剖分式機(jī)械密封技術(shù)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題探討

胡瓊，孫見(jiàn)君，涂橋安，馬晨波，何斌輝，劉平

（1南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京210037；2南京鼎鑫輕工制品有限公司，江蘇 南京210036）

現(xiàn)代化大生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了工業(yè)裝備的長(zhǎng)周期運(yùn)行屬性。動(dòng)密封作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵部件，對(duì)安全和穩(wěn)定生產(chǎn)有著重要影響。機(jī)械密封作為工業(yè)裝備中轉(zhuǎn)軸密封的主要形式，應(yīng)用非常廣泛，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，其使用量占到了全部旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸封用量的90%左右。然而，對(duì)于穿套在旋轉(zhuǎn)軸上工作的傳統(tǒng)的機(jī)械密封，安裝和維修時(shí)需要將軸端的聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)或者葉輪等部件拆下，最后再逐個(gè)裝上，如此造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)停產(chǎn)，使企業(yè)損失巨大，同時(shí)繁重的裝拆帶來(lái)驚人的維修費(fèi)用（大型設(shè)備尤為突出）[1]。人們通過(guò)不斷努力，開(kāi)發(fā)出一種剖分式機(jī)械密封，其結(jié)構(gòu)和工作原理均與傳統(tǒng)的整環(huán)式機(jī)械密封相似，唯一不同的是在密封環(huán)上增加了剖分面。這種密封不僅具有整環(huán)式機(jī)械密封的拆裝便捷性，還具有填料密封的摩擦功耗小、自動(dòng)補(bǔ)償磨損量等優(yōu)點(diǎn)。與整環(huán)式機(jī)械密封相比，剖分式機(jī)械密封避免了因裝拆不便所帶來(lái)的巨額附加費(fèi)用和停產(chǎn)損失；與填料密封相比，剖分式機(jī)械密封具有較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命（一般為填料密封的4倍），工作過(guò)程中無(wú)需調(diào)整，也不會(huì)劃傷軸或軸套，大大縮短了維修時(shí)間；因摩擦功率小，降低了能耗，從而提高了運(yùn)行效率；運(yùn)行中泄漏少，減少了環(huán)境污染和環(huán)境處理費(fèi)用[2-3]。但剖分面的存在打破了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，增加了泄漏通道的來(lái)源途徑，加劇了理論研究及其技術(shù)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性，進(jìn)而制約了剖分式機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展。

本文旨在通過(guò)分析近幾十年剖分式機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論研究狀況，歸納剖分面密封形式、定位方式以及剖分式彈性輔助密封圈斷口連接方式，探尋剖分式機(jī)械密封技術(shù)領(lǐng)域存在的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論研究、測(cè)量方法、性能指標(biāo)和制造技術(shù)方面的問(wèn)題，提出剖分式機(jī)械密封今后一段時(shí)期的主要研究方向，為建立剖分式機(jī)械密封理論體系和推動(dòng)其工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 剖分式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 剖分式機(jī)械密封的分類(lèi)

剖分式機(jī)械密封裝置有半剖分式和完全剖分式兩種。半剖分式機(jī)械密封是指部分配合件被剖分為兩個(gè)或多個(gè)環(huán)瓣，而其余仍為整環(huán)；完全剖分式機(jī)械密封（圖1）是指機(jī)械密封的所有零件全為兩瓣或多瓣，包括動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、動(dòng)環(huán)座、靜環(huán)座、殼體、彈性輔助密封件等。剖分式機(jī)械密封按密封環(huán)密封端面可分為哈夫式[4]、組合式[5]和多體式[6-7]，常見(jiàn)的形式是哈夫式，也稱分體式（通常所說(shuō)的剖分式機(jī)械密封，若無(wú)特殊說(shuō)明均指哈夫式，本文以下所述“剖分式”即為“哈夫式”），即整環(huán)被均等剖分成兩段，兩半環(huán)剖分面對(duì)接形成整環(huán)；組合式密封環(huán)是沿密封環(huán)周向的某一個(gè)角度，斜切成兩半環(huán)弧段，兩半環(huán)弧段斜切面對(duì)接形成整環(huán)；多體式密封環(huán)由多個(gè)弓形段和多個(gè)密封段構(gòu)成，相互間彼此緊靠形成完整環(huán)形。為解決安裝拆卸耗時(shí)耗資問(wèn)題，傳統(tǒng)機(jī)械密封技術(shù)衍生出了“集裝式機(jī)械密封”的概念，即在安裝前，將所有密封部件組裝到一起，然后再套到旋轉(zhuǎn)軸上。為進(jìn)一步提高作業(yè)效率，剖分式機(jī)械密封也引入了這一新的理念，Bessette等[8]則為該設(shè)計(jì)理念的典型代表。

