(江蘇省過程強化與新能源裝備技術(shù)重點實驗室,南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 江蘇南京 211816)

機械密封是動密封中應(yīng)用最多的型式，密封性能可靠、壽命長[1]。結(jié)構(gòu)一定并且處于正常工況下的機械密封，其密封性能較為穩(wěn)定,但是在遇到介質(zhì)壓力變化、轉(zhuǎn)速突變等工況波動時，普通的機械密封本身并不具備及時調(diào)節(jié)和應(yīng)變的能力，會導(dǎo)致潤滑密封失效。周劍鋒[2]提出采用磁流體作為端面潤滑介質(zhì)的設(shè)想，利用黏度可控的原理來實現(xiàn)密封環(huán)端面的可控動壓潤滑。由于磁流體動壓潤滑特性的影響因素多，潤滑機制仍不明確。為此，有必要進一步研究轉(zhuǎn)速、磁場強度等因素對磁流體動壓潤滑效應(yīng)的影響規(guī)律，為實現(xiàn)磁流體動壓潤滑性能的自適應(yīng)控制提供依據(jù)。

本文作者以螺旋槽非接觸式機械為原型，設(shè)計制造了一臺立式非接觸式機械密封試驗裝置，將磁流體作為密封環(huán)端面的潤滑介質(zhì)[3]，研究操作參數(shù)對密封性能的影響規(guī)律[4]，并基于Muijderman窄槽理論[5]，提出磁流體動壓潤滑特性的解析計算方法，為磁流體動壓潤滑性能的預(yù)測提供了一種可靠的方法。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

立式試驗密封機主要由機械系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)主要是由機架、轉(zhuǎn)軸組件、密封系統(tǒng)、軸向升降裝置等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。該裝置能夠完成不同磁場強度、介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速的試驗工況下，密封環(huán)端面間磁流體潤滑特性參數(shù)的測試。

圖1 立式機械密封試驗機示意圖Fig 1 Assembly drawing of vertical mechanical seal testrig

1.2 試驗原理

試驗機主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由變頻器控制電機轉(zhuǎn)速(即動環(huán)轉(zhuǎn)速)。采用泵將磁流體送入密封端面，電機轉(zhuǎn)動時，由于動環(huán)端面螺旋槽的泵送效應(yīng)，磁流體由外徑向內(nèi)徑方向流動。在動壓效應(yīng)的作用下，磁流體膜將兩密封端面撐開，起到潤滑作用并在端面形成一定剛度的密封液膜[6]。磁流體膜可將被密封介質(zhì)保持在密封腔內(nèi)。在靜環(huán)端面附近安裝有LK-PT100型號的溫度傳感器，它的測量范圍為0～150 ℃，能夠?qū)崟r測得端面的溫度。ST-GL02型號的電渦流傳感器安裝于靜環(huán)座端面，與靜環(huán)同步運動，它的測量范圍為0～200 μm，可以測得動環(huán)和靜環(huán)兩端面之間相對位移量，即液膜的膜厚。在密封腔的下端裝有AKC-98的中空式壓扭一體傳感器，測量精度達到0.2%，其與靜環(huán)、波紋管串聯(lián)安裝，可以測得端面之間的摩擦扭矩和端面壓緊力。

圖2 動壓潤滑試驗機主體結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of test rig

1.3 試驗標準

考慮到導(dǎo)磁的需要，動環(huán)、靜環(huán)的材料為304不銹鐵[7]，由金屬波紋管提供動靜環(huán)兩端面所需的壓緊力。選用黏度為70 mPa·s的磁流體作為潤滑介質(zhì)。參照GB/T 14211-2010機械密封試驗方法，改變轉(zhuǎn)速n、密封介質(zhì)壓力pi、磁場強度H等參數(shù)[8]，進行端面潤滑性能試驗，測量動靜環(huán)端面的溫度t、摩擦扭矩M、膜厚h、介質(zhì)泵送量Q等參數(shù)。

1.4 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中，參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍為：轉(zhuǎn)速1 500～3 500 r/min，密封腔壓力0.1～0.5 MPa，磁場強度50～70 A/m。

如圖3所示，在密封動環(huán)上開設(shè)螺旋槽，由于動環(huán)密封端面上槽型呈中心對稱分布，槽數(shù)為12。

圖3 開設(shè)有外螺旋槽的動環(huán)端面Fig 3 End face of rotating ring with spiral grooves

密封環(huán)幾何參數(shù)列于表1中，其中rg為螺旋槽槽底半徑，ri為動環(huán)端面內(nèi)側(cè)半徑，ro為動環(huán)端面外側(cè)半徑，hg為槽深，α為螺旋角，Ng為槽數(shù)，ζ為堰區(qū)與槽區(qū)寬度比。

