機(jī)械密封影響因素分析及展望

丁雪興，王競(jìng)墨，王世鵬，楊小成，嚴(yán)如奇

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅蘭州730000）

1 機(jī)械密封簡(jiǎn)介

機(jī)械密封是過(guò)程裝備重要組成部分，隸屬于基礎(chǔ)零部件領(lǐng)域，是通用機(jī)械密封設(shè)備中的重要基礎(chǔ)件。機(jī)械密封又稱(chēng)端面密封，是由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的端面在流體壓力、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用及輔助密封元件配合下保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置[1]。圖1、2 分別為機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物。機(jī)械密封的工作原理是在密封面上開(kāi)設(shè)微米級(jí)的動(dòng)壓槽并產(chǎn)生局部動(dòng)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)密封面的非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行密封。流體薄膜的薄化會(huì)形成流體動(dòng)力效應(yīng)。適當(dāng)厚度的流體膜可以提高潤(rùn)滑性能和密封性能。根據(jù)其零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)是否接觸，機(jī)械密封可分為接觸式和非接觸式兩種：①接觸式機(jī)械密封，是一種依靠彈性元件對(duì)靜、動(dòng)環(huán)端面密封的預(yù)緊和介質(zhì)壓力與彈性元件壓力的壓緊而達(dá)到密封的軸端密封裝置。②非接觸式機(jī)械密封，密封面間使用潤(rùn)滑劑將其隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)全流體潤(rùn)滑密封。二者對(duì)比如表1 所示。機(jī)械密封在離心泵、離心機(jī)、反應(yīng)釜和壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用廣泛。目前機(jī)械密封已替代填料密封應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如機(jī)械、化工、石油化工、航空航天等過(guò)程工業(yè)的機(jī)械裝備。與其他密封方式相比，機(jī)械密封有著密封性能好、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

表1 接觸式與非接觸式機(jī)械密封不同點(diǎn)Table 1 Differences between contact and non?contact mechanical seals

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanical seal struture diagram

縱觀我國(guó)機(jī)械密封發(fā)展，雖起步較晚，但發(fā)展較快，20 世紀(jì)50 年代末，甘肅蘭州煉油廠研制泵用機(jī)械密封配件應(yīng)用于進(jìn)口離心泵上。1975 年，機(jī)械工業(yè)部首次制定了《泵用機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)》，GB/T 14211—2019《機(jī)械密封試驗(yàn)方法》規(guī)定了機(jī)械密封試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并參考國(guó)際美、日、德先進(jìn)技術(shù)不斷完善。國(guó)外機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)[2]API 682—2014 對(duì)機(jī)械密封形式、材料選擇等做了較為詳細(xì)的規(guī)定，是對(duì)石油、石化和天然氣工業(yè)設(shè)計(jì)與使用的重要指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)機(jī)械密封發(fā)展到現(xiàn)在已超過(guò)50 年，常規(guī)密封技術(shù)和產(chǎn)品已能滿(mǎn)足市場(chǎng)需要（以中低端產(chǎn)品為主），前沿密封技術(shù)和密封產(chǎn)品研發(fā)也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但密封技術(shù)的理論、核心加工工藝、材料研發(fā)等方面仍需突破。人們對(duì)于機(jī)械密封提出了更高的要求[3]，可靠性高、泄漏量小、使用壽命長(zhǎng)、功率消耗少成為了普遍要求[4]?！吨袊?guó)通用機(jī)械行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃(2021-2025)》指出，行業(yè)發(fā)展將重點(diǎn)圍繞“高效節(jié)能技術(shù)、減振與降噪技術(shù)、先進(jìn)工藝與智能制造、新材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、智能控制技術(shù)”展開(kāi)深入研究。

圖2 機(jī)械密封實(shí)物裝配Fig.2 Physical assembly drawing of mechanical seal

機(jī)械密封技術(shù)和產(chǎn)品面臨系統(tǒng)化、高端化、智能化的發(fā)展需求[5]。機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)代密封應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)步，降低了機(jī)器設(shè)備使用和維護(hù)成本，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)機(jī)械密封行業(yè)發(fā)展在理論研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、重大難點(diǎn)突破上都取得了一定的成果。

