李 香 劉 杰 李鳳成 鄭國(guó)運(yùn)

(合肥通用機(jī)械研究院)

特殊工況機(jī)械密封試驗(yàn)研究

李 香 劉 杰 李鳳成 鄭國(guó)運(yùn)

(合肥通用機(jī)械研究院)

對(duì)機(jī)械密封在機(jī)械油不足的工況下進(jìn)行性能試驗(yàn)研究，對(duì)比分析機(jī)械密封摩擦副寬度和密封環(huán)端面槽型對(duì)密封性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：減小密封端面寬度和改變密封環(huán)端面開(kāi)槽均可以有效降低密封腔溫升；端面刻有圓弧深槽的密封能在短時(shí)間內(nèi)滿足機(jī)械油不足的工況，但不能長(zhǎng)時(shí)間適用于此工況；端面刻有月牙深槽的密封既能滿足正常工況運(yùn)轉(zhuǎn)要求，又能承受較長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械油不足的特殊工況。

機(jī)械密封 機(jī)械油不足 圓弧深槽 月牙深槽

機(jī)械密封作為各類泵、反應(yīng)合成釜及透平壓縮機(jī)等設(shè)備的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接影響主機(jī)的性能和安全性。常見(jiàn)機(jī)械密封的摩擦副一般處于混合摩擦和液體摩擦狀態(tài)[1]。對(duì)于某些特殊場(chǎng)合，由于使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)的限制，機(jī)械密封的摩擦副處于邊界摩擦狀態(tài)或者干摩擦狀態(tài)，造成密封端面摩擦系數(shù)增大和磨損加劇的情況，導(dǎo)致密封環(huán)燒損或熱應(yīng)力開(kāi)裂，從而使密封失效[2]。吳兆山等介紹了一種干摩擦機(jī)械密封的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該種機(jī)械密封的性能能夠滿足使用要求[3]。因此，通過(guò)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)和摩擦副選材，可以使機(jī)械密封長(zhǎng)時(shí)間在摩擦副潤(rùn)滑工況較差的場(chǎng)合正常運(yùn)轉(zhuǎn)。筆者通過(guò)試驗(yàn)研究的方法，分析幾種機(jī)械密封在機(jī)械油不足工況下的密封性能，優(yōu)化機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和密封端面參數(shù)，研發(fā)出能在機(jī)械油不足工況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械密封。

1 機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試密封

1.1 機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)

機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示，由試驗(yàn)臺(tái)主體系統(tǒng)和試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成。試驗(yàn)臺(tái)主體系統(tǒng)主要包括交流電機(jī)、軸承箱、密封腔體及試驗(yàn)臺(tái)架等硬件設(shè)施?？刂葡到y(tǒng)主要由變頻器，壓力、溫度、扭矩及轉(zhuǎn)速等傳感器和主控制柜組成。

1.2 被測(cè)機(jī)械密封

以軸徑45mm的機(jī)械密封作為試驗(yàn)對(duì)象，機(jī)械密封摩擦副材料選用碳化硅對(duì)石墨，其結(jié)構(gòu)如圖2a所示，針對(duì)油量不足的工況，為了增強(qiáng)潤(rùn)滑效果，在靠近密封端面的動(dòng)環(huán)座上增加了甩油環(huán)，如圖2b所示。將被試機(jī)械密封裝入試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)主要測(cè)試的參數(shù)為密封腔溫升和泄漏量。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)主要模擬沖洗油中斷，密封腔機(jī)械油不足且無(wú)循環(huán)冷卻的極端工況，密封腔油位約在摩擦副密封環(huán)端面1/2處(圖3)。

圖3 密封腔油位示意圖

試驗(yàn)參數(shù)如下：

試驗(yàn)介質(zhì) 機(jī)械油

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速 3 000r/min

試驗(yàn)壓力 常壓

彈簧比壓 0.2MPa

2.2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 試驗(yàn)1

正常工況密封介質(zhì)為機(jī)械油，潤(rùn)滑效果良好，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]，密封環(huán)寬度選用3.0mm，摩擦副外徑54.5mm，內(nèi)徑48.5mm。密封介質(zhì)不足會(huì)導(dǎo)致密封環(huán)潤(rùn)滑效果不足，且由于無(wú)循環(huán)沖洗，密封端面間摩擦熱和密封攪拌熱使得密封腔溫度不斷升高。傳統(tǒng)的機(jī)械密封在這種工況下容易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或熱裂等，會(huì)導(dǎo)致密封失效，而通過(guò)密封環(huán)端面開(kāi)槽可有效改善端面的潤(rùn)滑狀況?；诖耍瑒?dòng)環(huán)采用不開(kāi)槽和開(kāi)槽兩種形式分別進(jìn)行試驗(yàn)。型槽機(jī)械密封有深槽和淺槽(微米級(jí))兩種，淺槽多用于干氣密封或上游泵送機(jī)械密封，密封端面間處于完全非接觸狀態(tài)，泄漏量較大，而且淺槽對(duì)密封液要求很高，如密封液含有固體顆粒，將會(huì)造成密封液在淺槽內(nèi)的堵塞，引起密封失效[5～7]。因此，淺槽機(jī)械密封不適用于此工況，本試驗(yàn)選用密封端面刻有圓弧深槽的密封環(huán)，如圖4所示，槽深1mm。

圖4 圓弧深槽密封環(huán)

