成都雙流國際機(jī)場股份有限公司 盧建明

一、液壓泵對密封的要求

圖1 液壓泵的密封點(diǎn)

基于登機(jī)橋的日常使用和維護(hù)要求，總結(jié)歸納出液壓泵的密封性能要點(diǎn)如下：

（1）在登機(jī)橋液壓泵的工作壓力（0-100bar）和設(shè)計(jì)溫度（-10-120℃）范圍內(nèi)，應(yīng)具有良好的密封性能，能實(shí)現(xiàn)液壓油的零泄漏；

（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)與密封之間的摩擦阻力小且在整個(gè)大修周期內(nèi)摩擦系數(shù)穩(wěn)定；

（3）在機(jī)場嚴(yán)苛的環(huán)境下，能經(jīng)受日曬雨淋風(fēng)吹和晝夜溫差的交替變化，穩(wěn)定性高，壽命長，且具有一定的自我修復(fù)能力；

（4）結(jié)構(gòu)簡單，安裝、操作維護(hù)方便，價(jià)格適中。

二、液壓泵密封的分類特點(diǎn)及應(yīng)用

按照密封的工作原理可分為接觸式密封和非接觸式密封。接觸密封一般指成型密封件，例如O形圈、C形圈等，非接觸式密封通常指間隙密封。常見的液壓泵的密封型式有：骨架密封、螺旋密封、迷宮密封、填料密封、機(jī)械密封等。

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（一）骨架密封

骨架密封作為一種標(biāo)準(zhǔn)化制造的產(chǎn)品，其成本低，通用性強(qiáng)，更換方便，易于維護(hù)，且骨架密封對旋轉(zhuǎn)軸的阻力較小，既能避免液壓油外漏，也可以避免外界雜質(zhì)和其他有害物入侵，并且具有一定的補(bǔ)償工作能力，但不能承受髙壓，一般用在低壓工況的液壓泵上。

（二）螺旋密封

螺旋密封是一種非接觸式密封，其工作原理是利用開在運(yùn)動(dòng)部件（通常為旋轉(zhuǎn)軸）或者靜止部件上（通常是腔體）上的螺旋槽產(chǎn)生的動(dòng)力，對充滿在軸和腔體之間的密封介質(zhì)形成一種泵送效應(yīng)，從而阻止密封介質(zhì)往外泄漏。所以影響螺旋密封性能的因素包括：螺旋槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)（螺距、螺旋角、齒形、齒寬、齒高等）、運(yùn)行部件和靜止部件之間的間隙、螺旋密封的有效作用長度。

（三）迷宮密封

迷宮密封是在執(zhí)行元件周向設(shè)計(jì)若干個(gè)密封齒的一種密封結(jié)構(gòu)，也是一種非接觸式密封，齒既可以安裝在執(zhí)行元件中，也可以安裝在靜止元件上。其工作原理是利用齒與齒之間形成的膨脹空腔，當(dāng)密封介質(zhì)通貨膨脹空腔將形成節(jié)流效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)密封介質(zhì)往外泄漏。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，分為平滑式、曲折式、階梯式及蜂窩式四種類型。

（四）填料密封

填料密封又稱為壓緊填料（Gland Packings）密封，俗稱盤根（Packings）密封，是最古老的一種密封結(jié)構(gòu)，填料密封因其結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉、來源廣泛而獲得許多工業(yè)部門的青睞。填料密封分為軟填料密封、硬填料密封和成型填料密封。

（五）機(jī)械密封

機(jī)械密封(Mechanicalseal)是指由一對及以上垂直于旋轉(zhuǎn)軸的密封面組成，且密封面在介質(zhì)壓力和彈力（或磁力）的作用下，在輔助密封的配合下保持閉合，同時(shí)密封面之間有相對滑動(dòng)，用來阻止介質(zhì)泄漏的一種機(jī)械裝置[1]。典型的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。干氣密封是一種特殊的機(jī)械密封，是目前可靠性最高，應(yīng)用最廣泛的密封形式之一。

圖2 典型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡圖

三、干氣密封的原理與設(shè)計(jì)

（一）干氣密封原理

干氣密封通常由動(dòng)環(huán)、固定動(dòng)環(huán)在執(zhí)行元件上的軸套、靜環(huán)、固定靜環(huán)在靜止元件上的彈簧座、彈簧、密封圈等元件組成。與機(jī)械密封相比，干氣密封需要在動(dòng)環(huán)或者靜環(huán)上刻有流體動(dòng)壓槽。

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)將產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，從而使流程動(dòng)壓槽產(chǎn)生泵送效應(yīng)，將動(dòng)靜環(huán)周圍的密封氣泵送進(jìn)入流體動(dòng)壓槽內(nèi)，由于流體動(dòng)壓槽為封閉環(huán)槽，泵送進(jìn)入的氣體將被壓縮，壓力升高，隨著氣體的不斷泵入，壓力持續(xù)升高，當(dāng)壓縮氣體產(chǎn)生的推力（開啟力）能夠克服密封氣作用在靜環(huán)上（或者動(dòng)環(huán)上）的壓力和彈簧力（閉合力）時(shí)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)將被分開，形成氣膜。衡量干氣密封性能的主要指標(biāo)是氣膜剛度和泄漏量，氣膜剛度越大，密封的抗干擾能力越強(qiáng)，運(yùn)行越穩(wěn)定，泄漏量越小，密封氣的耗量越小，性能越好[2]。