2 機(jī)械密封性能影響因素

機(jī)械密封件投入使用后的性能、效果是由物理參數(shù)反映。對(duì)于機(jī)械密封性能的判定，取決于以下幾個(gè)影響因素：

①密封分類(lèi)及其槽型：根據(jù)槽型位置開(kāi)在外環(huán)或內(nèi)環(huán)可分為非接觸式機(jī)械密封（槽開(kāi)在外環(huán)）和上游泵送式機(jī)械密封（槽開(kāi)在內(nèi)環(huán),產(chǎn)生泵送效應(yīng)），開(kāi)槽面的不同分為端面和柱面密封（柱面密封還需考慮偏心率）。不同槽型（螺旋槽、人字槽、T 型槽、仿樹(shù)形槽等）會(huì)產(chǎn)生不同的流場(chǎng)壓力分布，以及不同的開(kāi)啟力、泄漏量、液膜剛度、泵送率（上游泵送考慮因素）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用得出，目前螺旋槽密封效果最好，螺旋槽機(jī)械密封模型如圖3 所示。目前槽型研究的重點(diǎn)為新型槽型的研發(fā)，槽深、槽長(zhǎng)、槽壩比的優(yōu)化等。

圖3 螺旋槽機(jī)械密封模型Fig.3 Spiral groove mechanical seal model drawing

②壓力（載荷）：由實(shí)驗(yàn)與實(shí)際案例得知，壓力（載荷）是機(jī)械密封的主要影響因素[6]。結(jié)合目前高壓、高轉(zhuǎn)速下的機(jī)械密封工況，機(jī)械密封件在進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要考慮在密封件受擠壓變形情況下而使壓力增大的影響因素[7]，壓力來(lái)自?xún)?nèi)部與外部，內(nèi)部是指內(nèi)部產(chǎn)生的沖擊壓力，外部是指環(huán)境變化與參數(shù)改變。不同材質(zhì)具有不同的工作壓力范圍，在組裝使用過(guò)程中，應(yīng)熟知壓力極限在不同階段的動(dòng)態(tài)特性和故障機(jī)理。

③溫度：溫度在很大程度上影響機(jī)械密封裝置的密封性能。由密封介質(zhì)的剪切力摩擦導(dǎo)致機(jī)械密封靜環(huán)與動(dòng)環(huán)間隙內(nèi)氣膜溫度升高，溫度過(guò)高使密封端面變形，造成運(yùn)動(dòng)時(shí)密封之間剛度極大的流體膜分布不均勻，從而增加碰磨幾率，機(jī)械密封裝置的穩(wěn)態(tài)密封性能直線(xiàn)下降、表面粗糙度上升[8]，解決方式一般有增加散熱結(jié)構(gòu)與降低運(yùn)載時(shí)長(zhǎng)等。

④密封介質(zhì)：以液體為密封介質(zhì)（水）居多，有些密封液體會(huì)與反應(yīng)釜產(chǎn)生腐蝕，或由于液體純度不高混入雜質(zhì)（泥沙、酸堿、膠體等），雜質(zhì)與密封系統(tǒng)產(chǎn)生刮擦[9]，進(jìn)入間隙導(dǎo)致密封系統(tǒng)逐漸磨損，影響密封件相互配合。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雜質(zhì)中的固體顆粒越硬、越細(xì)，棱角越鋒利，對(duì)密封效果產(chǎn)生的影響越大。同時(shí)，在（機(jī)械）密封件工作的過(guò)程中，由于端面之間的相互摩擦以及旋轉(zhuǎn)部件對(duì)液體的旋轉(zhuǎn)和攪拌作用，會(huì)產(chǎn)生大量熱。如果不及時(shí)帶走這些熱量，密封端面的溫度會(huì)升高，導(dǎo)致密封逐漸失效。一旦介質(zhì)中的二次產(chǎn)物、膠體和纖維附著并聚集在機(jī)械密封表面，使?jié)櫥艿辣欢氯?，造成機(jī)械密封的磨損和損壞，最終導(dǎo)致失效。

