于震遠(yuǎn)

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

從目前的實(shí)際情況來(lái)看，機(jī)械密封對(duì)機(jī)械設(shè)備的重要性逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。隨著產(chǎn)品技術(shù)的不斷提升和節(jié)能要求的逐步提高，對(duì)機(jī)械密封的應(yīng)用要求也不斷攀升。至于機(jī)械密封，它的實(shí)際密封效果會(huì)給整機(jī)帶來(lái)直接影響，特別是在易燃、易爆等介質(zhì)條件下，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)給機(jī)械密封的正常運(yùn)行帶來(lái)直接影響，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

1 機(jī)械密封探討

機(jī)械密封（也稱(chēng)為單面密封）是由垂直于泵軸的一對(duì)或多對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)環(huán)接觸表面組成的密封裝置。相對(duì)旋轉(zhuǎn)以保持附著力并防止由于泵的中壓和補(bǔ)償彈簧力的共同作用而導(dǎo)致的泄漏。它主要用于旋轉(zhuǎn)軸的密封裝置，例如，泵、壓縮機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)器。其主要功能是容易泄漏的軸封改造成難泄漏端面機(jī)械密封。工況下，動(dòng)靜環(huán)之間形成了一層非常薄的液膜，既能實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的密封，又能起到潤(rùn)滑作用，減少摩擦副磨損。

2 機(jī)械密封的特點(diǎn)

機(jī)械密封具有可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。如果機(jī)械密封中的密封填料（密封環(huán)或密封圈）失效，就有發(fā)生泄漏的可能，但是，機(jī)械密封在正常使用的過(guò)程中是不允許出現(xiàn)泄漏的，一旦泄漏，就要更換機(jī)械密封，其具體特點(diǎn)如下：（1）機(jī)械密封將其改換為與軸垂直的端面密封，從而將軟填料、軸和軸套之間的摩擦改換為靜動(dòng)環(huán)之間的摩擦，它和軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不會(huì)與軸、軸套之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，消除了軸與軸套因摩擦產(chǎn)生的損耗。（2）運(yùn)用到實(shí)際中的端面都是被精密的儀器加工過(guò)的，有著非常高的表面粗糙度與平面度，非常有效地提升了密封的效果。（3）定位的方式很特別，能夠保證很高的同心性，減少了偏心導(dǎo)致的損耗。（4）在安裝機(jī)械密封時(shí)，需要計(jì)算機(jī)械密封彈簧壓縮量（集裝式機(jī)械密封除外），同時(shí)，確保結(jié)構(gòu)中使用的密封圈和彈簧有一定的補(bǔ)償能力，因此，對(duì)維修人員技術(shù)要求較高。

3 干氣密封技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 干氣密封的結(jié)構(gòu)

干氣密封件的總體結(jié)構(gòu)由活動(dòng)環(huán)（也稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)環(huán)）、固定環(huán)、定位環(huán)、彈簧座和軸套組成。固定環(huán)固定在不銹鋼彈簧座上，使用的材料是具有自潤(rùn)滑性能的相對(duì)較軟的碳石墨。靜環(huán)不隨軸旋轉(zhuǎn)，而是通過(guò)彈簧和介質(zhì)的力沿軸向移動(dòng)。通常，動(dòng)環(huán)由鎢和碳化硅硬質(zhì)合金（通常使用的碳化鎢和碳化硅）制成，具有高硬度、良好的剛度和很強(qiáng)的耐磨性。動(dòng)環(huán)組件的表面通常被螺旋加工成特定形狀的淺槽?？拷鼉?nèi)徑側(cè)的動(dòng)環(huán)稱(chēng)為密封壩，螺旋槽之間的區(qū)域稱(chēng)為密封磨損。旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封氣體從外徑到中心被吸入動(dòng)壓槽，并且徑向元件被引入密封堰。密封堰起到節(jié)流的作用，壓縮進(jìn)入密封表面的氣體（螺旋槽）并增加壓力。氣流進(jìn)入螺旋槽的根部，并被密封壩阻擋。在結(jié)合氣釘和彈簧力的作用下，當(dāng)關(guān)閉壓力等于氣膜的打開(kāi)壓力時(shí)，形成穩(wěn)定的間隙。