圖1 完全剖分式機(jī)械密封裝置

1.2 剖分式密封環(huán)剖分面密封設(shè)計(jì)

1.2.1 剖分面密封

密封環(huán)剖分面密封目前可分為3種：一種是將脆性整環(huán)以斷面形式分開(kāi)[9-12][圖2(a)]，該方法具有較好的密封性能，但只能一組配對(duì)，不具備互換性[13]；另一種是表面開(kāi)有溝槽，槽內(nèi)放置密封件[14][圖2(b)]，該方式具有良好的密封性能，但要求對(duì)溝槽尺寸及密封件壓縮量進(jìn)行嚴(yán)格控制；最后一種是將各剖分面加工足夠光滑，依靠剖分面直接接觸實(shí)現(xiàn)密封[15-17][圖2(c)]，該方法最受歡迎。后兩種方法，常常需要在密封環(huán)外圓面上施加一定的箍緊力[9]，以實(shí)現(xiàn)可靠密封，該箍緊力可由箍緊環(huán)、輔助密封圈、介質(zhì)壓力、剖分面連接螺釘或密封環(huán)座等提供。

圖2 剖分面密封形式

1.2.2 剖分面定位

由于剖分式機(jī)械密封剖分面的存在，使得剖分半環(huán)對(duì)接成整環(huán)時(shí)，難以保證密封端面的平面度以及密封環(huán)圓柱面的圓度，而它們分別與剖分面的軸向定位與徑向定位直接相關(guān)，這便限制了剖分式機(jī)械密封的發(fā)展，因此尋找有效的剖分面定位方法至關(guān)重要。目前，有如下幾種常用的剖分面定位方法。第一種，利用圓環(huán)直接斷裂后形成的鋸齒狀斷口搭接后直接定位[7-11][圖3(a)]，該方法簡(jiǎn)單、有效，但因此種密封半環(huán)不具備互換性而不適合推廣使用。第二種，利用密封環(huán)外圓面所受的外力（如箍緊環(huán)箍緊力[8][圖3(b)]，輔助密封件彈性力[18-19][圖3(c)]或介質(zhì)壓力[20][圖3(d)]等來(lái)實(shí)現(xiàn)密封環(huán)半環(huán)的軸向與徑向定位，且一般而言，利用該方法實(shí)現(xiàn)軸向與徑向定位時(shí)，密封環(huán)外圓面常設(shè)計(jì)成圓錐面，而錐面精度難以保證[7]。第三種，依靠輔助定位件定位剖分面，如利用螺釘鏈接密封環(huán)剖分面[圖3(e)]，提供密封壓緊力的同時(shí)，還可以起定位作用[21-22]，但利用螺釘定位時(shí)，擰緊螺釘過(guò)程會(huì)產(chǎn)生扭矩，使得半環(huán)發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)，影響定位精度；也可利用定位銷(xiāo)定位[7，23][圖3(f)]，因密封環(huán)對(duì)位移和變形大小都有很高的要求，所以要求定位銷(xiāo)具有高的加工精度；或者在密封半環(huán)環(huán)體一端剖分面加工榫頭，相對(duì)半環(huán)的配合端加工對(duì)應(yīng)的榫槽[19，24][圖3(g)]，但榫槽和榫頭加工時(shí)，均要對(duì)半環(huán)進(jìn)行單獨(dú)加工，加工精度要求高，難以保證兩半環(huán)配合后密封端面的平直度及兩半環(huán)圓周面的圓度；還有利用U形鋼條定位半環(huán)剖分面[25][圖3(h)]等。第四種，由動(dòng)、靜環(huán)座輔助作用實(shí)現(xiàn)密封半環(huán)軸向與徑向精確定位，如對(duì)密封環(huán)背部及密封環(huán)座端面進(jìn)行拋光，實(shí)現(xiàn)密封半環(huán)軸向精確定位[13]，利用密封環(huán)座的圓度保證密封環(huán)的圓度及同軸度等。第五種，利用輔助安裝工具實(shí)現(xiàn)密封半環(huán)精確定位[7][圖3(i)]，即通過(guò)所設(shè)計(jì)的具有高精度平面度和圓度的安裝工具來(lái)保證密封環(huán)精確的端面平面度和圓度，該方法切實(shí)有效、可行。