⑤摩擦磨損：機(jī)械密封實(shí)物磨損如圖4、5 所示。機(jī)械密封運(yùn)行時(shí)端面的貼合狀態(tài)和摩擦磨損情況是決定機(jī)械密封性能的關(guān)鍵因素。在考慮摩擦磨損因素時(shí)，忽略影響較小的因素，通常將產(chǎn)生的碎屑假設(shè)為規(guī)則，不考慮相變、顆粒的布朗力、熱輻射等進(jìn)行數(shù)值模擬[10]。目前多采用軟件模擬分析傳熱、變形等現(xiàn)象及表面織構(gòu)技術(shù)。J.X.Liu 等[11]通過(guò)有限元分析軟件對(duì)機(jī)械密封的摩擦生熱和端面變形問(wèn)題進(jìn)行求解，研究機(jī)械密封的摩擦磨損情況。汪宗太[12]在考慮端面間隙類(lèi)型及機(jī)械和熱變形的基礎(chǔ)上，計(jì)算了摩擦端面溫度場(chǎng)的分布。何濤等[13]利用有限元方法研究了特定工況下（大潛深、低轉(zhuǎn)速）密封面寬度對(duì)機(jī)械密封性能的影響。高斌超等[14]將有限元與數(shù)值迭代相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了模型的數(shù)值求解，研究了密封面熱變形規(guī)律。楊笑等[15]結(jié)合JFO空化條件，建立了混合潤(rùn)滑條件下織構(gòu)機(jī)械密封熱彈流潤(rùn)滑（TEHD）的理論分析模型，探究機(jī)械密封在穩(wěn)態(tài)下的端面液膜壓力、膜溫和膜厚分布，結(jié)果表明表面織構(gòu)對(duì)端面壓力和溫度分布影響很大。對(duì)于機(jī)械密封來(lái)說(shuō)，摩擦磨損帶來(lái)的影響不可忽略，仍需進(jìn)行深入研究。

圖4 機(jī)械密封端面磨損情況Fig.4 Mechanical seal face wear condition

圖5 機(jī)械密封因摩擦磨損失效Fig.5 Failure of mechanical seal due to friction and wear

⑥加工與設(shè)計(jì)：目前機(jī)械密封槽型的制造刻畫(huà)主要依靠激光加工技術(shù)。激光加工具有精度高、熱變形小、易于切割等特點(diǎn)，但是由于激光技術(shù)的限制及槽深、槽型等要求（μm 級(jí)別），仍會(huì)帶來(lái)槽型加工誤差，例如一般槽深誤差仍在1~2 μm，這對(duì)于僅有幾微米深度的淺槽加工而言是不能忽視的。誤差由總體定位誤差和加工技術(shù)誤差兩部分構(gòu)成。賈謙等[16]以動(dòng)環(huán)表面的螺旋槽為研究對(duì)象，分析了螺旋槽誤差的來(lái)源，將誤差分為槽半徑誤差、槽深誤差、螺旋角誤差和槽臺(tái)寬比誤差4 種，分析了制造誤差對(duì)開(kāi)啟力、泄漏量、摩擦阻力矩和膜厚的影響，并通過(guò)改變與控制設(shè)計(jì)參數(shù)（槽數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)）進(jìn)行一定的改良。除此之外，在加工設(shè)計(jì)中考慮微窩(圓形、橢圓形、三角形、矩形)、微槽和微網(wǎng)格設(shè)計(jì)以特定圖案來(lái)改善界面特性[17?18]。實(shí)驗(yàn)中，比較了微窩、微槽和微網(wǎng)格對(duì)摩擦磨損性能的影響[19],結(jié)果表明微槽、微窩和微網(wǎng)格的磨損率有效降低（分別降低約18%、37%和57%）。萬(wàn)軼[20]以碳化硅定子式樣，采用環(huán)對(duì)環(huán)式高速密封裝置，實(shí)驗(yàn)表明隨著織構(gòu)面積密度和織構(gòu)深度的增加，所有織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)均低于未織構(gòu)表面，但摩擦系數(shù)的降低往往伴隨著泄漏率的增加。綜合來(lái)看，提高加工設(shè)計(jì)精度、技術(shù)能有效改善密封參數(shù)，提升密封性能。