表1 密封環(huán)動環(huán)幾何參數(shù)

1.4.1 轉(zhuǎn)速對摩擦扭矩、泵送量、膜厚的影響

參考文獻[9]的試驗轉(zhuǎn)速范圍，改變轉(zhuǎn)速進行試驗，試驗結(jié)果如圖4和5所示，介質(zhì)壓力pi=0，磁場強度H=0。從圖5中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槽的泵送效應(yīng)增強，泵入端面的磁流體量增多，因此泵送量變大。如果不考慮磁流體膜黏性耗散引起的黏度降低，潤滑膜的厚度會隨轉(zhuǎn)速的升高而升高。但試驗發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速升高時，液膜厚度反而減小,如圖4所示。這是因為，隨著轉(zhuǎn)速的升高，黏性耗散引起了液膜溫度升高，如圖6所示，黏度下降，液膜厚度需要減小才能提高足夠的動壓與閉合力抗衡。摩擦扭矩受液膜厚度、黏度和轉(zhuǎn)速的共同影響，圖4表明，摩擦扭矩與轉(zhuǎn)速近似呈線性關(guān)系，根據(jù)牛頓剪切定律，轉(zhuǎn)速對摩擦扭矩起了決定性作用。

圖4 摩擦扭矩、膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig 4 Variation of friction torque and film thickness with rotating speed

圖5 泵送量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律 Fig.5 Variation of pumping quantity with rotating speed

圖6 溫度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Fig 6 Variation of temperature with rotating speed

1.4.2 介質(zhì)壓力對摩擦扭矩、泵送量、膜厚的影響

轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 500 r/min，改變被密封介質(zhì)(氮氣)壓力進行試驗，試驗結(jié)果如圖7和8所示。當(dāng)介質(zhì)壓力pi小于0.3 MPa時，隨著介質(zhì)壓力的增加，膜厚減小、摩擦扭矩增大，泵送量持續(xù)增大。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增大介質(zhì)壓力時，端面間的漏氣現(xiàn)象明顯，這說明由于磁流體黏度較大，流動性不佳，液膜不完整、有空隙，部分螺旋槽失去泵送效應(yīng)，液膜的承載力減弱，在閉合力的作用下，液膜厚度減小。膜厚的減小進一步導(dǎo)致摩擦熱增加，液膜黏度減小，磁流體的流動性增強。雖然部分螺旋槽失去泵送效應(yīng)，但總體泵送量增大。

當(dāng)介質(zhì)壓力大于0.3 MPa時，液膜動壓不足以抵抗介質(zhì)壓力，液膜失去完整性，動靜環(huán)端面被介質(zhì)壓力撐開，測得的液膜厚度急劇增大，摩擦扭矩下降，泵送量增加。

圖7 摩擦扭矩、膜厚隨介質(zhì)壓力的變化規(guī)律Fig 7 Variation of friction torque and film thickness with medium pressure

圖8 泵送量隨介質(zhì)壓力的變化規(guī)律Fig 8 Variation of pumping quantity with medium pressure

1.4.3 磁場強度對摩擦扭矩、泵送量、膜厚的影響

試驗所用磁流體的黏度與磁場強度的關(guān)系[10]如圖9所示。

圖9 磁流體黏度隨磁場強度的變化規(guī)律Fig 9 Variation of magnetic fluid viscosity with magnetic field intensity

轉(zhuǎn)速n仍設(shè)定為2 500 r/min、介質(zhì)壓力pi為0.3 MPa，通過調(diào)節(jié)磁場發(fā)生器的電流改變磁場強度進行試驗。試驗結(jié)果如圖10和11所示。由圖10可知，隨著磁場強度的增加，膜厚減小，摩擦扭矩增大。這是因為，雖然磁場強度增大引起磁流體膜黏度增大，但黏度的增大又導(dǎo)致摩擦熱增加，液膜溫度升高，黏度反而減小。為了平衡閉合力，液膜厚度減小。圖11顯示，隨著磁場強度的增大，磁流體泵送量減少。

圖10 摩擦扭矩、膜厚隨磁場強度的變化規(guī)律Fig 10 Variation of friction torque and film thickness with magnetic field intensity

圖11 泵送量隨磁場強速的變化規(guī)律Fig 11 Variation of pumping quantity with magnetic field intensity

2 流體動壓潤滑狀態(tài)下的液膜特性參數(shù)的解析計算

2.1 磁流體動壓潤滑狀態(tài)下液膜特性參數(shù)的解析計

算方法

由于磁流體價格昂貴，其動壓潤滑性能的影響因素眾多、機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜[11]，僅通過試驗方法獲得操作參數(shù)對潤滑和密封性能的影響規(guī)律成本較高，有必要對磁流體潤滑和密封性能參數(shù)進行理論分析。

