登機橋液壓泵密封性能提升研究

成都雙流國際機場股份有限公司 盧建明

一、液壓泵對密封的要求

圖1 液壓泵的密封點

基于登機橋的日常使用和維護要求，總結歸納出液壓泵的密封性能要點如下：

（1）在登機橋液壓泵的工作壓力（0-100bar）和設計溫度（-10-120℃）范圍內，應具有良好的密封性能，能實現液壓油的零泄漏；

（2）執行機構與密封之間的摩擦阻力小且在整個大修周期內摩擦系數穩定；

（3）在機場嚴苛的環境下，能經受日曬雨淋風吹和晝夜溫差的交替變化，穩定性高，壽命長，且具有一定的自我修復能力；

（4）結構簡單，安裝、操作維護方便，價格適中。

二、液壓泵密封的分類特點及應用

按照密封的工作原理可分為接觸式密封和非接觸式密封。接觸密封一般指成型密封件，例如O形圈、C形圈等，非接觸式密封通常指間隙密封。常見的液壓泵的密封型式有：骨架密封、螺旋密封、迷宮密封、填料密封、機械密封等。

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（一）骨架密封

骨架密封作為一種標準化制造的產品，其成本低，通用性強，更換方便，易于維護，且骨架密封對旋轉軸的阻力較小，既能避免液壓油外漏，也可以避免外界雜質和其他有害物入侵，并且具有一定的補償工作能力，但不能承受髙壓，一般用在低壓工況的液壓泵上。

（二）螺旋密封

螺旋密封是一種非接觸式密封，其工作原理是利用開在運動部件（通常為旋轉軸）或者靜止部件上（通常是腔體）上的螺旋槽產生的動力，對充滿在軸和腔體之間的密封介質形成一種泵送效應，從而阻止密封介質往外泄漏。所以影響螺旋密封性能的因素包括：螺旋槽的結構參數（螺距、螺旋角、齒形、齒寬、齒高等）、運行部件和靜止部件之間的間隙、螺旋密封的有效作用長度。

（三）迷宮密封

迷宮密封是在執行元件周向設計若干個密封齒的一種密封結構，也是一種非接觸式密封，齒既可以安裝在執行元件中，也可以安裝在靜止元件上。其工作原理是利用齒與齒之間形成的膨脹空腔，當密封介質通貨膨脹空腔將形成節流效應，從而實現密封介質往外泄漏。根據結構特點的不同，分為平滑式、曲折式、階梯式及蜂窩式四種類型。

（四）填料密封

填料密封又稱為壓緊填料（Gland Packings）密封，俗稱盤根（Packings）密封，是最古老的一種密封結構，填料密封因其結構簡單，價格低廉、來源廣泛而獲得許多工業部門的青睞。填料密封分為軟填料密封、硬填料密封和成型填料密封。

（五）機械密封

機械密封(Mechanicalseal)是指由一對及以上垂直于旋轉軸的密封面組成，且密封面在介質壓力和彈力（或磁力）的作用下，在輔助密封的配合下保持閉合，同時密封面之間有相對滑動，用來阻止介質泄漏的一種機械裝置[1]。典型的機械密封結構如圖2所示。干氣密封是一種特殊的機械密封，是目前可靠性最高，應用最廣泛的密封形式之一。

圖2 典型機械密封結構簡圖

三、干氣密封的原理與設計

（一）干氣密封原理

干氣密封通常由動環、固定動環在執行元件上的軸套、靜環、固定靜環在靜止元件上的彈簧座、彈簧、密封圈等元件組成。與機械密封相比，干氣密封需要在動環或者靜環上刻有流體動壓槽。

當執行機構運動時，動環和靜環將產生相對運動，從而使流程動壓槽產生泵送效應，將動靜環周圍的密封氣泵送進入流體動壓槽內，由于流體動壓槽為封閉環槽，泵送進入的氣體將被壓縮，壓力升高，隨著氣體的不斷泵入，壓力持續升高，當壓縮氣體產生的推力（開啟力）能夠克服密封氣作用在靜環上（或者動環上）的壓力和彈簧力（閉合力）時，動環和靜環將被分開，形成氣膜。衡量干氣密封性能的主要指標是氣膜剛度和泄漏量，氣膜剛度越大，密封的抗干擾能力越強，運行越穩定，泄漏量越小，密封氣的耗量越小，性能越好[2]。