1.3 輔助密封圈剖分設(shè)計(jì)

圖3 剖分面定位方式

剖分式機(jī)械密封的輔助密封圈有多種形式，一種是將密封圈切斷，安裝后用膠黏在一起[20]，這種情況存在因材料不同，使得受壓變形不同，而導(dǎo)致與密封環(huán)等部件接觸不均，或溫度變化改變黏膠的性質(zhì)而使其失效等問(wèn)題；還有一種與前一種相類(lèi)似的方式，稱為搭接方式，斷口形式多樣，可為徑向切面[8-9][圖4(a)]和斜切面[8，21，26][圖4(b)]等，但該方式不用膠黏結(jié)，因此，容易發(fā)生切口錯(cuò)位，致使密封失效；一種采用插接式結(jié)構(gòu)，即端口一端是凹坑；另一端是凸臺(tái)，如球形頭插接[8，14，16，21][圖4(c)]、矩形頭插接[27][圖4(d)]，或采用帶芯O形圈，一端為圓錐頭，插入另一端的圓形孔內(nèi)，為防止脫開(kāi)，圓錐頭外圓周及圓孔內(nèi)圓周插入彈簧鋼絲[28][圖4(e)]等，該結(jié)構(gòu)凸臺(tái)截面尺寸較小，可能因斷裂而失效或配合端面因間隙較大而產(chǎn)生泄漏，同時(shí)可拆卸性差，且制造工藝較復(fù)雜，Nagai等[9]采用斷口為多個(gè)切面的剖分式O形圈，兩切斷口形狀凹凸相對(duì)，以插接方式連接[圖4(f)]；第三種是扣式接頭[29][圖4(g)]，安裝前在接頭密封腔底部涂一層黏膠，該結(jié)構(gòu)保證了密封的密封性和可靠性，但制作工藝相對(duì)復(fù)雜。此外，以上O形圈均為非標(biāo)準(zhǔn)件，需廠家專門(mén)加工，耗時(shí)且增加成本，因此王洪群 等[30]提出將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)O形圈折成半圓弧，相對(duì)形成圓環(huán)，然后放置在預(yù)設(shè)的密封件溝槽內(nèi)[圖4(h)]，無(wú)斷點(diǎn)而不易撕裂，但接頭處因圓形截面而存在較大縫隙，密封不可靠。針對(duì)這一問(wèn)題，孫見(jiàn)君等[31]在王洪群等設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上提出增添一道密封，采用類(lèi)似迷宮密封的雙重密封[圖4(i)]，密封可靠，且不會(huì)發(fā)生撕裂，同時(shí)仍可使用標(biāo)準(zhǔn)件，但該發(fā)明存在O形圈摩擦阻力大的問(wèn)題。王洪群等[32]后來(lái)提出了矩形截面剖分式密封圈，利用搭接方式連接斷口，并針對(duì)軸向與徑向密封，分別提出兩種結(jié)構(gòu)，一種是楔形端部搭接結(jié)構(gòu)[圖5(a)、(c)]，另一種是臺(tái)階形端部搭接結(jié)構(gòu)[圖5(b)、(d)]，并通過(guò)試驗(yàn)證明了其可行性及有效性。

