袁航，戴路玲

（南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

1 前言

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中冷凍水和冷卻水循環(huán)泵是除制冷機(jī)外的主要耗能設(shè)備，與其他設(shè)備一起共同完成空氣調(diào)節(jié)任務(wù)，成為空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分。泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保證了整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。空調(diào)系統(tǒng)中廣泛采用離心式水泵，其轉(zhuǎn)軸密封的主要應(yīng)用型式是機(jī)械密封。在諸多離心泵使用故障中，因機(jī)械密封失效造成的離心泵停機(jī)常有發(fā)生，失效的表現(xiàn)大都是泄漏。在日常的設(shè)備管理工作中，如何降低能耗、提高密封的可靠性和延長(zhǎng)密封壽命是人們普遍關(guān)注且日益重視的研究課題。有必要研究空調(diào)離心水泵的機(jī)械密封技術(shù)，掌握提高泵密封安全運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)，保證空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

尋找泵機(jī)械密封的優(yōu)化方案，可以通過(guò)試驗(yàn)的方法解決。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的主要目的是獲取研究數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。析因設(shè)計(jì)、正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)及響應(yīng)面設(shè)計(jì)是試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中最常用的幾種方法。其中根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出“均勻分散、齊整可比”的有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而推廣到整體試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)較之于析因設(shè)計(jì)大大減少了試驗(yàn)次數(shù)，提高了工作效率。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中。

2 試件及其試驗(yàn)裝置

2.1 試件

根據(jù)試驗(yàn)裝置的測(cè)試原理和尺寸大小，確定選用B104（GY70）型機(jī)械密封，即普通泵用機(jī)械密封，其結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)表1，其主要尺寸見(jiàn)表2。

表1 B104型(GY70)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)型式

表2 機(jī)械密封試件主要尺寸 （單位：mm）

其中：d1為軸大端外徑；d2為軸小端外徑；d3為窄環(huán)端面內(nèi)徑；d4為窄環(huán)端面外徑；d5為靜環(huán)與密封圈配合處直徑；d6為靜環(huán)與密封腔體配合處直徑；B為靜環(huán)與密封圈配合處總寬度；b為密封端面寬度；β為平衡系數(shù)；Af為 密封端面面積。

按照寬系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)，選取端面寬度b為5.0mm。為了充分研究平衡系數(shù)對(duì)目標(biāo)特性值的影響規(guī)律，選取平衡系數(shù)β值為0.90。其密封端面技術(shù)參數(shù)如下：

動(dòng)靜環(huán)端面平面度：<0.9μm；

動(dòng)環(huán)端面平均粗糙度：Ra1=0.05μm；

靜環(huán)端面平均粗糙度：Ra1=0.10μm。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為自行研制的彈簧比壓可控型機(jī)械密封試驗(yàn)裝置。它包括機(jī)械系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大部分，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多組參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，其硬件組成如圖2所示。

圖1 機(jī)械密封試驗(yàn)裝置系統(tǒng)框圖

圖2 多功能數(shù)據(jù)采集硬件組成

3 空調(diào)冷卻水泵機(jī)械密封參數(shù)優(yōu)化的正交試驗(yàn)研究

3.1 主軸承扭矩標(biāo)定試驗(yàn)

機(jī)械密封的總摩擦功率消耗包括密封副的摩擦功耗和旋轉(zhuǎn)組件對(duì)密封流體的攪拌功耗。而機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)軸與軸承之間會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦扭矩。為準(zhǔn)確獲得機(jī)械密封端面摩擦功率，在機(jī)械密封性能試驗(yàn)研究前，首先應(yīng)進(jìn)行空載試驗(yàn)以標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)架的主軸承摩擦扭矩。

試驗(yàn)結(jié)果表明，考慮流體攪拌功耗的空載運(yùn)行試驗(yàn)包括主軸承摩擦功耗及機(jī)械密封件的攪拌功耗，其測(cè)試結(jié)果對(duì)隨后進(jìn)行的機(jī)械密封性能試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。這與文獻(xiàn)的研究結(jié)果相吻合。因此，機(jī)械密封性能試驗(yàn)前的空載運(yùn)行試驗(yàn)，其密封端面摩擦功耗的標(biāo)定均以此空載運(yùn)行試驗(yàn)的結(jié)果為依據(jù)。