（二）影響干氣密封性能的主要參數

根據前文可知，干氣密封性能一方面受密封結構影響，尤其是端面槽型參數的影響，另一方面受工況參數的影響，比如密封氣的壓力、溫度、組分等。端面槽型參數是密封的固有屬性，設計完成將無法改變，而工況參數與密封的工作環境密切相關，可以通過外部控制進行調整。

1.密封端面槽型參數對密封性能的影響

（1）動壓槽形狀的影響

實踐使用證明，螺旋槽是干氣密封流體動壓槽最經典的槽型，氣產生的氣膜剛度大，穩定性高，同樣的氣膜剛度下，具有較小的泄漏量，也是應用最廣泛的槽型，近些年中密控股發明的雙尖槽是國內干氣密封領域應用最多的槽型之一，且具有自主知識產權，值得推廣應用。

（2）動壓槽深度的影響

分析計算發現，干氣密封的流體動壓槽越深，氣膜剛度越大，泄漏量越大，但當槽深超過一定值后，氣膜剛度將不再增大，而泄漏量會繼續增大，故實際應用中，推薦的流體動壓槽深度為2-12微米。

（3）動壓槽數量、寬度及長度的影響

大量的工程實際和理論研究表面，在一定范圍內，流體動壓槽數量越多，流體動壓槽越寬，長度越長，產生的流體動壓效應越強，但當數量達到一定的值、寬度達到一定的比例、長度接近極限后，再增加槽數、加寬槽寬、延長槽長時，除了泄漏量繼續增加，氣膜剛度幾乎不受影響。

2.工況參數對密封性能的影響

（1）軸徑、線速度對密封性能的影響

密封軸徑越大，線速度越高，干氣密封的泄漏量越大，設計難度越大。

（2）密封氣壓力對密封性能的影響

在槽型參數一定的情況下，密封氣壓力越高，干氣密封端面前后壓差越大，泄漏量越大。

（3）密封氣溫度、粘度對密封性能的影響

密封氣溫度對密封性能的影響是因為溫度將改變密封氣的粘度，從而影響密封的性能，密封氣粘度越高，產生的流體動壓效應越厲害，氣膜剛度和厚度將增加，但粘度增大，密封氣流動的阻力將增大。所以，溫度和粘度對密封性能的影響極小，在工程應用中基本不予以考慮。

（三）干氣密封的設計

基于前文的分析，本文以螺旋槽為例，對干氣密封的性能進行模擬分析計算，采用專業的二次開發的有限元分析軟件，對流體動壓槽的結構參數進行優化，以干氣密封具有最小的泄漏量和最大的氣膜剛度作為優化目標，即以干氣密封具有最佳剛漏比為優化目標，其意義為此時密封具有較高的穩定性同時泄漏量較低。

基于專業的干氣密封計算軟件，對端面氣膜分布情況進行計算，其流體膜壓力分布如圖3所示。

圖3 端面流體膜壓力分布

分析不同槽型參數對開啟力和氣膜厚度的影響，從而得到流體動壓槽對泄漏量和氣膜剛度的影響，部分分析計算的結果如圖4、圖5所示。

圖4 槽深對密封性能的影響

圖5 螺旋角對密封性能的影響

基于上述分析計算，確定最優槽型參數，在此條件下，密封具有最佳性能。

（四）密封材料的選擇

液壓泵干氣密封工作條件較苛刻，且處于頻繁啟停的狀態，所以要求摩擦材料具有較好的耐磨性能，同時，在旋轉干氣密封材料時，應考慮密封環具有高的導熱率，能及時帶走端面的熱量，保證密封的使用性能，所以液壓泵干氣密封的靜環通常選用反應燒結碳化硅，當然也可以選用無壓燒結碳化硅，而動環優先選用耐磨性和潤滑性良好的石墨。

四、結語

本文對登機橋液壓泵密封的選型、設計進行了論述，重點分研究了干氣密封端面參數對密封性能的影響。大量的工業應用案例表明，在此工況下，干氣密封滿足了液壓泵的密封性能要求，且穩定可靠，壽命長，說明采用干氣密封作為登機橋液壓泵的動密封是一種有效可行的方案。