2 剖分式機(jī)械密封理論研究現(xiàn)狀

成功建立剖分式機(jī)械密封設(shè)計(jì)理論使剖分式機(jī)械密封裝置得到廣泛的應(yīng)用成為可能。然而相對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理論研究開(kāi)始較晚，國(guó)內(nèi)外至今鮮見(jiàn)報(bào)道，相關(guān)的中英文刊物僅有6篇，其中4篇中文、2篇英文（由Google搜索獲得，WebofKnowledge檢索結(jié)果為0）。

圖4 剖分式O形圈

圖5 剖分式矩形截面彈性密封圈[32]

2003年Azibert等[33]以一種完全剖分式雙密封面干氣機(jī)械密封結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了平衡比Bd，給出了其隨過(guò)程壓力的變化趨勢(shì)及隨內(nèi)外壓差的變化趨勢(shì)圖，同時(shí)對(duì)O形圈和動(dòng)環(huán)的組合模型進(jìn)行了有限元分析，獲得了O形圈布置位置與密封環(huán)變形的關(guān)系，給出了O形圈的最佳位置，并完成了完全剖分式機(jī)械密封的安裝，測(cè)得實(shí)際平衡比、泄漏量，而且在考慮剖分面的影響下，估計(jì)了端面氣膜的厚度。2007年陳碧鳳[34]以反應(yīng)釜旋轉(zhuǎn)軸密封為對(duì)象，運(yùn)用傳統(tǒng)機(jī)械密封相關(guān)理論分析了一種剖分式機(jī)械密封的機(jī)理及性能，建立了氯化反應(yīng)釜用剖分式機(jī)械密封模型，通過(guò)有限元分析，得到了密封環(huán)、密封圈及傳動(dòng)套的應(yīng)力分布及受力變形。2009年Boyson[35]指出密封壓力增加不僅導(dǎo)致更大的變形，還會(huì)使密封半環(huán)產(chǎn)生相對(duì)位移，故需進(jìn)行更精確的受力分析，同時(shí)提出用剖分式機(jī)械密封取代填料密封時(shí)，借助外周流體的離心作用可解決被密封介質(zhì)含有大量固體雜質(zhì)而破壞密封端面的情況（如泥漿等），并運(yùn)用CFD流體仿真技術(shù)得出密封環(huán)周?chē)黧w各區(qū)域的流速，據(jù)此對(duì)剖分式密封環(huán)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同年陳碧鳳和楊啟明[36]利用螺旋密封的“泵送效應(yīng)”來(lái)抵消密封部分壓力差，使其所設(shè)計(jì)的氯化反應(yīng)釜用剖分式機(jī)械密封在較高的工作壓力下獲得了良好的密封效果。2013年王洪群等[30]用剖分式矩形截面O形圈解決了圓形截面剖分式O形圈無(wú)法保證密封圈各處的連續(xù)性、變形量的一致性及要求的可伸縮性的不足，并用實(shí)驗(yàn)證明了軸向與徑向密封的剖分式矩形截面彈性密封圈的密封有效性。2014年陶凱等[37]考慮了螺釘預(yù)緊力、介質(zhì)壓力和彈簧比壓對(duì)剖分式機(jī)械密封剖分面變形的綜合影響，運(yùn)用有限元方法求解了綜合外力作用下密封端面及剖分面的變形，指出在一定范圍內(nèi)，通過(guò)增大螺釘預(yù)緊力可有效提高剖分面的連接緊密性。

這些研究針對(duì)剖分式機(jī)械密封的各種應(yīng)用場(chǎng)合，探討了不同工況下密封環(huán)的變形規(guī)律，提出了具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，為剖分式機(jī)械密封的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)，但并未涉及設(shè)計(jì)理論、密封技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也未能解決性能測(cè)試技術(shù)和制造技術(shù)。可見(jiàn)，剖分式機(jī)械密封理論研究存在著巨大的空間。

3 剖分式機(jī)械密封的應(yīng)用現(xiàn)狀

早在五十年前，剖分式機(jī)械密封便出現(xiàn)在海軍艦艇和潛艇的螺旋槳傳動(dòng)軸上[38]，因其維修簡(jiǎn)單快捷及附加費(fèi)用少，1986年開(kāi)始應(yīng)用于世界各地的加工工業(yè)[1]。