為了驗證試驗得出的端面潤滑性能參數(shù)的可靠性，選取端面端面螺旋槽作為研究對象，根據(jù)文獻[2]介紹的方法，選取圖12所示的一個周期的螺旋槽模型，將槽和堰的徑向?qū)挾仍O(shè)為b并展開，其中θ為液膜周向坐標，r為徑向坐標，z為厚度方向坐標，h1為堰區(qū)膜厚，h2為槽區(qū)膜厚，m1為堰寬度，m2為槽寬度，α為螺旋角，u為上壁面沿x負方向的運動速度[12]。

圖12 密封環(huán)端面間的液膜模型Fig 12 Model of liquid film between end faces of sealing rings

忽略液膜厚度方向上的壓力梯度，其壓力分布方程[2]為

(1)

式中：po為大氣壓力；Q為介質(zhì)泵送量；ro為液膜外半徑;k1、k2計算公式為

k2=

根據(jù)機械密封上游泵送原理[13]，由于動壓效應(yīng)存在，在螺旋槽底徑處會出現(xiàn)最大的液膜壓力，此處壓力直接反應(yīng)液膜所能承受的最大壓力。根據(jù)式(1)，螺旋槽槽底徑的液膜壓力為

pg=

介質(zhì)泵送量Q為

(2)

摩擦扭矩M為

(3)

式中:n為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速;ω為動環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度(ω=2πn);pi為密封環(huán)內(nèi)徑處壓力;pg為密封環(huán)外徑處壓力[2]。

2.2 流體動壓潤滑狀態(tài)下的液膜特性參數(shù)計算結(jié)果

分析

采用式(2)(3)計算得到了不同磁場強度下的摩擦扭矩和潤滑介質(zhì)泵送量。轉(zhuǎn)速n為2 500 r/min，密封介質(zhì)壓力pi為0.3 MPa，膜厚h為7.5 μm，計算得到了摩擦扭矩、泵送量隨磁場強度的變化規(guī)律，如圖13所示。

圖13 摩擦扭矩、泵送量解析計算結(jié)果Fig 13 Analytical results of friction torque and pumping quantity

由圖13可知，潤滑介質(zhì)泵送量隨著磁場強度的增加不斷減小，摩擦扭矩隨著磁場強度的增大不斷增大。解析計算結(jié)果與圖10所示的試驗結(jié)果的基本趨勢一致，但是存在一定的偏差。原因是：(1)推導(dǎo)式(1)時作了一定簡化假設(shè)，如將磁流體的流動過程視為層流穩(wěn)態(tài)，忽略了漩渦和紊流的影響以及介質(zhì)的慣性力和磁流體表面的滑移等因素的影響，且計算時未考慮膜厚變化；(2)試驗工況下，動靜環(huán)的剛度雖然滿足試驗要求，但受裝置加工、安裝精度的限制以及振動的影響[14]，試驗結(jié)果亦存在一定的誤差。

根據(jù)試驗和解析計算結(jié)果可知，磁流體的動壓潤滑性能受磁場強度、轉(zhuǎn)速和密封介質(zhì)壓力的影響，且磁場強度對介質(zhì)泵送量、摩擦扭矩的影響尤為顯著。正常運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速和閉合力作為工作參數(shù)，不能進行實時調(diào)節(jié)以適應(yīng)被密封介質(zhì)壓力波動的需求。因此，作為唯一可調(diào)的參數(shù)，磁場強度的調(diào)節(jié)是控制磁流體動壓效應(yīng)的可行手段。當(dāng)轉(zhuǎn)速或密封介質(zhì)壓力發(fā)生變化時，可以通過調(diào)節(jié)磁場強度使密封性能始終保持在最佳工作范圍，同時解析計算得出的結(jié)果也驗證了試驗結(jié)果的可靠性。

3 結(jié)論

(1)研制了一臺磁流體端面動壓潤滑試驗機，能夠測試摩擦扭矩、液膜厚度、泵送量等參數(shù)，為磁流體動壓潤滑和密封性能研究奠定了基礎(chǔ)。

(2)試驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速越高，動壓效應(yīng)越明顯，摩擦扭矩、泵送量隨之增大，而膜厚隨之減??；端面閉合力一定，介質(zhì)壓力越大，摩擦扭矩、泵送量越大，膜厚越小，當(dāng)介質(zhì)壓力超過0.3 MPa時潤滑失效；摩擦扭矩隨著磁場強度增大而增大，而泵送量和膜厚隨著磁場強度增大而變小。

(3)與試驗結(jié)果對比可知，建立的潤滑特性參數(shù)解析計算方法可以預(yù)測潤滑性能參數(shù)隨磁場強度的變化規(guī)律。