空調冷卻水泵機械密封參數優化的試驗研究

袁航，戴路玲

（南京科技職業學院，江蘇 南京 210048）

1 前言

空氣調節系統中冷凍水和冷卻水循環泵是除制冷機外的主要耗能設備，與其他設備一起共同完成空氣調節任務，成為空調系統的重要組成部分。泵的安全經濟運行保證了整個中央空調系統的安全經濟運行。空調系統中廣泛采用離心式水泵，其轉軸密封的主要應用型式是機械密封。在諸多離心泵使用故障中，因機械密封失效造成的離心泵停機常有發生，失效的表現大都是泄漏。在日常的設備管理工作中，如何降低能耗、提高密封的可靠性和延長密封壽命是人們普遍關注且日益重視的研究課題。有必要研究空調離心水泵的機械密封技術，掌握提高泵密封安全運行的關鍵點，保證空調系統高效運行。

尋找泵機械密封的優化方案，可以通過試驗的方法解決。實驗優化的主要目的是獲取研究數據，經過分析，實現優化。析因設計、正交設計、均勻設計及響應面設計是試驗優化設計中最常用的幾種方法。其中根據正交性從全面試驗中挑選出“均勻分散、齊整可比”的有代表性的點進行試驗，對試驗結果進行分析，進而推廣到整體試驗，以實現優化。正交試驗設計較之于析因設計大大減少了試驗次數，提高了工作效率。正交試驗設計由于其諸多優點而被廣泛應用于科學研究中。

2 試件及其試驗裝置

2.1 試件

根據試驗裝置的測試原理和尺寸大小，確定選用B104（GY70）型機械密封，即普通泵用機械密封，其結構型式見表1，其主要尺寸見表2。

表1 B104型(GY70)機械密封結構型式

表2 機械密封試件主要尺寸 （單位：mm）

其中：d1為軸大端外徑；d2為軸小端外徑；d3為窄環端面內徑；d4為窄環端面外徑；d5為靜環與密封圈配合處直徑；d6為靜環與密封腔體配合處直徑；B為靜環與密封圈配合處總寬度；b為密封端面寬度；β為平衡系數；Af為 密封端面面積。

按照寬系列尺寸標準，選取端面寬度b為5.0mm。為了充分研究平衡系數對目標特性值的影響規律，選取平衡系數β值為0.90。其密封端面技術參數如下：

動靜環端面平面度：<0.9μm；

動環端面平均粗糙度：Ra1=0.05μm；

靜環端面平均粗糙度：Ra1=0.10μm。

2.2 試驗裝置

試驗裝置為自行研制的彈簧比壓可控型機械密封試驗裝置。它包括機械系統和計算機數據采集系統兩大部分，其系統框圖如圖1所示。數據采集系統實現對多組參數的實時數據采集，其硬件組成如圖2所示。

圖1 機械密封試驗裝置系統框圖

圖2 多功能數據采集硬件組成

3 空調冷卻水泵機械密封參數優化的正交試驗研究

3.1 主軸承扭矩標定試驗

機械密封的總摩擦功率消耗包括密封副的摩擦功耗和旋轉組件對密封流體的攪拌功耗。而機械密封在運轉過程中，旋轉軸與軸承之間會產生一定的摩擦扭矩。為準確獲得機械密封端面摩擦功率，在機械密封性能試驗研究前，首先應進行空載試驗以標定試驗臺架的主軸承摩擦扭矩。

試驗結果表明，考慮流體攪拌功耗的空載運行試驗包括主軸承摩擦功耗及機械密封件的攪拌功耗，其測試結果對隨后進行的機械密封性能試驗的測量結果更準確。這與文獻的研究結果相吻合。因此，機械密封性能試驗前的空載運行試驗，其密封端面摩擦功耗的標定均以此空載運行試驗的結果為依據。

3.2 正交試驗及結果分析

從多因素正交試驗入手，在不同的工藝條件（介質壓力、電機轉速和彈簧比壓）下進行密封性能測試，探尋介質壓力、電機轉速和彈簧比壓三因素的變化對泄漏量和端面摩擦功耗的影響程度，并尋求最佳工藝條件。

（1）試驗條件

試驗介質：清水。

試驗時間：6h。

（2）三因素四水平正交試驗

應用正交試驗設計的原理，將密封介質壓力、電機轉速、彈簧比壓三個工藝參數作為因素（見表2），設計三因素四水平正交試驗，比較其對機械密封泄漏量和端面摩擦功耗的影響大小。

表3 正交試驗因素水平表

（3）試驗結果分析

①密封端面摩擦功耗。首先，對試驗數據進行方差分析，求出F比值。F值越大，目標特性值與該因素的影響關系就越大。從B104型機械密封端面摩擦功耗方差分析表可以看出，工藝參數對密封端面摩擦功耗的影響主次關系是：電機轉速、介質壓力和彈簧比壓。其次，對B104型機械密封端面摩擦功耗進行極差分析。由試驗分析結果可知，密封端面摩擦功耗隨介質壓力、電機轉速和彈簧比壓的增大均增大，但隨電機轉速的增大幾乎呈線性增大。生產中，離心泵常用的電機轉速值為3000r/min；當介質壓力在0.15～0.45MPa范圍時端面摩擦功耗上升明顯，達到0.45MPa以后，密封端面摩擦功耗有上升變緩趨勢。綜合考慮選取電機轉速為2960r/min、密封介質壓力為0.60MPa。

②泄漏量。從B104型機械密封泄漏量方差分析可以看出，工藝參數對密封端面摩擦功耗的影響主次關系是：彈簧比壓、介質壓力和電機轉速，彈簧比壓對泄漏量具有重大影響。圖3是B104型機械密封泄漏量隨各工藝參數變化的極差圖。

圖3 B104型機械密封泄漏量與工藝參數變化關系極差圖

對于平衡型機械密封，彈簧比壓是形成端面比載荷的重要部分，決定了端面密封比壓的大小。彈簧比壓增加，意味著克服端面間液膜反力的能力增強，而使端面貼合得更緊，介質泄漏時阻力增加，泄漏量降低。但隨著彈簧比壓的增大，摩擦副之間的潤滑介質已相對減少，端面摩擦特性逐漸惡化，最終造成機械密封泄漏量超標而失效。因此，機械密封存在一最佳彈簧比壓。兼顧摩擦特性和密封性能兩方面要求，正確選擇彈簧比壓，是實現機械密封長壽命低泄漏率的關鍵。

分析可見，隨著電機轉速的增加，機械密封的泄漏量在逐漸上升。而當轉速增加到1760r/min后泄漏量開始大幅下降，直到轉速達到2360r/min之后下降幅度變緩。離心泵常用轉速為3000r/min，因此，轉速選取2960r/min。泄漏量隨著彈簧比壓的增大明顯下降，大于0.06MPa后下降迅速。這是由于試驗用GY70型機械密封平衡系數較大（為0.9），介質壓力增大時引起端面比載荷的增大要大于流體靜壓力的增大。

綜上分析，確定B104型機械密封工藝參數正交試驗后的最優工藝條件為：彈簧比壓PSP為0.06MPa、介質壓力PS為0.60MPa、電機轉速n為2960r/min。

4 結語

本文通過空調冷卻水泵機械密封工藝參數的正交試驗優化研究，分析確定彈簧比壓0.06MPa、介質壓力0.60MPa、電機轉速2960r/min時為B104型機械密封的最優工藝條件。