1978年，美國(guó)CranePacking公司的Robert Bezak介紹了一種剖分式機(jī)械密封，成功應(yīng)用于美國(guó)NorthEastern造紙廠，運(yùn)行參數(shù)包括室溫、低水頭壓力、152.4mm的軸徑、200r/min的轉(zhuǎn)速及70%黏稠度混凝土被密封介質(zhì)，運(yùn)行中無(wú)泄漏，安裝時(shí)間是原使用填料密封的1/3，此外填料密封壽命為兩周，而該剖分式機(jī)械密封的壽命預(yù)計(jì)可超過(guò)五年[13]。1998年，華盛頓郎維尤纖維廠（Longview Fibre）為解決填料密封所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，在1995年首次引入了JohnCrane公司的剖分式機(jī)械密封裝置，使用時(shí)溫度控制在82℃，壓力為0.55MPa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，軸徑為7.375英寸（約187.3mm），無(wú)泄漏產(chǎn)生，同時(shí)大幅度減少了維修、人力、清潔等費(fèi)用[3]。2003年，國(guó)內(nèi)合肥通用機(jī)械研究所對(duì)所設(shè)計(jì)的完全剖分式釜用機(jī)械密封進(jìn)行了連續(xù)5h的試驗(yàn)，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的適用壓力不超過(guò)0.1MPa，在安慶石化公司應(yīng)用時(shí)，安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，性能可靠[39]。同年，英國(guó)的一家廢水泵站使用了John Crane公司的3710型集裝式剖分式機(jī)械密封，安裝時(shí)間與傳統(tǒng)整環(huán)式機(jī)械密封相比削減了近90%[40]，但資料中未給出實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。同年，Azibert和Wu等[33]首次將剖分式機(jī)械密封用作氣密封，密封介質(zhì)為CO，過(guò)程氣體壓力0.24MPa，溫度為150℃，阻礙流體壓力0.35MPa，軸徑90mm，轉(zhuǎn)速為1800r/min，運(yùn)行4.5h后，CO氣體溫度為140℃，端面溫度在60℃維持了2h，無(wú)CO氣體泄漏，且該作者寫(xiě)作時(shí)運(yùn)行已超過(guò)3500h[32]，但3500h后的運(yùn)行情況未知，測(cè)試時(shí)間短，不能判定是否可用于實(shí)際生產(chǎn)。2010年，國(guó)內(nèi)浙江長(zhǎng)城有限公司對(duì)釜用完全剖分式機(jī)械密封進(jìn)行了改進(jìn)研究，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在FST釜用機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果符合泄漏要求[41]。同年，Cherston公司報(bào)道，所設(shè)計(jì)制造的442型剖分式機(jī)械密封裝置2002年在美國(guó)一個(gè)水電站12MW的渦輪機(jī)上首次應(yīng)用，軸徑為610mm，轉(zhuǎn)速100r/min，介質(zhì)為0.3MPa河水，使用超過(guò)7年；在澳大利亞的一個(gè)火力發(fā)電站使用時(shí)，軸徑為300mm，泵轉(zhuǎn)速為900r/min，介質(zhì)為0.7MPa未凈化水，使用超過(guò)九年；為滿足一家能源公司的使用需求，將剖分式機(jī)械密封與一個(gè)整體泵送環(huán)相配合，克服了高溫水介質(zhì)所帶來(lái)的問(wèn)題，利用正驅(qū)動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)捕捉墊片（capturedgasket）可承受3MPa介質(zhì)壓力[38]，但這些案例中均未給出具體泄漏量，且第三個(gè)案例未給出使用壽命和軸徑等參數(shù)。

以上綜述了幾乎所有可搜集到的關(guān)于剖分式機(jī)械密封實(shí)際應(yīng)用的資料，可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)剖分式機(jī)械密封的應(yīng)用并不多，且工況參數(shù)較低。

4 存在的問(wèn)題及面臨的關(guān)鍵技術(shù)

剖分式機(jī)械密封之所以不能廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，主要還是因?yàn)槿狈υO(shè)計(jì)理論、加工制造工藝、密封技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和性能測(cè)試技術(shù)。

