淺析新型機械密封在礦用潛水泥漿泵中的研究和應用

摘要：本文對新型機械密封在礦用潛水泥漿泵中的應用進行了較全面的闡述，介紹了機械密封的工作原理、結構型式、性能特性、發展趨勢，分析了密封端面開槽技術的應用，并運用先進的CFD軟件對密封端面進行了仿真，為泵用機械密封的研究和發展有著重要意義。

關鍵詞：機械密封 潛水泥漿泵 端面開槽 CFD

1前言

礦用潛水泥漿泵是水下輸送磨蝕性固液混合物離心泵的一種，是泥漿泵和潛水電機技術相結合的機電一體化產品，廣泛地應用于礦山、冶金、電廠等各個領域，礦山泥漿砂石泵送是各種介質泵送工況要求最為惡劣，過流件磨損快，腐蝕性強，頻繁地故障會影響生產而造成的經濟損失非常嚴重。近年來，國內礦山行業迅速發展，響應環境保護的迫切需要，綠色礦山建設成為未來發展的一種趨勢。礦山生產、生活污水沉淀處理是礦山環境保護的重要項目之一，而潛水泥漿泵作為輸送清理泥漿設備，根據國內外專家意見，這種泵型在提高泵送效率、降低能耗以及改善環境保護的最有發展前途和最進步的方向之一。

潛水泥漿泵作為沉淀泥漿泵送的主要設備，不僅要求其高耐磨、穩定高效，機械密封也更是其關鍵，它是水泵的心臟，必須可靠性高，保證無故障長期運行。潛水泥漿泵是在水下工作，一旦失效，外部介質或油室中的油便會進入電機腔，引起潛水電機故障，甚至影響人身安全。此新型機械密封應用在礦用潛水泥漿泵在使用的安全性、運行可靠性以及提高無故障運行時間，有必要對其機械密封進行結構分析，研究其技術的先進性。

2 機械密封的結構及其原理

2.1機械密封的結構

在礦用潛水泥漿泵中使用的是整體式機械密封，將內機封和外機封裝配成為一個單元，主要由靜密封環、動密封環、密封圈、支架、彈簧、等構成。機械密封在潛水泥漿泵中分為上下兩個端面密封：上密封在油室與電機之間，下密封在泵殼與油室之間，都由一個靜環和一個旋轉的動環組成，上下兩個密封的分界面由彈簧系統和支架相連接，圖1為機械密封結構示意圖。

2.2機械密封的原理：

機械密封旋轉工作時，由密封室內流體的壓力和彈性元件的彈力等引起的軸向力使動環和靜環互相貼合并相對運動，由于兩個密封端面的緊密配合，使密封端面之間的交界（密封界面）形成一微小間隙，當有壓介質通過此間隙時，形成極薄的液膜，產生阻力，阻止介質泄漏，同時液膜又使得端面得以充分潤滑，獲得更長期密封效果。

多年以來，從現場采集整理地使用情況來看，這種新型的機械密封相對于同類泵型的機械密封有著更明顯的性能優勢：

（1）適用范圍更廣。機械密封可以在高溫、低溫、高壓、強磨蝕的環境下工作。

（2） 密封性更好。機械密封在正常工作使用中，端面處可以達到“零泄露”，比其他密封狀態更穩定。

（3）壽命長。機械密封設計使用壽命3年以上，常規機械機械密封的使用壽命一般1到2年。

2.3機械密封的材質

泵送介質中含有大量固體顆粒，密封面的材質需要極好的抗腐蝕性和耐磨性，動、靜環端面材料選用碳化鎢，它具有高硬度、摩擦系數小、強度高、耐腐蝕等等優良的綜合性能，如下3機械密封的密封面

傳統的機械密封的端面為兩個平行的光滑平面，端面開槽技術就是通過在密封端面上開出各種形式的凹槽來改善端面間的潤滑和密封狀況，從而改善機械密封的密封狀態。礦用潛水泥漿泵中使用的機械密封端面開有螺旋流槽，圖2為密封端面示意圖。若動環外徑側為油室被密封液體，內徑側為低壓流體，當動環以圖示方向旋轉時，在螺旋槽流體動壓效應的作用下， 動靜環端面之間產生一層厚度極薄的流體膜（ 圖3中h1，h2） ， 使動靜環端面保持分離即非接觸狀態。端面開設的螺旋槽既可以產生泵送效應，又可以抵抗壓力梯度，在外徑與內徑壓力差的作用下，被密封液體產生方向由外到內的壓差流，而螺旋槽的流體動壓效應所產生的粘性剪切流的方向由內徑指向外徑，兩者的方向相反，最終得以平衡。

3.1機械密封端面性能參數

機械密封端面按著一元流動進行計算，一元流動的雷若方程：

根據上式，如果設h為常數，粘度也為常數，在內徑側，膜厚h==常數；在外徑側，膜厚h==常數，對上式積分，壓力梯度也為常量，即壓力按三角形分布，最大壓力位于轉折處，顯然這兩個區域的壓力梯度為：

和

當密封假設為無限寬時，無軸向流動，其各處的流量必定不變，在單位時間寬度內的流量為：

將前式的壓力梯度代入上式，經整理后可得：

設K=，可得到最大壓力為：

在單位寬度內的承載能力就是三角形面積之和

經整理得：

3.2 機械密封端面仿真研究

FLUENT是目前運用最廣泛地CFD仿真軟件之一，具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能，對密封端面進行動力學可視化分析，仿真了密封端面壓力分布云圖，顏色的變化展示了密封面壓力的變化，如圖4：

4 機械密封發展趨勢：

（1）工業技術不斷創新 新技術、新理論、新材料、新工藝不斷創新發展，失效機理、失效分析和失效監控更加深入地研究和應用，要求使之快速轉換成實用性、高性能、高參數的密封產品。

（2）密封系統完善 從以往地單一密封零部件，發展到整個密封系統，并制定了新的密封系統標準。

（3）高效安全和環保性 隨著工業技術不斷地發展，環境保護地日益關注，人們對機械密封安全高效要求更加嚴格，過去從只注意眼睛可視的“泄露”，不注意易揮發物的“逸出”，發展到現今控制逸出零，從“零泄漏”到要求“零逸出”。

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