⑦性?xún)r(jià)比：對(duì)于投入到實(shí)際應(yīng)用的密封元件，除本身材料性能的優(yōu)劣外，對(duì)于成本、使用壽命、功率消耗的綜合考量也是研究人員、企業(yè)所要注意的。目前常見(jiàn)的使用材料為石墨（靜環(huán)）、碳化硅、鑄鐵、碳鋼等高性?xún)r(jià)比材料。

⑧主要評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)：對(duì)于密封效果除上述內(nèi)部因素以外，如開(kāi)啟力、液膜剛度等是從外部通過(guò)改變參數(shù)影響密封效果，一般來(lái)說(shuō)開(kāi)啟力越大，形成的動(dòng)壓效應(yīng)越好，液膜剛度越大，磨損量越少。

3 機(jī)械密封常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 機(jī)械密封失效

對(duì)于機(jī)械密封元件來(lái)說(shuō)，使用平均壽命為2~3年，機(jī)械密封失效會(huì)降低試件的使用壽命。失效主要原因?yàn)閯?dòng)環(huán)與靜環(huán)的擠壓磨損故障。結(jié)合上節(jié)所提到的因素，機(jī)械密封失效原因包括化學(xué)損壞、熱損壞和機(jī)械損壞，表現(xiàn)為磨損、腐蝕和過(guò)熱等。

密封沖洗系統(tǒng)存在的問(wèn)題及密封腔溫度過(guò)高是造成機(jī)械密封失效的主要原因，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行工件檢測(cè)（壓力、溫度、磨損）、維護(hù)管理，改善工作環(huán)境。主要的問(wèn)題有：壽命難以預(yù)測(cè)、突發(fā)性失效等，摩擦機(jī)械密封的實(shí)際磨損情況和端面狀態(tài)還未得到有效的解釋研究。

3.2 液膜空化

液膜是端面間維持一層極薄的液體膜，具有密封的作用，同時(shí)具有液膜動(dòng)壓力與靜壓力，起到平衡壓力潤(rùn)滑端面作用。液膜空化指液膜局部氣化形成氣泡，進(jìn)一步產(chǎn)生空蝕。液膜空化的產(chǎn)生對(duì)液膜壓力的載荷、分布及穩(wěn)定性有較大影響。密封界面間膜厚分布說(shuō)明密封端面綜合變形在徑向上不是線(xiàn)性分布[21]。

對(duì)于液膜空化的研究：空化現(xiàn)象在一定程度上存在，這是端面張開(kāi)的重要原因，對(duì)減少端面泄漏和摩擦有一定作用。李振濤等[22]基于JFO 空化模型和坐標(biāo)變換建立其數(shù)學(xué)模型，并利用有限體積法離散解，表明空化壓力的增加可以提高液膜承載力，但增加幅度較小，對(duì)摩擦力矩的影響可以忽略。然而，在液膜發(fā)生嚴(yán)重氣蝕時(shí)，會(huì)導(dǎo)致流體動(dòng)力潤(rùn)滑失效和壁面氣蝕，影響密封性能和密封材料的使用壽命。孟祥凱等[23]分析了擾動(dòng)條件下空化對(duì)機(jī)械密封動(dòng)力學(xué)的影響。劉鳴等[24]基于馬爾可夫空化算法求解了考慮空化效應(yīng)的動(dòng)載滑動(dòng)軸承液膜動(dòng)態(tài)特性，證實(shí)了空化因子會(huì)影響液膜的動(dòng)態(tài)特性。機(jī)械密封空化的理論模型和實(shí)驗(yàn)研究還很不成熟和完善。為了有效控制氣蝕程度，提高密封性能，避免氣蝕引起的失效和氣蝕，必須深入研究氣蝕的影響因素及其相互關(guān)系。