4.1 結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法

目前，剖分式機(jī)械密封均為動(dòng)、靜環(huán)外加箍環(huán)，動(dòng)、靜環(huán)表面為平面結(jié)構(gòu)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由于剖分面的存在，使得零部件多，安裝時(shí)需要借助專用的定位工具以保證端面平面度精度，以及采用各種墊片或O形圈以實(shí)現(xiàn)剖分面的密封；而零部件的增多，使得安裝過(guò)程繁瑣；如果遇到難以拆卸的裝置，如泵等，傳統(tǒng)剖分式機(jī)械密封安裝會(huì)受到空間的限制，導(dǎo)致耗時(shí)、低產(chǎn)。集裝式剖分式機(jī)械密封的出現(xiàn)較好地解決了這些問(wèn)題[5]，遺憾的是至今仍僅適用于參數(shù)較低的工況，如文獻(xiàn)[30]中所密封的氣體壓力僅達(dá)到0.24MPa，軸徑為90mm，轉(zhuǎn)速最高為1800r/min。因此，如何采用集裝式剖分式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)形式，提高其運(yùn)行工況參數(shù)，將是科技工作者努力攻關(guān)的課題。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)方法，如采用反變形法設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)端面及剖分面的零變形，開(kāi)發(fā)密封端面型槽結(jié)構(gòu)提高剖分式機(jī)械密封的抗磨能力等。

4.2 理論模型（溫度、膜壓、變形和泄漏率）

剖分式機(jī)械密封與傳統(tǒng)機(jī)械密封的工作原理相似，均為動(dòng)、靜環(huán)端面貼合形成足夠的端面比壓而密封。

機(jī)械密封設(shè)計(jì)方法的建立，需要開(kāi)展端面溫度、膜壓、變形和泄漏率等理論模型的研究。盡管傳統(tǒng)的整環(huán)式機(jī)械密封的端面溫度、膜壓、變形和泄漏率模型已很成熟，但剖分面的存在打破了動(dòng)、靜環(huán)整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和軸對(duì)稱性，使得這些模型失去了應(yīng)有的應(yīng)用條件。

由于端面溫度、端面膜壓、介質(zhì)壓力對(duì)密封端面和剖分面的變形以及剖分面的形變對(duì)密封端面變形的影響，使得剖分式密封環(huán)溫度、膜壓、變形和泄漏率理論模型的建立變得十分復(fù)雜。亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題是探尋非連續(xù)剖分環(huán)端面溫度分布函數(shù)，建立基于有限元理論的剖分式機(jī)械密封熱-力耦合變形模型，端面或剖分面微通道內(nèi)流體流動(dòng)及控制模型，以及溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)中密封端面及剖分面形變的泄漏率模型。針對(duì)上述觀點(diǎn)作如下解釋：因剖分環(huán)整環(huán)特性的喪失使得圓環(huán)理論不可再用[42-43]；結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加致使邊界元理論不再適用[44]；考慮到剖分環(huán)變形由多物理場(chǎng)綜合作用，從而殼體力矩理論也不再適用[45]，故而采用有限元理論建立變形模型。

4.3 測(cè)量方法

先進(jìn)的測(cè)量方法是考核剖分式機(jī)械密封性能的保障。剖分機(jī)械密封性能參數(shù)主要有端面溫度、變形和泄漏率。

4.3.1 端面溫度測(cè)量

與傳統(tǒng)機(jī)械密封一樣，剖分式機(jī)械密封工作時(shí)亦會(huì)發(fā)生端面摩擦生熱。密封環(huán)徑向、周向及軸向溫度梯度引發(fā)端面及剖分面熱變形，加劇摩擦磨損及泄漏，使得以監(jiān)測(cè)和控制端面溫升為目的進(jìn)行端面溫度測(cè)量至關(guān)重要。