（二）影響干氣密封性能的主要參數(shù)

根據(jù)前文可知，干氣密封性能一方面受密封結(jié)構(gòu)影響，尤其是端面槽型參數(shù)的影響，另一方面受工況參數(shù)的影響，比如密封氣的壓力、溫度、組分等。端面槽型參數(shù)是密封的固有屬性，設(shè)計(jì)完成將無法改變，而工況參數(shù)與密封的工作環(huán)境密切相關(guān)，可以通過外部控制進(jìn)行調(diào)整。

1.密封端面槽型參數(shù)對密封性能的影響

（1）動(dòng)壓槽形狀的影響

實(shí)踐使用證明，螺旋槽是干氣密封流體動(dòng)壓槽最經(jīng)典的槽型，氣產(chǎn)生的氣膜剛度大，穩(wěn)定性高，同樣的氣膜剛度下，具有較小的泄漏量，也是應(yīng)用最廣泛的槽型，近些年中密控股發(fā)明的雙尖槽是國內(nèi)干氣密封領(lǐng)域應(yīng)用最多的槽型之一，且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，值得推廣應(yīng)用。

（2）動(dòng)壓槽深度的影響

分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，干氣密封的流體動(dòng)壓槽越深，氣膜剛度越大，泄漏量越大，但當(dāng)槽深超過一定值后，氣膜剛度將不再增大，而泄漏量會(huì)繼續(xù)增大，故實(shí)際應(yīng)用中，推薦的流體動(dòng)壓槽深度為2-12微米。

（3）動(dòng)壓槽數(shù)量、寬度及長度的影響

大量的工程實(shí)際和理論研究表面，在一定范圍內(nèi)，流體動(dòng)壓槽數(shù)量越多，流體動(dòng)壓槽越寬，長度越長，產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)，但當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定的值、寬度達(dá)到一定的比例、長度接近極限后，再增加槽數(shù)、加寬槽寬、延長槽長時(shí)，除了泄漏量繼續(xù)增加，氣膜剛度幾乎不受影響。

2.工況參數(shù)對密封性能的影響

（1）軸徑、線速度對密封性能的影響

密封軸徑越大，線速度越高，干氣密封的泄漏量越大，設(shè)計(jì)難度越大。

（2）密封氣壓力對密封性能的影響

在槽型參數(shù)一定的情況下，密封氣壓力越高，干氣密封端面前后壓差越大，泄漏量越大。

（3）密封氣溫度、粘度對密封性能的影響

密封氣溫度對密封性能的影響是因?yàn)闇囟葘⒏淖兠芊鈿獾恼扯龋瑥亩绊懨芊獾男阅?，密封氣粘度越高，產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)越厲害，氣膜剛度和厚度將增加，但粘度增大，密封氣流動(dòng)的阻力將增大。所以，溫度和粘度對密封性能的影響極小，在工程應(yīng)用中基本不予以考慮。

（三）干氣密封的設(shè)計(jì)

基于前文的分析，本文以螺旋槽為例，對干氣密封的性能進(jìn)行模擬分析計(jì)算，采用專業(yè)的二次開發(fā)的有限元分析軟件，對流體動(dòng)壓槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以干氣密封具有最小的泄漏量和最大的氣膜剛度作為優(yōu)化目標(biāo)，即以干氣密封具有最佳剛漏比為優(yōu)化目標(biāo)，其意義為此時(shí)密封具有較高的穩(wěn)定性同時(shí)泄漏量較低。

基于專業(yè)的干氣密封計(jì)算軟件，對端面氣膜分布情況進(jìn)行計(jì)算，其流體膜壓力分布如圖3所示。

圖3 端面流體膜壓力分布

分析不同槽型參數(shù)對開啟力和氣膜厚度的影響，從而得到流體動(dòng)壓槽對泄漏量和氣膜剛度的影響，部分分析計(jì)算的結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 槽深對密封性能的影響

圖5 螺旋角對密封性能的影響

基于上述分析計(jì)算，確定最優(yōu)槽型參數(shù)，在此條件下，密封具有最佳性能。

（四）密封材料的選擇

液壓泵干氣密封工作條件較苛刻，且處于頻繁啟停的狀態(tài)，所以要求摩擦材料具有較好的耐磨性能，同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)干氣密封材料時(shí)，應(yīng)考慮密封環(huán)具有高的導(dǎo)熱率，能及時(shí)帶走端面的熱量，保證密封的使用性能，所以液壓泵干氣密封的靜環(huán)通常選用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅，當(dāng)然也可以選用無壓燒結(jié)碳化硅，而動(dòng)環(huán)優(yōu)先選用耐磨性和潤滑性良好的石墨。

四、結(jié)語

本文對登機(jī)橋液壓泵密封的選型、設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，重點(diǎn)分研究了干氣密封端面參數(shù)對密封性能的影響。大量的工業(yè)應(yīng)用案例表明，在此工況下，干氣密封滿足了液壓泵的密封性能要求，且穩(wěn)定可靠，壽命長，說明采用干氣密封作為登機(jī)橋液壓泵的動(dòng)密封是一種有效可行的方案。