3.3 密封檢測(cè)

由于機(jī)械密封件裝配復(fù)雜，不能多次拆卸，如何在不影響作業(yè)前提下進(jìn)行密封檢測(cè)。首先,要明確發(fā)生泄漏的幾個(gè)常見(jiàn)階段：測(cè)試時(shí)的泄漏量、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的周期性泄漏量、突發(fā)情況時(shí)的泄漏量。對(duì)于密封的檢測(cè)，主要通過(guò)振動(dòng)信號(hào)頻譜，從外部檢測(cè)內(nèi)部的壓力溫度變化，在使用前工件運(yùn)行的參數(shù)要在規(guī)定值以下，并監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)體本身偏差在運(yùn)轉(zhuǎn)中引起的滲漏，有必要了解操作條件、溫度、壓力等，以及對(duì)輔助密封膨脹的具體影響[25]。依據(jù)密封介質(zhì)的形狀、狀態(tài)和工作條件進(jìn)行選擇后，制定相應(yīng)的操作規(guī)程，規(guī)定沖洗時(shí)間、介質(zhì)和溫度控制范圍。試運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)試運(yùn)行效果進(jìn)行合理的參數(shù)調(diào)整，在端面間通過(guò)氣壓或循環(huán)液進(jìn)行密封檢測(cè)；可結(jié)合關(guān)閉泵的閥門(mén)形成封閉腔室進(jìn)行密封測(cè)試。引入有限差分法、有限元、流體力學(xué)等方法進(jìn)行模擬測(cè)試[26]。實(shí)際檢測(cè)方法有熱電偶測(cè)溫法（溫度）、微型壓力傳感器（壓力）、電容法（間隙）。在正常運(yùn)行狀態(tài)下繼續(xù)觀察密封效果和存在的問(wèn)題，進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整，充分考慮各種因素，綜合分析介質(zhì)、壓力、密封面、密封形式等條件。根據(jù)磨損痕跡分析故障原因，并考慮腐蝕、橡膠密封圈失效等因素。

4 機(jī)械密封未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 機(jī)械密封智能化

機(jī)械智能化伴隨德國(guó)工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025等國(guó)內(nèi)外智能制造的概念成為當(dāng)今工業(yè)機(jī)械發(fā)展的重要趨勢(shì)，機(jī)械密封智能化作為裝備智能化的一部分能有效解決機(jī)械密封現(xiàn)有問(wèn)題，是機(jī)械技術(shù)與人工智能、信息技術(shù)、材料科學(xué)等的相互交叉。楊華勇[27]對(duì)工程機(jī)械的智能化進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)做了闡述，認(rèn)為工程機(jī)械的智能化體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化、感知、分析、決策和控制5 個(gè)方向[28]，并且依次經(jīng)歷4 個(gè)發(fā)展階段：面向傳感器輔助、分級(jí)規(guī)劃、自動(dòng)控制、自我學(xué)習(xí)；面向單一環(huán)節(jié)自主作業(yè)；面向全通用自主作業(yè)；面向集群智能化作業(yè)。在機(jī)械密封領(lǐng)域，智能這一概念主要應(yīng)用于檢測(cè)、控制系統(tǒng)、運(yùn)行情況的及時(shí)反饋以及問(wèn)題的處理。

目前普遍的設(shè)計(jì)構(gòu)想是植入監(jiān)測(cè)，將傳感器安裝在機(jī)械密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)而獲得傳出的電信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而將密封腔內(nèi)物理量在外被測(cè)量[29?30]，測(cè)量參數(shù)包括密封環(huán)溫度、動(dòng)靜環(huán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)、液膜厚度、膜壓等。但對(duì)于機(jī)械密封所面對(duì)的端面變形目前仍無(wú)有效進(jìn)展。檢測(cè)系統(tǒng)本身存在的問(wèn)題仍需克服，如信號(hào)在復(fù)雜工況接收反饋持續(xù)性、植入系統(tǒng)后對(duì)機(jī)械密封固有特性的破壞以及智能帶來(lái)的便利之間的平衡。目前相關(guān)工業(yè)CT 檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)陸續(xù)投入使用。