3.2 干氣密封的失效、泄漏分析及相應(yīng)對(duì)策

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。氣體的靜態(tài)壓力和由彈簧力形成的閉合力必須與氣體膜的反作用力相匹配，因此，干式氣密封設(shè)計(jì)可以保持非常穩(wěn)定的2～3微米的氣體膜厚度。當(dāng)結(jié)構(gòu)不合適且動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，間隙過(guò)大，密封件泄漏，間隙過(guò)小，容易引起干摩擦。另外，在動(dòng)環(huán)的槽設(shè)計(jì)中，通常使用螺旋槽，并且由旋轉(zhuǎn)引起的動(dòng)壓效果最大，并且所得的干氣密封氣膜具有最大的剛性和穩(wěn)定性。另外，研究表明，如果將槽壁的厚度設(shè)定為與氣膜厚度相同的順序，則氣膜的密封剛性也最大。如上所述，氣膜的厚度通常最穩(wěn)定在約3微米。當(dāng)動(dòng)靜環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常被設(shè)計(jì)成具有3微米的厚度時(shí)，實(shí)際上，干氣密封件動(dòng)壓槽的壁厚通常在10微米以?xún)?nèi)，即干氣密封件動(dòng)壓槽壁的數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度。密封效果有特殊效果。

（2）安裝干氣密封的失效原因。與普通的機(jī)械密封不同，干式氣體密封在移動(dòng)環(huán)和固定環(huán)的配合表面之間需要相對(duì)穩(wěn)定的間隙，并且通常相對(duì)較薄?？諝饷芊饧s3微米。因此，必須在干氣密封的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)的兩個(gè)配合之間保持清潔、光滑和干燥。干氣密封件的主要故障是由于密封件的污染，而主要的污染源是設(shè)備中的工藝氣體，密封氣源和軸承潤(rùn)滑劑，氣體進(jìn)入封閉腔體時(shí)產(chǎn)生的固體顆粒。注意清潔和干燥配合表面，以確保干凈的安裝環(huán)境，尤其是在安裝過(guò)程中。安裝時(shí)，操作員應(yīng)戴上干凈的手套，安裝后的密封孔應(yīng)干凈干燥，以減少雜質(zhì)。

（3）密封供氣系統(tǒng)失效原因。干氣密封在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間的間隙約為3微米。間隙直接由密封氣體密封，這對(duì)密封氣體供應(yīng)系統(tǒng)提出了更高的要求。不僅在安裝過(guò)程中，而且在使用過(guò)程中，都必須實(shí)現(xiàn)干氣密封件的清潔和干燥。此方法應(yīng)使用專(zhuān)用線(xiàn)路作為密封氣體的來(lái)源，并且密封氣體的壓力和流量不應(yīng)改變。同時(shí)，在進(jìn)入密封面之前，應(yīng)先安裝氣源緩沖罐、粗濾器和細(xì)濾器，以防止雜質(zhì)和液體進(jìn)入密封面，使密封氣體中的雜質(zhì)含量不超過(guò)規(guī)定值。在操作過(guò)程中，應(yīng)注意適當(dāng)提高主密封氣體的溫度，以定期切水和液體，蒸發(fā)主密封氣體的冷凝水，并減少或防止冷凝水的產(chǎn)生。

（4）開(kāi)車(chē)、停車(chē)對(duì)干氣密封的影響。當(dāng)離心壓縮機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)，速度非常慢，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)彼此接觸，并且尚未形成一定厚度的氣膜。這增加了密封表面的磨損。對(duì)于干氣密封的長(zhǎng)期運(yùn)行，應(yīng)避免長(zhǎng)期低速運(yùn)行。在停止或運(yùn)行設(shè)備時(shí)，使用壓縮機(jī)曲柄是維護(hù)機(jī)器的重要手段，但是，使用曲柄會(huì)導(dǎo)致低速運(yùn)行。如果使用干氣密封，則離心壓縮機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)10分鐘。此外，設(shè)備應(yīng)減少停機(jī)次數(shù)，以使壓縮機(jī)形成穩(wěn)定的氣膜并減少動(dòng)態(tài)和靜態(tài)環(huán)形表面的磨損。

（5）干氣密封失效的其他原因。離心壓縮機(jī)在使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并且可以承受相對(duì)較高的振動(dòng)水平，但是，過(guò)高的振動(dòng)水平仍然會(huì)損壞干燥氣體密封，因此，在使用和操作過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制振動(dòng)。

4 非接觸式機(jī)械密封的原理

非接觸式機(jī)械密封控制系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)非接觸式機(jī)械密封裝置系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)環(huán)3隨旋轉(zhuǎn)軸11旋轉(zhuǎn)，線(xiàn)圈2通電，兩個(gè)固定環(huán)1和9通過(guò)旋轉(zhuǎn)環(huán)3旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生相同的大小。在相反的方向上電磁排斥，此時(shí)，旋轉(zhuǎn)環(huán)3處于平衡位置，并且兩側(cè)的密封端面之間的間隙處于設(shè)計(jì)狀態(tài)。

