自適應接觸式機械密封性能的分析

【摘要】：自適應接觸式機械密封方式普遍應用在各個領域中，具有很高的應用價值。本文通過借助理論模型對自適應接觸式機械密封性能展開討論，包括熱流固耦合混合潤滑模型和流固耦合流體潤滑模型兩種，分別分析了正常工作和非正常工作兩種狀態下自適應接觸式機械密封性能，進而為我國設備制造提供理論依據。

【關鍵詞】：自適應機械密封；接觸式機械密封；靜環組件結構

前言：隨著社會的發展，機械密封已經普遍應用在農業、航空航天等各個領域，機械密封性能受到多種因素的影響，包括壓力、設備表面凹凸性等，通過對密封性能的研究，能有效滿足不同環境下對密封性能的需求。相關學者采用數學模型對機械密封性能進行研究，目前已經取得了一定的成果，但是還有待改進。

一、理論模型

（一）熱流固耦合混合潤滑模型

機械密封性能問題可以借助數學模型得到有效分析，在實際情況下，自適應接觸式機械密封的工作壓力差為0.17MPa，理論上動密封環和靜密封環是互相平行的，建立數學模型時，假設動密封環是一個圓環，靜密封環是帶有突出平臺的一個圓環，分別用ri和ro表示動靜密封環的半徑[1]。可以通過溫度場分布和開啟力平衡來分析自適應接觸式機械密封的性能，其中熱量是由摩擦生熱和流體內部剪切熱量提供的，通過將密封端面分別等效為理想平面和粗糙平面，再根據開啟力公式和密封環的溫度控制公式，能有效判斷出溫度場分布情況和開啟力平衡狀況，進而分析機械密封性能。

（二）流固耦合流體潤滑模型

在借助流固耦合流體潤滑模型進行自適應接觸式機械密封性能的分析時，為了使公式運用合理，需要作出以下假設：機械密封的靜密封環在密封過程中變形程度會遠小于動密封環，進而可以忽略靜環組件的端面變形；忽略介質粘度隨溫度的變化情況。簡化后的密封端面壓力公式可以表示為：

其中r、h、p分別代表液膜的半徑、厚度、壓力。密封組件的變形問題可以通過控制方程得到有效解決，在數值求解過程中，利用Matlab軟件進行流體端面壓力分布情況求解，再將壓力分布至ANSYS軟件上，通過ANSYS軟件求解密封組件的變形程度，通過兩個軟件的連續運算，直至所有物理量收斂使，運算結束，進而分析自適應接觸式機械密封性能。

二、正常工作狀態性能分析及討論

（一）操作參數對密封性能的影響

實際工作情況下，自適應接觸式機械密封的工作壓力差為0.17MPa。主軸轉速的變化將會導致多方面因素的變化，包括端面溫度變化、端面間隙變化、泄露情況的變化。根據以往的實際機械密封情況，可以總結出：當主軸轉速增加時，液體流動的速度加快，而機械密封中產生的一部分熱量就是由液體之間流動剪切引起的，因此流體流動速度加快，導致剪切速度加快，進而使密封端面的溫度升高；隨著溫度的升高，熱變形程度會加大，從而導致端面間隙增加，并且隨著主軸轉速的提高，介質泄露量也會增加。當轉速一定時，介質壓力會對機械密封性能造成一定的影響，根據相關的數據表明，可以總結出以下規律：當介質壓力增大時，密封端面間隙也會隨之增大，從而泄漏量增加，由于端面間隙的產生，減少了由于粗糙面接觸引起的熱量，同時，泄漏量的加大，價值會將產生的部分熱量帶走。所以，盡管端面溫度是一直增加，但是增加的速率是逐漸減小的[2]。

（二）表面粗糙度對密封性能的影響

密封端面的粗糙度對自適應接觸式機械密封的性能有一定的影響，在機械密封壓力差為0.17MPa，轉速為1500r/min時，隨著密封端面粗糙度的增加，對密封端面的端面間隙、密封泄漏率等密封性能進行測定。結果表明：隨著端面粗糙度的增加，在彈性接觸狀態下，粗糙峰的出現概率減少、端面間隙增加、介質泄漏率增加，并且端面粗糙度的增加對介質泄漏率的影響較為顯著；隨著端面間隙的增加，介質泄露帶走的熱量增多，流體剪切產生的熱量較少，因此密封端面的升溫速率是逐漸減慢的.