可以預(yù)見(jiàn)，對(duì)于機(jī)械密封智能未來(lái)趨勢(shì)和發(fā)展將會(huì)從實(shí)驗(yàn)室走向使用生產(chǎn)階段，不僅可以面對(duì)單一問(wèn)題、復(fù)雜問(wèn)題的處理及潛在危險(xiǎn)的預(yù)警，還可以成為高度自治、深度交互反饋、具有學(xué)習(xí)能力的交互系統(tǒng)[31]。

4.2 新型密封形式

機(jī)械密封雖然仍作為一種主流密封形式，如同機(jī)械密封取代以往密封形式（迷宮、刷式）一樣，未來(lái)必會(huì)出現(xiàn)更高效的密封形式來(lái)代替機(jī)械密封。機(jī)械密封難以從根本上解決摩擦磨損、使用壽命問(wèn)題。非接觸式機(jī)械密封指由于流體靜壓或動(dòng)壓作用,在密封端面間充滿(mǎn)一層完整的流體膜而使密封端面彼此分離，不存在硬性固相接觸的機(jī)械密封。非接觸式機(jī)械密封按密封面流體膜是靜壓流體膜或動(dòng)壓流體膜，分為流體靜壓式或流體動(dòng)壓式機(jī)械密封[32]。密封端面可通過(guò)流體靜壓或動(dòng)壓形成力封閉的密封空間，實(shí)現(xiàn)可控的泄漏量，達(dá)到無(wú)磨損或很小的磨損量，為機(jī)械密封研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[33]。目前非接觸密封主要有干氣密封、磁流體密封等，對(duì)其他密封形式的了解對(duì)整體密封行業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

干氣密封屬于非接觸式機(jī)械密封，是在機(jī)械密封基礎(chǔ)上將螺旋槽理論與流體液膜的作用結(jié)合起來(lái)。干氣密封主要研究方向有開(kāi)槽、流場(chǎng)計(jì)算（基于滑移邊界）、氣膜密封穩(wěn)定性、特性參數(shù)研究等[34]。螺旋槽局部圖如圖6、7 所示。目前項(xiàng)目組主要研究為螺旋槽干氣密封[35?37]、超臨界二氧化碳干氣密封[38]。開(kāi)槽分類(lèi)（柱面密封與端面密封），將微尺度流體力學(xué)及非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于螺旋槽干氣密封內(nèi)部氣體流場(chǎng)中，探尋微尺度下流動(dòng)的內(nèi)部因素對(duì)干氣密封槽型優(yōu)化[39]。

圖6 螺旋槽干氣密封仿真流體計(jì)算域（約放大1 000 倍）Fig.6 Spiral groove dry gas seal simulation fluid computa?tional domain (Approximate magnification 1 000 X）

磁流體是磁性納米顆粒懸浮在載體液體[40]中的膠體懸浮液。使用磁流體的優(yōu)點(diǎn)是它可以通過(guò)外部磁場(chǎng)來(lái)控制[41]。磁流體密封的工作原理：將磁流體導(dǎo)入永磁體、極靴和轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成磁路的間隙中，極靴內(nèi)部通常由幾個(gè)凹形環(huán)狀回路構(gòu)成，磁流體會(huì)形成數(shù)個(gè)類(lèi)似“O”型圈，被密封介質(zhì)對(duì)磁流體產(chǎn)生壓力，磁流體在壓差的作用下移動(dòng)，不均勻磁場(chǎng)對(duì)磁流體的作用使磁流體產(chǎn)生對(duì)抗壓差的磁力而達(dá)到壓力平衡，密封作用由此實(shí)現(xiàn)。磁流體密封結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖7 螺旋槽干氣密封局部熱點(diǎn)Fig.7 Local hot spot diagram of spiral groove dry gas seal