3.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

從多因素正交試驗(yàn)入手，在不同的工藝條件（介質(zhì)壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速和彈簧比壓）下進(jìn)行密封性能測(cè)試，探尋介質(zhì)壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速和彈簧比壓三因素的變化對(duì)泄漏量和端面摩擦功耗的影響程度，并尋求最佳工藝條件。

（1）試驗(yàn)條件

試驗(yàn)介質(zhì)：清水。

試驗(yàn)時(shí)間：6h。

（2）三因素四水平正交試驗(yàn)

應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，將密封介質(zhì)壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、彈簧比壓三個(gè)工藝參數(shù)作為因素（見(jiàn)表2），設(shè)計(jì)三因素四水平正交試驗(yàn)，比較其對(duì)機(jī)械密封泄漏量和端面摩擦功耗的影響大小。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析

①密封端面摩擦功耗。首先，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，求出F比值。F值越大，目標(biāo)特性值與該因素的影響關(guān)系就越大。從B104型機(jī)械密封端面摩擦功耗方差分析表可以看出，工藝參數(shù)對(duì)密封端面摩擦功耗的影響主次關(guān)系是：電機(jī)轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力和彈簧比壓。其次，對(duì)B104型機(jī)械密封端面摩擦功耗進(jìn)行極差分析。由試驗(yàn)分析結(jié)果可知，密封端面摩擦功耗隨介質(zhì)壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速和彈簧比壓的增大均增大，但隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大幾乎呈線性增大。生產(chǎn)中，離心泵常用的電機(jī)轉(zhuǎn)速值為3000r/min；當(dāng)介質(zhì)壓力在0.15～0.45MPa范圍時(shí)端面摩擦功耗上升明顯，達(dá)到0.45MPa以后，密封端面摩擦功耗有上升變緩趨勢(shì)。綜合考慮選取電機(jī)轉(zhuǎn)速為2960r/min、密封介質(zhì)壓力為0.60MPa。

②泄漏量。從B104型機(jī)械密封泄漏量方差分析可以看出，工藝參數(shù)對(duì)密封端面摩擦功耗的影響主次關(guān)系是：彈簧比壓、介質(zhì)壓力和電機(jī)轉(zhuǎn)速，彈簧比壓對(duì)泄漏量具有重大影響。圖3是B104型機(jī)械密封泄漏量隨各工藝參數(shù)變化的極差圖。

圖3 B104型機(jī)械密封泄漏量與工藝參數(shù)變化關(guān)系極差圖

對(duì)于平衡型機(jī)械密封，彈簧比壓是形成端面比載荷的重要部分，決定了端面密封比壓的大小。彈簧比壓增加，意味著克服端面間液膜反力的能力增強(qiáng)，而使端面貼合得更緊，介質(zhì)泄漏時(shí)阻力增加，泄漏量降低。但隨著彈簧比壓的增大，摩擦副之間的潤(rùn)滑介質(zhì)已相對(duì)減少，端面摩擦特性逐漸惡化，最終造成機(jī)械密封泄漏量超標(biāo)而失效。因此，機(jī)械密封存在一最佳彈簧比壓。兼顧摩擦特性和密封性能兩方面要求，正確選擇彈簧比壓，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封長(zhǎng)壽命低泄漏率的關(guān)鍵。

分析可見(jiàn)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械密封的泄漏量在逐漸上升。而當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到1760r/min后泄漏量開(kāi)始大幅下降，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到2360r/min之后下降幅度變緩。離心泵常用轉(zhuǎn)速為3000r/min，因此，轉(zhuǎn)速選取2960r/min。泄漏量隨著彈簧比壓的增大明顯下降，大于0.06MPa后下降迅速。這是由于試驗(yàn)用GY70型機(jī)械密封平衡系數(shù)較大（為0.9），介質(zhì)壓力增大時(shí)引起端面比載荷的增大要大于流體靜壓力的增大。

綜上分析，確定B104型機(jī)械密封工藝參數(shù)正交試驗(yàn)后的最優(yōu)工藝條件為：彈簧比壓PSP為0.06MPa、介質(zhì)壓力PS為0.60MPa、電機(jī)轉(zhuǎn)速n為2960r/min。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)空調(diào)冷卻水泵機(jī)械密封工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)優(yōu)化研究，分析確定彈簧比壓0.06MPa、介質(zhì)壓力0.60MPa、電機(jī)轉(zhuǎn)速2960r/min時(shí)為B104型機(jī)械密封的最優(yōu)工藝條件。