如果由于干擾（例如操作波動(dòng)等）使旋轉(zhuǎn)環(huán)3相對(duì)于固定環(huán)軸向偏移，則當(dāng)旋轉(zhuǎn)環(huán)3沿軸向接近固定環(huán)9時(shí)，h1增加并且h2減少。檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)環(huán)3的位置偏移信號(hào)。在位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電路后，輸出電壓為xU，將其與平衡位置參考電壓rU進(jìn)行比較以獲得電壓eU，然后，由控制器調(diào)整和轉(zhuǎn)換相位和幅度。作為控制電流，通過(guò)功率放大器的作用，負(fù)載被放置在兩個(gè)固定環(huán)1和9的線(xiàn)圈上，因此，固定環(huán)1線(xiàn)圈中的電流減小，而固定環(huán)12線(xiàn)圈中的電流增加，從而密封面間隙在一側(cè)變?yōu)閔1。磁通量減小，并且具有密封表面間隙h2的一側(cè)的磁通增加，從而相對(duì)于旋轉(zhuǎn)環(huán)的密封表面間隙為h1，固定環(huán)1在具有密封表面間隙h2的固定側(cè)的排斥力減小。做吧環(huán)9對(duì)旋轉(zhuǎn)環(huán)的排斥力增大，固定環(huán)1對(duì)旋轉(zhuǎn)環(huán)的排斥力小于固定環(huán)9對(duì)旋轉(zhuǎn)環(huán)的排斥力。這兩個(gè)力的合力使旋轉(zhuǎn)環(huán)和固定環(huán)9軸向分開(kāi)，并最終將旋轉(zhuǎn)環(huán)恢復(fù)到平衡位置。相反，如果旋轉(zhuǎn)環(huán)由于外部振動(dòng)而與固定環(huán)9軸向分開(kāi)，則h1減小而h2增大。在檢測(cè)到位移變化信號(hào)后將系統(tǒng)遞增，然后，輸入控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理。大固定環(huán)1的線(xiàn)圈電流和固定環(huán)9的線(xiàn)圈電流減小，因此，h1側(cè)的磁通量增加，h2側(cè)的磁通量減小，此時(shí)，固定環(huán)1與旋轉(zhuǎn)環(huán)配對(duì)的排斥力大于固定環(huán)9對(duì)旋轉(zhuǎn)環(huán)的排斥力，因此，旋轉(zhuǎn)環(huán)返回到設(shè)定的平衡位置。這樣，兩個(gè)靜環(huán)與可動(dòng)環(huán)之間的非接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成了自調(diào)節(jié)的穩(wěn)定系統(tǒng)，使得密封件可以達(dá)到穩(wěn)定的目的。

圖1 密封控制系統(tǒng)工作原理圖

5 跳閘活塞式在離心壓縮機(jī)上的應(yīng)用

活塞式壓縮機(jī)主要由機(jī)身、曲軸、連桿、活塞等部分組成，壓縮原理一般是活塞通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式將氣體牢牢地壓縮在密閉的缸體中。當(dāng)盛滿(mǎn)氣體的氣缸在力的作用下不斷地受到壓縮，使得氣缸內(nèi)的壓力和排氣的壓力保持一致。

而當(dāng)活塞繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，會(huì)改變?cè)纫呀?jīng)穩(wěn)定的氣壓，缸內(nèi)的壓力會(huì)推動(dòng)排氣閥門(mén)的開(kāi)啟，從而壓力向排氣罐輸出，一直到活塞運(yùn)動(dòng)到止點(diǎn)結(jié)束為止。此時(shí)，當(dāng)氣壓再次穩(wěn)定時(shí)，閥門(mén)自身的重力和彈簧力，會(huì)推動(dòng)排氣閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。

總之，壓縮機(jī)就是一個(gè)不斷吸氣、壓縮再排氣的過(guò)程，這組動(dòng)作的不斷重復(fù)就是活塞式壓縮機(jī)的運(yùn)行方式。而在實(shí)際的運(yùn)作過(guò)程中，活塞式壓縮機(jī)還會(huì)受到其他因素的影響，因此壓縮的效率并不一定能保持最初的理想狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械式密封發(fā)展至今，已有百年歷史。這一過(guò)程也在不斷地進(jìn)步，雖然還有一些不足，但也在逐步地克服。在不久的將來(lái)，將有更大的發(fā)展空間，并將為我國(guó)工程技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。