（三）密封開啟壓力

當液膜厚度超過一定范圍時，密封將會被打開。例如但液膜厚度與密封表面粗糙度的比值為3時，密封恰好處于流體靜壓狀態，相當于液膜厚度為0.9um，但是實際工作中會因為其他因素的影響，包括粘度等因素，導致液膜厚度大于0.9um時，密封才會開啟，通常認為密封端面間隙為1.0um時，密封端面開啟。隨著密封開啟壓力的變化，密封泄漏率和密封端面間隙也會產生一定的變化，相關實驗結果表明，在密封恰好開啟的范圍內，隨著密封開啟壓力的增加，端面間隙將增大，介質泄漏率將增加，直至密封端面不接觸，此時密封被開啟。

三、非正常工作狀態性能分析及討論

（一）自適應變形機理

自適應接觸式機械密封在非正常工作狀態下，動密封環在介質壓力下，會沿軸向產生一定的位移，并且由于壓力的作用，動密封環變形環板內側會發生變形，直至變形環板頂面外側與動密封環相接觸，才會停止變形過程。此時動密封環內側作為一個支點，動密封環與變形環板外側接觸處作為另一個支點，當動密封環受到介質壓力作用時，便會以這兩個點為變形中心點發生變形，直至機械密封系統達到平衡狀態時不再發生變形[3]。在上述闡述中，動密封環的軸向位移會導致動密封環變形板產生一定距離的逆時針變形，而在介質壓力作用下，動密封環將進行順時針的變形，由于兩種變形方向相反，兩者將會相互阻礙。最終在兩者動態平衡時，將會造成密封端面的端面間隙收斂成固定角度。

（二）操作參數對密封性能的影響

當自適應接觸式機械密封的介質壓差為15.5MPa時，隨著主軸轉速的增加，介質的流動性將會增強，由此流體剪切引起的熱量將會增多，介質的平均溫度將會有所提高。但是因為流體剪切提供的熱量占整個系統熱量來源的一小部分，因此，介質平均溫度升高的幅度較小。由于在分析非正常工作狀態下操作參數對密封性能的影響時，忽略溫度和熱變形程度對密封性能的影響，因此在主軸轉速發生變化時，端面間隙和介質泄漏率不發生變化。根據有關實驗結果可以得出以下結論：當介質壓力增大時，介質泄露率也會增加，并且在介質壓力小于4.5MPa時，泄漏率增加速率較快，當壓力超過4.5MPa時，隨著介質壓力的增加，泄漏率增長有所緩慢；當壓力不超過7MPa時，密封端面間隙隨著壓力的增加而增加，當壓力超過7MPa時，隨著介質壓力的增加，端面間隙逐漸減小。密封介質的溫度會對介質粘度造成一定的影響，粘度又與介質泄漏率有關，根據以往的操作經驗可得出，介質粘度隨著介質入口溫度增大而減小，從而導致液體的流動性增強，進而增大介質泄漏率。由于密封介質入口溫度對平均介質溫度的影響不大，因此當介質入口溫度增加時，介質平均溫度幾乎不變，從而導致介質粘度變化不大，也就是說，對機械密封性能影響較小。

結論：

目前研究自適應接觸式機械密封性能的基本方法是借助數學模型來分析，已經有大量學者在這一問題上進行了研究，并且取得了成果。機械密封具有重要的應用價值，在各個方面都有廣泛的應用，機械密封性能的好壞對我國航那天航空、農業等領域的發展也有一定程度的影響，如果能促進機械密封具有良好的性能，將具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]趙星宇，劉瑩. 自適應接觸式機械密封性能研究[J/OL]. 機械工程學報，2015，51（15）：9-19. （2015-05-13）[2017-08-02].

[2]李溪源，張秋翔. 結構參數對壓力自適應型機械密封性能的影響分析[J]. 石油和化工設備，2014，17（08）：9-13+25. [2017-08-02].