动压式机械密封中几个重要参数与作用机理研究

动压式机械密封中的几个重要参数与作用机理研究

摘要：随着现代工业生产的迅速发展，机械密封的密封环境发生了深刻的变化，使得机械密封的操作条件更加苛刻和多样化。高速高压（高参数）机械密封的实用化是当今研究的重要课题之一。动压式机械密封对生产中的一些高参数密封而言，是一种非常有效的措施。

关键词：流体机械；动压式机械密封；经济性；安全性；高效性；平衡系数；载荷系数；面积比；密封准数

1引言

动压式机械密封是在密封环上开出各种形状的流体动压槽，利用流体动压效应在端面间产生一层极薄的流体膜，实现非接触，以改善密封端面间的润滑状况。与普通机械密封相比，动压式机械密封可以胜任普通机械密封难以达到的高参数工况，同时在普通工况下可大大降低密封面磨损，提高密封的可靠性，延长密封寿命。作为当今机械密封的高新技术，已广泛应用于离心泵、离心机、离心式压缩机和反应釜等过程装备上。

2机械端面密封中的几个重要参数

2.1面积比与载荷系数

机械密封的流体压力作用的有效面积a1（外装式）或a2（内装式）与密封面名义接触面积af之比称为机械密封的面积比，也叫平衡系数，对于外装式密封：

式中：db为平衡直径，对于弹簧加载的机械密封，其值为轴或轴

套的台肩直径；d1为为密封面内径；d2为为密封面外径。

面积比的大小反映了机械密封的流体压力产生载荷的卸载情况，一般取大于0.6的值较为合适。

机械密封的载荷系数kg等于密封副轴向力平衡条件下密封面上载荷pg与最大液（气）压作用力psaf的比值，对于外装式密封：kg===+b1

式中：psp为弹簧比压；ps为密封流体压力。

载荷系数反映了密封面上流体压力和弹簧压力两部分作用的总载荷，其值等于弹簧载荷系数ksp=psp/ps与面积比之和。只有当弹簧比压psp相对于密封流体压力ps很小，可以忽略不计时，载荷系数才等于面积比。

2.2密封准数

密封准数与液膜厚度表示机械密封润滑状况，可由下式求得：

g=

式中：?%`为密封流体的动力粘度；v为端面的平均线速度；b为端面宽度；w为端面的总载荷。

密封准数也表征了液膜形成的难易程度。

2.3摩擦系数

摩擦系数表示机械密封的摩擦状态，它与密封准数g的关系：f=?%qgm=?%q(?%`vb/w)m

式中：?%q为密封特性数，由密封型式决定；m为指数，与动密封型式有关，如旋转端面密封m=1/2。

摩擦系数f与密封准数g都是说明机械密封的工作状况参数，但前者说明密封端面的摩擦工况，而后者不仅说明摩擦状态，同时也说明了状态的转变，成膜难易程度和流体膜的承载能力。

3流体动、静压润滑

密封的流体润滑理论的主要内容是流体膜润滑，由流体膜承载保持密封和润滑的成膜理论。成膜理论的基础是窄缝粘性流体流动，其主要控制方程是简化了的纳维埃-斯托克斯方程，即雷诺方程。流体静压润滑是将带压介质引入到摩擦副的两表面之间，由于流体静压力的存在，使得两摩擦表面分开或者部分分开，摩擦副因而得到充分润滑和冷却。与液压和气动技术相结合，流体静压润滑已发展成为一门相对独立的技术，其成果如静压轴承、静压导轨、静压丝杠等已在机床、动力机械、仪器仪表等工业部得到了广泛的应用，并已取得了良好的经济效益。

产生流体静压效应的类型有：

(1)密封面由于受到机械（力）或温度（热）的作用而产生变形，形成径向锥度而产生流体静压力。

(2)密封面加工成各种形状深流槽而产生流体静压力。

流体动压润滑又叫做流体动力润滑，它是利用流体的粘附性使流体粘附在摩擦表面，并在摩擦副做相对运动时带入两摩擦表面之间，当两表面形成收敛的楔形间隙时，会产生一定的流体动压力，从而将两摩擦表面分隔开来，保持两摩擦表面非接触，达到降低摩擦阻力、减少表面磨损，延长使用寿命，保证设备正常运转的目的。

流体动压润滑的形成需要三个条：

(1)两表面之间有相对的运动；

(2)两表面之间有楔形间隙；

(3)一定的流体粘度。

4浅槽和深槽机械密封的作用机理

4．1浅槽密封的作用机理

平面密封在很多场合往往不能产生足够大的流体膜承载能力，以平衡作用在补偿环上的轴向闭合力，这样两密封端面上部分微凸体势必发生直接的接触，摩擦和磨损将迅速增大。另一方面，为了保持两密封面的完全隔离，平面密封的径向收敛锥度较大，一旦操作条件发生变化，对外压内流式密封而言，将在内径处发生接触，由于锥度密封实际接触面积较小，磨损严重；另外，由于平面锥度密封的径向压力梯度较大，因而导致径向泄漏量也比较大。因此，为了提高密封的承载能力，通常的做法是在一个密封面开设各种形状的流槽。只要设置得当，这些流槽就能够产生足够高的附加流体压力，从而保持流体膜的稳定。

流槽的设计可分两大类：一类是浅槽，其槽深在?%em量级，一类是深槽，其槽深在mm量级。浅槽密封已被广泛使用，其密封的作用机理类似于雷列台阶轴承，在流体膜内产生很高的压力。一般情况下，浅槽的槽深在2.5～10?%em之间，流体膜厚的值也只有几个微米，其典型值是3?%em左右。在密封面上开设诸如螺旋槽形状的流槽，由动环旋转产生的粘性剪切力带动流体从槽内向较窄的间隙

运动，从而形成了流体的周向运动，流动的收敛性产生的压力增加，产生足够高的附加流体压力并能保持稳定的流体膜，这种结构的密封能够避免平面密封不能产生足够大的液膜承载能力以平衡作用

在补偿环上的轴向闭合力，也能避免平面密封在操作条件改变时因其有径向收敛锥度而可能出现的严重磨损和比较大的泄漏。研究表明，当槽深与膜厚处于相同数量级时，能得到最大的膜压。

4．2深槽密封的作用机理

深槽的槽深处于mm量级，但其膜厚却在?%em量级，这时槽深与膜厚的比值较大，浅槽结构的密封机理不再适用于这种深槽结构的密封机理。一般认为，深螺旋槽的密封是利用热流体锲效应来进行有效密封的。

我们知道，由于机械的作用和热作用，平面密封的变形在?%em量级。由于这类密封式轴对称的，变形也是轴对称的，形成径向的锥度。在深槽密封中，由于几何形状以及压力和温度边界条件都是周向的，其变形肯定也是周向的，从而形成了周向的波度。通过机械的作用和热的作用，在密封面上产生的机械变形和热变形也是沿周向变化的，且波度的波幅为?%em量级。在流体膜内，密封面上的周向波度通过流体动压效应产生很高的流体动压力。在动环的牵引下，由于密封面流动边界的波动，沿周向的粘性流动交替地历经收敛区和发散区。在收敛区，流体膜内产生很高的流体动压力；在发散区，可能会产生负压。由于流体所能承受的负压有一定的极限，超过此极限，溶于液体中的空气将会游离出来，产生空化现象。这