盡管傳統(tǒng)機(jī)械密封端面溫度測(cè)量方法同樣適用于剖分式機(jī)械密封，但傳統(tǒng)測(cè)量方法本身也并非完善，主要是因?yàn)楸砻鏈囟仍谀Σ粮北砻婷撾x后只能維系幾毫秒，難以通過(guò)移開(kāi)對(duì)偶面進(jìn)行測(cè)量。部分研究人員在不移開(kāi)密封環(huán)的前提下，基于紅外成像技術(shù)，以透明材質(zhì)的靜密封環(huán)作為試件，對(duì)運(yùn)行中密封試件的端面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[46-47]，但該方法要求一個(gè)密封環(huán)為透明材質(zhì)，并不適用于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中機(jī)械密封的測(cè)量。目前被普遍采用的方法是在靜環(huán)背部加工軸向盲孔，插入熱電偶傳感器，采集溫度值后進(jìn)行擬合處理以獲得端面溫度的熱電偶法[48]，存在的問(wèn)題是，傳感器與密封端面間存在一定距離，使得測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，且布線繁亂。為解決布線繁亂問(wèn)題，Gupta等[49]基于溫度誘導(dǎo)磁場(chǎng)改變的原理，利用霍爾效應(yīng)傳感器感應(yīng)永久磁鐵中磁場(chǎng)的變化進(jìn)而測(cè)得溫度變化的方法，發(fā)明了一種無(wú)線溫度傳感器，并用實(shí)驗(yàn)證明了其測(cè)量結(jié)果的有效性，但無(wú)線溫度傳感器存在的磁鐵高溫嚴(yán)重失磁問(wèn)題，極大地限制了其實(shí)用性和可靠性。因此，未來(lái)有待于將溫度傳感器與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，探索一種直接測(cè)量摩擦表面溫度、使用壽命長(zhǎng)的端面溫度測(cè)量技術(shù)，如發(fā)明一種采用基于紅外或聲表面波的無(wú)線溫度傳感器進(jìn)行密封端面溫度測(cè)量的方法。

4.3.2 變形測(cè)量

剖分式機(jī)械密封的變形主要表現(xiàn)為由物理原因、安裝錯(cuò)誤及產(chǎn)品瑕疵所導(dǎo)致的密封端面及剖分面的開(kāi)啟。通常后兩者可通過(guò)嚴(yán)格的診斷得以消除，但解決由前者所引發(fā)的剖分環(huán)變形則困難的多，主要是因?yàn)槲锢碓蚍倍啵ǘ嗣婺Σ辽鸁帷椥悦芊馊κ湛s與膨脹、軸振動(dòng)等，且在加工與安裝良好條件下，此類(lèi)變形通常為微變形，而剖分面的引入更增加了變形的復(fù)雜性，因此難以測(cè)量并加以控制，現(xiàn)今還沒(méi)有效的測(cè)量方法。

李鯤等[50]在靜環(huán)端面所開(kāi)槽內(nèi)裝入銅片，黏結(jié)牢固后磨平端面，通過(guò)固定在動(dòng)環(huán)上的非接觸式位移傳感器，較準(zhǔn)確地獲得了密封環(huán)端面的變形值；Brunetière等[51]基于紅外成像技術(shù)對(duì)靜環(huán)為紅外可穿透材質(zhì)的機(jī)械密封的變形進(jìn)行了測(cè)量，得出模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符；Liu等[52]采用Raman spectrum三維輪廓儀對(duì)運(yùn)行結(jié)束的密封環(huán)端面表面形貌進(jìn)行測(cè)量，獲得了其表面粗糙度的三維形態(tài)和數(shù)值，通過(guò)分析粗糙度值得到了端面變形后的形狀及變形值。但是，這些方法一方面需要苛刻的測(cè)試環(huán)境，造成測(cè)試結(jié)果的不穩(wěn)定性與不確定性；另一方面，測(cè)量過(guò)程中未能考慮密封環(huán)端面變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)于剖分式機(jī)械密封，無(wú)論是伴隨摩擦磨損的密封端面，還是失去連續(xù)性的剖分面，在摩擦熱、介質(zhì)壓力以及端面比載荷的作用下，都會(huì)產(chǎn)生變形，且隨著摩擦熱、介質(zhì)壓力以及端面比載荷的變化而變化，這無(wú)疑增加了測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性和測(cè)量方法的應(yīng)用難度。因此，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、有效、可實(shí)現(xiàn)剖分式機(jī)械密封微變形的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法是未來(lái)的努力方向。

