針對機械密封的理論研究

黃玉璽 邱成磊 李琛恒 呂桉

摘 要：闡述了機械密封的起源與發展，介紹了機械密封在每一個階段發展的主要動力。講述了50年來構造機械密封機理的粘滯力假說和表面張力假說。在表面張力假說的根基上，機械密封存在空化、汽化密封理論；在粘滯力假說的基礎上，有邊界潤滑、混合潤滑密封理論。在不停探究機械密封機理的同時，有效地利用密封機理設計造出了機械密封產品。目前，主流的機械密封應用技術主要有組合密封技術、表面改形技術和可控機械密封技術。表明了現有密封理論都存在著無法攻克的問題，指出了機械密封研究的動力和方向。研究和揭示機械密封有關規律的關鍵是提升機械密封端面參數測試的可靠性；可控機械密封實踐仍存在諸多困難，其中包括最佳工況點的求取、控制參數的選擇與測量、反饋執行機構的研制等；納米材料的特殊性能有助于改善機械密封端面間潤滑狀態， 機械密封研究的近期目標將是開發納米材料機械密封和應用納米沖洗液。

關鍵詞：機械密封；組合密封

1、機械密封的起源與發展

最早的機械密封是1885年在英國以專利形式出現的，1900年開始使用。第一次出現的簡單的端面機械密封，解除了機器制造業中轉軸密封問題。同慣用的填料密封相比，無論在功能上還是結構原理上，機械密封都有著明顯的優越進性。然而，由于當時缺少合適的材料和加工機床，盡管這種密封結構有很多優秀的地方，但還是沒有發揮其效果。直到1920年，由于新工藝和新材料的出現，繼提高了使用可靠性和壽命，降低了制造成本之后，機械密封才逐漸在許多冷凍裝置上得到諸多的使用。1930年以后，機械密封用于內燃機水泵的軸封，此時psv值達到了3.1MPa？m/s。在這一階段，機械密封發展的主要動力是機械加工和材料方面的技術進步。第二次世界大戰以后，機械密封在美國得到了快速普及。1939～1945年由于石油化學工業的發展，石墨、陶瓷、硬質合金等材料在機械密封動靜環制造中的應用以及加工技術中表面粗糙度控制水平得到提升，psv值達到了15MPa？m/s；1956年在構造上出現了平衡型機械密封和中間環密封，psv值達到了30MPa？m/s，1959年達80MPa？m/s。在這一階段，機械密封發展的主要動力是工業發展速度和生產過程的需要。1961～1963年由于原子能工業的需求，在結構上顯示了流體動壓密封和流體靜壓密封，使psv值迅速提高到167MPa？m/s，1969年達到266MPa？m/s。在這一階段，主要發展動力是密封端面間不一樣的潤滑機理的出現和與之相適應的新型結構的探尋與開創。1971～1974年由于宇航和核電方面的特殊需求，在結構上呈現了多級密封，在材料上展現了碳化硅和優質的不同浸漬材料的碳石墨，使psv值達到了360MPa？m/s，1977年由于核電等特殊需求采用螺旋-機械密封組合的密封、改進的中間浮動環密封等、浮環-機械密封組合密封等，使最高psv值到了500MPa？m/s。這一階段，結構重組和密封新材料的出現成為發展的主要動力。

1980-1990年隨著人們對保護環境意識的提升，開發出了“零泄漏”機械密封。在流體動壓密封原理的基本理論上，研發出了熱流體動力楔機械密封和上游泵送機械密封。在保證密封性能和獲得較長的使用壽命同時，人們利用自動控制理論，開發出可控機械密封。1990年以后，機械密封psv值達到了5700MPa？m/s。這一階段，密封原理的發展和控制理論的支持是發現的主要動力。

2、機械密封的原理發展

對于機械密封而論，組成密封作用的假說基上分成兩種，即表面張力假說和粘滯力假說。最早提出表面張力假說的是A Brkich。A Brkich認為密封端面間穩定而可靠的結果主要是表面張力作用，密封端面實際上并不是理想的光滑平面，少量突起部分存在著直接接觸。G ERajakovics應用試驗闡述了表面張力是密封重要因素這一觀點。同時對粘滯假說提出了異議：粘滯力（主要是指液體和固體表面的附著力）要在間隙為10-9m或更小時才起作用，在微米級的密封間隙中不起效果；粘滯是一種動力學的特性，而在密封處于零泄漏時，徑向是沒有動力學過程的。國內李克永等也著文贊同表面張力假說。

3、機械密封的應用

在研究機械密封原理的一百多年中，人們成功的學以致用。在電力，核工業，石油等領域都有利用密封機理設計制造的產品。表面改形技術，組合密封技術，可控機械密封是目前主要的機械密封技術。

3.1組合密封技術

伴隨著工業的迅速發展，人們已不滿于單一的密封，對它的要求也變高。目前人們把不同密封組合，擇其優，使它能發揮更好的作用。組合式機械密封分為接觸式密封和接觸式密封組合以及非接觸式和接觸式密封混合組合，并一直廣泛應用。

3.2表面改形技術

為了改善端面間的潤滑狀況，從而在密閉斷面上開出各式各樣的槽，因而實現機械密封的長壽命運，這就是表面改性技術。根據開槽深度可以分為開深槽和開淺槽。開深槽機械密封又可分為熱流體動壓型機械密封以及流體靜壓型機械密封。液化石油氣注射泵應用的就是流體靜壓機械密封技術，這一技術已在國內外廣泛應用并開發了許多產品。

3.3可控機械密封技術

機械密封通過實現高參數設計制造與運行之后，人們展開了泄漏率和磨損同時控制的研究。表征機械密封性能的兩個方面就是泄漏率和磨損。泄漏率高，密封端面間液膜厚，工作時端面磨損小，機械密封使用壽命更長久。反之，機械密封使用壽命就會變短。因此尋找機械密封最好工況點成為機械密封實現性能控制的關鍵。隨著計算機、電子技術和密封理論的發展，可控機械密封技術將會應用在各種工業領域中。

4、機械密封的發展動向

總而言之，我們能夠看出機械密封是在特定的歷史條件產生及其發展應用。伴隨著石油化工、宇航、材料科學及制造技術的快速發展，機械密封研究開發主要有兩個方面，即機械密封的基礎理論和實驗研究進一步向縱深發展，以及機械密封應用技術研究備受人們關注。

為了揭開機械密封相關規律，提升機械密封端面參數測試的準確性與研究是關鍵。雖然可控機械密封研究已獲得一定成果，但是許多年來工業應用幾乎為零，這說明可控機械密封實踐仍存在很大困難。納米材料的特殊性能有利于改善機械密封端面間潤滑效果，開發納米材料機械密封和應用納米沖洗液將會成為機械密封研究的近期目標。

5、結論

闡述了機械密封的起源與發展，介紹了機械密封在每一個階段發展的主要動力。分析了我國機械密封技術的起源、發展及運用，同時提出的納米技術對機械密封技術的發展有重要意義，為我國機械密封技術的發展做出一定貢獻。

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