按照試驗(yàn)條件對(duì)兩密封進(jìn)行試驗(yàn)，分別運(yùn)轉(zhuǎn)1h，兩密封均無(wú)滲漏或泄漏現(xiàn)象。圖5表示兩密封運(yùn)行1h后的密封腔溫升。從圖中可以看出，不開(kāi)槽密封的密封腔溫升為29.0℃，端面開(kāi)圓弧深槽密封的密封腔溫升為27.5℃。試驗(yàn)證明，密封環(huán)端面開(kāi)槽有助于降低密封腔溫升。因密封腔溫升較高，需進(jìn)一步對(duì)該密封環(huán)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 兩種端面結(jié)構(gòu)的密封環(huán)運(yùn)行1h后的密封腔溫升

2.2.2 試驗(yàn)2

維持圓弧深槽密封環(huán)外徑不變，密封環(huán)內(nèi)徑變?yōu)?9.0mm，改變彈簧壓縮高度，使彈簧比壓維持在0.2MPa，按照試驗(yàn)條件重新進(jìn)行試驗(yàn)。圖6表示不同內(nèi)徑運(yùn)轉(zhuǎn)1h后的密封腔溫升。從圖中可以看出，密封腔溫升為22.5℃。此時(shí)，密封腔溫升比密封環(huán)內(nèi)徑為48.5mm時(shí)，降低了5℃。試驗(yàn)表明，減小密封端面寬度可有效降低密封腔溫升。保持試驗(yàn)參數(shù)不變繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)7h后密封有滲漏，表明深槽圓弧槽密封能在短時(shí)間內(nèi)滿足機(jī)械油不足的工況，但不能長(zhǎng)時(shí)間適用于此工況。

圖6 兩種內(nèi)徑的密封環(huán)運(yùn)行1h后的密封腔溫升

2.2.3 試驗(yàn)3

根據(jù)試驗(yàn)2結(jié)果，減小密封摩擦副寬度可有效降低密封腔溫升，因此將不開(kāi)槽密封的摩擦副寬度降為2mm，外徑54.5mm，內(nèi)徑50.5mm，按試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。圖7表示不同端面寬度密封運(yùn)轉(zhuǎn)1h后的密封腔溫升。由圖可知，摩擦副寬度2mm的密封腔溫升為24℃，比原摩擦副寬度3mm的密封腔溫度降低了5℃。保持試驗(yàn)參數(shù)不變，運(yùn)轉(zhuǎn)10h后密封出現(xiàn)泄漏。

圖7 兩種端面寬度的密封環(huán)運(yùn)行1h后的密封腔溫升

2.2.4 試驗(yàn)4

維持摩擦副寬度2mm，改變密封環(huán)外徑的型槽為月牙深槽，槽深1mm，如圖8所示。按照試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)50h無(wú)泄漏，試驗(yàn)表明該密封能長(zhǎng)時(shí)間滿足潤(rùn)滑油不足的工況。

圖8 月牙深槽密封環(huán)

降低密封腔內(nèi)機(jī)械油的液位，使密封腔油位低于密封環(huán)配合端面，通過(guò)動(dòng)環(huán)座上的甩油環(huán)甩油對(duì)密封進(jìn)行潤(rùn)滑，運(yùn)轉(zhuǎn)10h無(wú)泄漏，拆開(kāi)密封發(fā)現(xiàn)端面完好。重新將密封裝在試驗(yàn)臺(tái)上，密封腔內(nèi)加滿油，模擬油量充足的正常工況，進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，密封無(wú)泄漏情況。試驗(yàn)證明該月牙深槽密封既能滿足正常工況運(yùn)轉(zhuǎn)要求，又能承受較長(zhǎng)時(shí)間油量不足的特殊工況。

3 結(jié)論

3.1 以試驗(yàn)為手段，研究機(jī)械密封在機(jī)械油不足的特殊工況下的密封性能，試驗(yàn)表明，通過(guò)減小密封端面寬度和改變密封環(huán)端面開(kāi)槽均可有效降低密封腔溫升；在機(jī)械密封結(jié)構(gòu)合理的情況下，深槽圓弧槽密封能短時(shí)間滿足機(jī)械油不足的工況，但不能長(zhǎng)時(shí)間適用于此工況，月牙深槽密封既能滿足正常工況運(yùn)轉(zhuǎn)要求，又能承受較長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械油不足的特殊工況。

3.2 本試驗(yàn)研究過(guò)程，可為類似工況機(jī)械密封設(shè)計(jì)方向提供一種優(yōu)化方法和方向。筆者只從試驗(yàn)方面對(duì)機(jī)械密封極端工況進(jìn)行了研究，建議下一步從理論方面進(jìn)行更深入的機(jī)理研究。

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ExperimentalStudyofMechanicalSealunderSpecialWorkingConditions

LI Xiang, LIU Jie, LI Feng-cheng, ZHENG Guo-yun
(HefeiGeneralMachineryResearchInstitute)

Performance test of mechanical seal under the condition of insufficient machine oil was implemented, including comparatively analyzing the influence of seal face width and groove parameters on the sealing performance. Test results show that, decreasing the seal face’s width and changing the groove of seal ring can effectively reduce the sealing cavity’s temperature rise; and the seal with deep arc groove can meet the oil shortage in a short time and that with deep crescent groove can meet both normal condition and the condition short of machine oil for long time.

mechanical seal, short of machine oil,deep arc groove, deep crescent groove

李香(1981-)，工程師，從事流體動(dòng)密封研究，junelixiang@163.com。

TQ055

A

0254-6094(2017)02-0153-04

2016-03-09，

2016-11-16)