4.3.3 泄漏率測(cè)量

剖分式機(jī)械密封的剖分面變形使得泄漏通道變多，結(jié)構(gòu)非連續(xù)性加劇了密封環(huán)的應(yīng)力分布不均而引發(fā)更大的變形，導(dǎo)致泄漏比同工況下的傳統(tǒng)機(jī)械密封多得多，而機(jī)械密封泄漏構(gòu)成健康、安全和環(huán)境隱患，因此如何掌握泄漏動(dòng)態(tài)以采取措施消除泄漏成為剖分式機(jī)械密封技術(shù)研究的關(guān)鍵。

盡管剖分式機(jī)械密封的泄漏由端面泄漏率和剖分面泄漏率組成，但總體泄漏率仍可采用與傳統(tǒng)整環(huán)式機(jī)械密封相同的泄漏測(cè)量方法測(cè)量。當(dāng)密封介質(zhì)為流體時(shí)，采用規(guī)定時(shí)間內(nèi)收集的泄漏液體的體積或質(zhì)量來(lái)測(cè)量泄漏量，如量杯測(cè)量方法、電子天平或稱重傳感器測(cè)量法，泄漏大時(shí)也可通過(guò)統(tǒng)計(jì)泄漏液滴數(shù)計(jì)量；當(dāng)介質(zhì)為氣體時(shí)，可附加密封腔體，采用狀態(tài)方程法測(cè)量[53]。

獨(dú)立測(cè)量運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下剖分式機(jī)械密封的端面泄漏率和剖分面泄漏率，面臨著示蹤粒子的流動(dòng)跟隨性、成像可見(jiàn)性、投放布撒技術(shù)和PTV（particle trackingvelocimetry）算法等問(wèn)題。

4.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)差異使得傳統(tǒng)機(jī)械密封的密封性能指標(biāo)不再適用于剖分式機(jī)械密封。至今，剖分式機(jī)械密封仍然沒(méi)有建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如試驗(yàn)方法、尺寸規(guī)格、性能指標(biāo)等。實(shí)際上，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是判定剖分式機(jī)械密封設(shè)計(jì)是否合理、性能是否滿足使用要求的依據(jù)。

建立剖分式機(jī)械密封技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：用戶對(duì)剖分式機(jī)械密封性能的期望值、現(xiàn)階段測(cè)試技術(shù)，制造能力調(diào)研，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表征方法等。

4.5 制造關(guān)鍵技術(shù)

剖分式機(jī)械密封的剖分面加工方法的選擇直接影響到密封端面的平面度和密封環(huán)圓度。整環(huán)剖分成半環(huán)后，內(nèi)應(yīng)力重新分布和剖分面緊密性連接所施加的載荷，都會(huì)改變剖分面的平直度、環(huán)的圓度以及剖分面與端面的垂直度，極大地影響剖分式機(jī)械密封的性能。

限制剖分式機(jī)械密封高效、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)制造的瓶頸主要有內(nèi)應(yīng)力處理方法、經(jīng)濟(jì)性加工方法的開(kāi)發(fā)、提高加工精度的加工工藝的制定等。

5 結(jié)語(yǔ)

剖分式機(jī)械密封解決了填料密封與軸或軸套之間的摩擦問(wèn)題，克服了整環(huán)式機(jī)械密封裝拆時(shí)需要拆卸軸端零部件的困難。要提升剖分式機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，一方面需要分析剖分面割斷密封環(huán)結(jié)構(gòu)連續(xù)性對(duì)密封性能及制造帶來(lái)的影響，提出新穎的剖分面和端面結(jié)構(gòu)以及剖分式機(jī)械密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；另一方面，需要加強(qiáng)剖分式機(jī)械密封理論研究及其技術(shù)開(kāi)發(fā)，包括：溫度、變形和泄漏率理論模型，端面溫度測(cè)量、變形和泄漏率測(cè)量技術(shù)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制造關(guān)鍵技術(shù)。

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