組合式機(jī)械密封分為接觸式密封和接觸式密封組合以及非接觸式和接觸式密封混合組合，并一直廣泛應(yīng)用。

3.2表面改形技術(shù)

為了改善端面間的潤(rùn)滑狀況，從而在密閉斷面上開(kāi)出各式各樣的槽，因而實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封的長(zhǎng)壽命運(yùn)，這就是表面改性技術(shù)。根據(jù)開(kāi)槽深度可以分為開(kāi)深槽和開(kāi)淺槽。開(kāi)深槽機(jī)械密封又可分為熱流體動(dòng)壓型機(jī)械密封以及流體靜壓型機(jī)械密封。液化石油氣注射泵應(yīng)用的就是流體靜壓機(jī)械密封技術(shù)，這一技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用并開(kāi)發(fā)了許多產(chǎn)品。

3.3可控機(jī)械密封技術(shù)

機(jī)械密封通過(guò)實(shí)現(xiàn)高參數(shù)設(shè)計(jì)制造與運(yùn)行之后，人們展開(kāi)了泄漏率和磨損同時(shí)控制的研究。表征機(jī)械密封性能的兩個(gè)方面就是泄漏率和磨損。泄漏率高，密封端面間液膜厚，工作時(shí)端面磨損小，機(jī)械密封使用壽命更長(zhǎng)久。反之，機(jī)械密封使用壽命就會(huì)變短。因此尋找機(jī)械密封最好工況點(diǎn)成為機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)性能控制的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)和密封理論的發(fā)展，可控機(jī)械密封技術(shù)將會(huì)應(yīng)用在各種工業(yè)領(lǐng)域中。

4、機(jī)械密封的發(fā)展動(dòng)向

總而言之，我們能夠看出機(jī)械密封是在特定的歷史條件產(chǎn)生及其發(fā)展應(yīng)用。伴隨著石油化工、宇航、材料科學(xué)及制造技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械密封研究開(kāi)發(fā)主要有兩個(gè)方面，即機(jī)械密封的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步向縱深發(fā)展，以及機(jī)械密封應(yīng)用技術(shù)研究備受人們關(guān)注。

為了揭開(kāi)機(jī)械密封相關(guān)規(guī)律，提升機(jī)械密封端面參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性與研究是關(guān)鍵。雖然可控機(jī)械密封研究已獲得一定成果，但是許多年來(lái)工業(yè)應(yīng)用幾乎為零，這說(shuō)明可控機(jī)械密封實(shí)踐仍存在很大困難。納米材料的特殊性能有利于改善機(jī)械密封端面間潤(rùn)滑效果，開(kāi)發(fā)納米材料機(jī)械密封和應(yīng)用納米沖洗液將會(huì)成為機(jī)械密封研究的近期目標(biāo)。

5、結(jié)論

闡述了機(jī)械密封的起源與發(fā)展，介紹了機(jī)械密封在每一個(gè)階段發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。分析了我?guó)機(jī)械密封技術(shù)的起源、發(fā)展及運(yùn)用，同時(shí)提出的納米技術(shù)對(duì)機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展有重要意義，為我國(guó)機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李體軒，侯寶霞.液化石油氣注射泵的超高速高壓機(jī)械密封的開(kāi)發(fā)[J].流體機(jī)械，1997，25（8）：38～39.

[2]李克永.表面張力對(duì)機(jī)械密封的影響[J].化工機(jī)械，1979（1）.

[3]鄭海泉，陳汝灼.機(jī)械密封機(jī)理的探討[J].化工煉油機(jī)械，1981（3）：51～55.

[4]李春華.機(jī)械密封摩擦狀態(tài)的判斷問(wèn)題[J].潤(rùn)滑與密封，1989（6）：15～21.

[5]彭旭東，顧永泉，王汝美.相態(tài)監(jiān)控機(jī)械密封的研制和應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1995，16（3）：30～33.

[6]孫見(jiàn)君.揚(yáng)子芳烴廠3602#泵用機(jī)械密封失效分析及新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：[碩士論文].南京：南京化工大學(xué)，1995.