圖8 磁流體密封結(jié)構(gòu)Fig.8 Magnetic fluid seal structure drawing

磁性流體密封技術(shù)應(yīng)用是基于磁性流體的旋轉(zhuǎn)軸密封，在對(duì)真空度要求較高的機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用較多，與其他常規(guī)密封相比，磁性流體密封的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、密封性能高。磁性流體密封裝置的固體部件之間沒(méi)有任何接觸，因此也沒(méi)有密封之間的摩擦磨損，且基本無(wú)需維護(hù)。

4.3 組合密封技術(shù)

對(duì)于不同類(lèi)型的密封技術(shù)，可以整合發(fā)揮其不同的優(yōu)勢(shì)，如干氣密封與機(jī)械密封之間的串聯(lián)使用，以串聯(lián)式密封和雙端面密封為基礎(chǔ)。

磁流體密封與機(jī)械密封的新型組合密封[42]的耐壓能力高于磁性液體單獨(dú)密封的密封耐壓能力，拓寬了流體動(dòng)壓密封原理的應(yīng)用范圍。將磁性液體密封技術(shù)應(yīng)用于密封液體介質(zhì)，可以成為解決一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的重要突破口，但現(xiàn)在尚未廣泛應(yīng)用，目前還處在試驗(yàn)階段。

從組合密封墊圈開(kāi)始，研究將幾種密封方式組合起來(lái)發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，進(jìn)而應(yīng)用于高要求的復(fù)雜工況（如深海、航空、航天等），除了防止泄漏外，還能起到多重保險(xiǎn)的作用[43]。組合式密封優(yōu)點(diǎn)為：安全性顯著提高；發(fā)生損壞時(shí)，備用密封會(huì)起到阻擋作用；無(wú)需大量緩沖氣提升壓力。

近年來(lái)，針對(duì)極端工況，使用壽命長(zhǎng)的組合密封成為了行業(yè)又一研究方向。孫玲等[44]采用端面密封和間隙密封相配合的密封形式的超高壓旋轉(zhuǎn)清洗盤(pán)，實(shí)現(xiàn)200 MPa 超高壓力下的可靠密封。韓傳軍等[45?48]對(duì)不同形狀的組合密封進(jìn)行了仿真研究，優(yōu)化組合密封結(jié)構(gòu)。趙樂(lè)等[49]設(shè)計(jì)完成了以直徑100 mm 的軸及旋轉(zhuǎn)組合密封圈為對(duì)象進(jìn)行密封性能試驗(yàn)的裝置，較好實(shí)現(xiàn)了高壓力下靜態(tài)與動(dòng)態(tài)密封性能測(cè)試，提高了密封性能，豐富了密封性能的分析方法密封組合技術(shù)在實(shí)用新型與實(shí)際應(yīng)用上將會(huì)更為廣泛。

5 結(jié) 論

綜上所述，近年來(lái)國(guó)內(nèi)機(jī)械密封技術(shù)在理論研究、實(shí)際應(yīng)用中取得了較大的發(fā)展。

（1）對(duì)于機(jī)械密封常見(jiàn)的問(wèn)題仍是研究者們需要長(zhǎng)期關(guān)注、解決的問(wèn)題，如摩擦界面溫度分布分形模型、磨損分形模型、湍流模型構(gòu)建等。對(duì)于變工況等理論問(wèn)題還停留在假設(shè)層面，目前研究趨勢(shì)在于摩擦振動(dòng)的分形行為研究。在加快推動(dòng)密封件產(chǎn)業(yè)成果產(chǎn)業(yè)化，夯實(shí)工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)的背景下，自主研發(fā)領(lǐng)域?qū)?huì)得到更大的關(guān)注。

（2）對(duì)極端工況（高溫、高壓、真空等）條件下的密封性能、常規(guī)工況下使用壽命、穩(wěn)定性等提出了更高的要求。

（3）在機(jī)械密封可控層面上，機(jī)械密封智能化與密封組合成為未來(lái)機(jī)械密封的研究重點(diǎn)，為推動(dòng)機(jī)械密封行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)學(xué)科聯(lián)動(dòng)。