關于一種應用于化工機械的傳動密封裝置設計

張博，雷夢龍(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著石油煉化技術的高速發展，流體機械的應用參數水平也在不斷提高，對機械性能要求也在不斷提高，轉軸密封的作用非常突出。于化工機械來說，機械密封是非常關鍵的部分，只有良好的密封效果才可以保證機械設備的安全性和可靠性。現階段的機械密封主要包括傳統機械密封、非接觸式機械密封兩種，由于非接觸式機械密封可以通過流體膜減少內部摩擦，可以有效延長機械設備的使用壽命。本文針對化工機械所需密封設計了相應的密封裝置，同時利用試驗對此裝置工作效果進行了驗證，能夠為化工機械進一步發展提供相應參考。

1 非接觸式機械傳動密封裝置結構設計原理分析

現階段最為常用的機械密封主要有流體靜壓型、流體動壓型、動靜壓組合型等，化工機械所采用的傳輸密封主要利用流體動壓效應來實現密封。非接觸式泵送機械密封裝置能夠通過流體在動壓槽內部旋轉運動在機械設備的外部形成液體膜，此種膜具有較強的剛度以及較大的端面間隙，所以比較適合應用在化工機械的密封方面，磨損相對較小。此傳動密封裝置主要包括高壓側、低壓側、密封壩、螺旋槽、密封堰等部分，裝置的不同部位密封方式有所差異，其中上部采取的是零泄漏泵送密封方式，下部采取的是零泄漏上游泵送密封方式。此種方式不但能夠確保裝置可以傳送飽和蒸汽壓力超過環境氣壓的液體介質密封，同時也能夠對低于飽和蒸汽壓的輕烴介質進行傳輸。若是傳動密封裝置傳動環進行旋轉時，在動壓效應作用下會使螺旋槽內黏性流體在動、靜環間形成流體膜，通過此膜的作用能夠隔離動環和靜環，避免兩環端面發生接觸[1]。

2 應用于化工機械的傳動密封裝置設計內容

以上述傳動密封裝置結構原理為基礎設計應用于化工機械的傳動密封裝置，如圖1所示。

圖1 化工機械傳動密封裝置示意圖

(1)此化工機械傳動密封裝置主要是利用單軸實現傳動，在此裝置內部單吸單級懸臂式離心泵是最為關鍵的結構之一，是傳動結構的核心，和其他零部件共同聯動完成傳動。在傳動時主要是通過調速電機提供動力，并通過彈性柱銷聯軸器和傳動軸進行連接實現動力的傳輸。為了最大程度降低傳動過程中的功耗，機械密封裝置的傳動軸外部要設置有軸套，但是因為在實施機械密封傳動過程中會產生相應的軸向力，因此最好在和聯軸器側相接近的對稱部位再設置同樣規格型號的密封裝置，此密封裝置還可以避免流體發生側漏。

(2)此化工機械傳動密封裝置具有非常強的消除功能，可以抵消掉傳動軸上所具有的軸向推力，提升密封效果。在傳動裝置轉軸的兩邊分別設置一個滾珠軸，能夠實現有效的支撐。另外，通過皮帶和傳動軸連接調速電機，通過在滾珠軸承中部設置皮帶輪能夠確保密封裝置的平衡性。隨著化工機械裝置的差異，采用的皮帶輪尺寸也會有所差異，在實際應用時利用更換軸套、法蘭等方式可以滿足化工機械的要求。

(3)在確保良好密封功能的同時也要注重整體成本的控制，所以在進行化工機械密封傳動裝置設計過程中要特別加強核心部件的設計。對于該裝置來說，主動軸是最為關鍵的部件，發揮著主體支撐的作用。該軸的一側和聯軸器進行連接，另一側進入到密封腔內部，在化工機械運行過程中傳遞著動力。在實際應用中需要在同軸線加入電機軸、轉矩轉速儀軸以及相應的傳動軸，以此來提升轉軸的穩定性。

(4)為了加強設計的有效性、準確性，要通過三維建模設計軟件進行實體建模，在實際設計時要通過尺寸驅動的方式進行設計，利用軟件中所具有的程序功能快速創建修改幾何體零件。現階段絕大部分領域都通過三維軟件進行繪圖，這些三維設計軟件中都嵌入了不同的有限元分析模塊，能夠對不同工程類型(包括力學、傳熱、流體等)進行仿真模擬，將其應用在機械密封試驗方面能夠起到非常好的作用。采用此類設計軟件進行密封試驗，能夠對機械主體、油路、傳感器等關鍵部位實施有限元分析，利用分析優化所得密封端面判定出傳感器最為科學、合理的安裝區域。通過此種方式進行密封裝置設計能夠有效解決安裝、制造等方面存在的問題，更加便捷、準確，能夠大大降低設計成本[2]。

通過軟件的有效應用能夠明確相關零件中不合適的尺寸，從而可以對其進行必要的微調，之后可以形成實施用工程圖用于制造。另外，三維實體軟件無需繁復的渲染就可以形成零部件，能夠組合成最終的機械設備，更加真實的展示出來。通過三維實體軟件能夠明確各零部件的干涉情況，可以對不同零部件之間所具有的機械關系進行準確分析，同時也可以檢查不同零部件之間的摩擦情況以及運動關系等。

3 化工機械傳動密封裝置的試驗分析

為了進一步判定所設計的化工機械傳動密封裝置具體工作性能，本文利用有限元分析的方式對于傳動密封裝置動靜環間隙流場壓力分布情況、動靜環間隙流場溫度分布情況進行仿真分析，最終通過流線圖的分析判定最終密封效果。試驗主要是通過迭代計算的方式進行計算，通過近百次的計算來體現傳動過程中的各種信息(包括壓力、溫度、速度、密度等)[3]。

3.1 動靜環間隙流場壓力分布試驗分析

通過具體試驗能夠得到動靜環間隙流場壓力大小分布情況，從壓力分布情況來看，所設定的機械傳動密封裝置動靜環之間間隙設定為4 μm，所以對于Z軸來說壓力并不會發生相應的改變，其中最大壓力出現在裝置內部流體動壓槽的根部位置，從流體動壓槽根部的尖角開始壓力會漸漸下降。受到流體動壓效應的影響，流體并不會向內部泄漏，這樣就可以確保化工機械實際工作時動環和靜環的有效分割。對于該裝置的高壓區來說，所形成的環不具有連續性，因此在高壓區可以采取滾動軸承來取代動靜環進行工作。通過以上分析能夠得知，本文所設計的機械傳動密封裝置可以大大減小端面之間所形成的摩擦作用，能夠減少磨損，從而提升應用時長。

3.2 動靜環間隙流場溫度分布試驗分析

通過具體試驗能夠得到動靜環間隙流場溫度大小分布情況，從中可知動靜環間隙流場溫度的最大值主要出現在密封壩位置，而最低溫度則和環境溫度相同。對溫度分布情況進一步分析能夠得知，在密封壩區域裝置的溫度相對較高，這就表明此區域流體會受到更多摩擦，相對其他區域摩擦嚴重，此時就可以利用槽區來增強整個裝置的流動性，能夠減小摩擦熱的產生，可以確保裝置內部產生的熱量快速分散，從而避免受到較高溫度影響而造成機械密封無效，能夠確保機械傳動密封裝置的正常運行。

3.3 流線圖試驗分析

通過試驗能夠得知此機械傳動密封裝置內部流體流動阻力相對較小，流體可以正常流動，流動過程中不會發生較大的壓力損失，所設計的密封裝置可以有效確保流體動態平衡，能夠保證壓力穩定性，可以進一步減小端面的溫升，能夠實現良好的密封，同時能夠進一步提升化工機械的使用周期。

4 結語

石油化工行業的高速發展，離不開生產設備的安全性保障。泵類裝置屬于石油化工生產系統中的重要組成部分之一，在使用過程中比較容易出現泄漏問題與設備密封不足問題，為此，業界要加強對其使用安全性的研究，提出更加有效的解決辦法。化工機械不同于普通機械產品，其具有嚴格的安全要求，對于密封要求較嚴。隨著技術水平的快速提升，化工機械裝置密封水平也在提升。在機械密封裝置設計時需要利用現代信息技術的輔助來提升密封裝置的有效性，確保維持壓力的穩定性、降低裝置工作時的溫度，保證化工機械較長的使用壽命[4]。