摘要：机械密封是在密封环的平端面上加工出一系列深度为微米级的动压槽，如螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽、直槽及各种异形槽等，在运转时，由于动压槽的动压效应，将进入该槽的密封流体的压力升高，该压力作用在相互贴合的动、静环密封端面上，将这2个面推开而不接触，并在之间形成连续、稳定的密封流体的薄膜，实现非接触式机械密封。机械密封的动压槽一般在碳化钨、碳化硅、氮化硅等硬质密封面上开设，高精度加工比较困难，但是其几何形状对流体薄膜的厚度、刚度、承载能力和稳定性影响较大，良好的动压槽几何形状设计及高精度加工是机械密封的核心技术。本文主要分析非接触机械密封稳态多场耦合性能。

关键词：机械密封;多场耦合;密封性能

引言

机械密封是一种依靠流体压力和补偿机构弹力（或磁力）对动、静环端面的预紧，保持贴合并相对滑动而达到防止流体泄漏的轴向端面密封装置，故又称为端面密封。随着工业技术的发展，机械密封的使用范围越来越广。近年来，各界学者对机械密封进行了大量的研究，取得了很多成果。密封端面间开设了椭圆形织构的密封结构开展了研究，采用有限差分法求解密封端面间的织构润滑模型，研究了工况参数与结构参数对密封界面间的摩擦因素影响规律。

1、机械密封工作模式

1.1机械密封原理与组成

机械密封由动环、静环组件、密封壳体等组成，它是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，这种设置要保证不论是在静止还是转动条件下油液泄漏量都能控制在要求的范围内。工作过程中动环、静环端面组成一对摩擦副，其中静环组件依靠液体压力和弹簧弹力使其端面始终贴合在动环上，并在端面上产生适当比压并保持一层液压膜从而达到动态运转工况下有效密封的目的。产品非工作状态下弹性元件产生压力，可使液压泵在不运转状态下保持端面贴合，保证密封介质不外漏。机械密封由于工作转速极高，被密封介质压力和温度较高，目前在研产品均采用端面机械密封形式，机械密封应在满足寿命要求的推荐PV值下可靠工作。

1.2机械密封运行工作条件

该型机械密封属于内流内装平衡型密封，机械密封运行工作条件如下：1）工作过程中机械密封动环侧为12#航空润滑油，压力为0.6～1.0MPa，腔体温度为150℃，密封环摩擦生热由航空润滑油进行冷却，冲洗量为1～1.5L/min;2）机械密封静态贮存时密封腔液压油为常温，贮存压力0.15～0.2MPa;3）该型机械密封最高转速为90000r/min，瞬时启动时0.5～0.6s内到达80000r/min。

1.3热力耦合模型

密封环发生变形的主要原因是受力载荷和密封间隙产生的摩擦热的影响。在对密封环变形的数值分析中，当出现2种或者2种以上物理场共同作用时，就需要对模型进行耦合分析。热力耦合分析就是对密封环受力变形和受热变形进行统一计算。热力耦合根据耦合计算机制不同可以分为直接耦合法和分离耦合法。直接耦合法是在同一求解器中同时求解固体和温度控制方程，而分离耦合法是指在耦合面处，将计算得到的温度场加载到固体结构中，该方法又称为单向耦合。文中采用单向热力耦合方法进行计算，具体计算步骤为先对密封环组件施加传热边界条件，如热流密度、对流换热系数等，计算出该结构的温度分布和热应力，然后将计算得到的结果作为边界条件传递给密封环结构进行静应力分析，从而得到密封环变形量等数据。

1.4数学模型

为了便于分析，对计算模型做如下假设：1）密封环和油膜完全轴对称，将几何模型简化为径向和轴向所在平面的二维模型;2）密封油液密度不受任何影响，始终保持不变，密封介质为牛顿流体，黏度只受温度的影响，忽略压力对黏度的作用;3）密封端面处于流体润滑状态，无微凸体接触，流动状态为层流;4）油膜黏性剪切产生的热量是密封副内的唯一热源，全部热量由密封环导出，不计搅拌和泄漏带走的热量;5）液膜厚度和端面温度分布更新迭代时忽略密封端面的径向位移偏差。

2、机械密封的经常性泄漏

在机械密封的长期运行过程中，因以下因素的影响容易产生经常性的泄漏问题，如果这些问题不能得到及时的重视和解决，会加重机械密封的损坏，从而造成机械密封失效，引起严重的机械密封泄漏问题。具体而言，机械密封的经常性泄漏主要包括以下原因。机械密封动环、静环的接触面发生变形造成的经常性泄漏。造成机械密封动环、静环接触面变形的原因较多，例如，接触面的比压过大，接触面摩擦过热导致动环、静环发生形变，动环、静环的零部件质量问题造成的强度不足。动环、静环安装过程中存在操作不当等，都会造成机械密封动环、静环部位发生损坏，引起经常性泄漏问题。机械密封的动环、静环接缝处存在缝隙腐蚀引起的经常性泄漏。如果机械密封动环、静环镶嵌安装不够规范、材料选择不合理或接缝处粘结剂失效等问题，都会造成动环、静环的接缝处发生腐蚀或变形等问题，从而引起动环、静环接缝处出现损坏和泄漏。由于机械密封发生摩擦副损伤或变形，引起机械密封装置不能跑合，从而引起了机械密封的经常性泄漏。机械密封的摩擦副混入杂质所引起的泄漏。机械密封动环、静环的密封面对称轴的垂直出现较大的误差所引起的经常性泄漏。机械密封转轴的不正常振动所引起的经常性泄漏。机械密封的密封圈轴套位置在使用过程中出现腐蚀或密封圈的安装不够紧实，造成密封圈轴套位置存在较大的缝隙和凹槽，从而造成缝隙腐蚀，引起经常性泄漏。

3、密封技术的质量优化策略

当密封技术应用于化工设备过程中时，必须注意质量控制，这是有效提高设备密封效果的基础。

3.1重视连续冲洗的处理

为了确保企业具有良好的密封技术应用效果，还需要重视连续冲洗工作。冲洗工作又可分为介质自冲洗与洁净冲洗。介质冲洗处理不合格同样是造成化工设备封闭性能不佳的一个原因。为有效避免该情况，要积极对介质进行检查，使介质冲洗具有良好的性能。此外，冲洗的温度与流量也要进行考虑，保证与实际需求相符合。对于过滤器的清洗，也是同样重要的工作内容，利用科学手段，例如：增设止逆网，能够有效控制冲洗工作所带来的密封损坏问题。重视连续冲洗的处理为了确保化工企业具有良好的密封技术应用效果，还需要重视连续冲洗工作。冲洗工作又可分为介质自冲洗与洁净冲洗。介质冲洗处理不合格同样是造成化工设备封闭性能不佳的一个原因。为有效避免该情况，要积极对介质进行检查，使介质冲洗具有良好的性能。此外，冲洗的温度与流量也要进行考虑，保证与实际需求相符合。对于过滤器的清洗，也是同样重要的工作内容，利用科学手段，例如：增设止逆网，能够有效控制冲洗工作所带来的密封损坏问题。

3.2重视运行的稳定控制

密封技术的应用中，设备的稳定性也非常重要。为了达到良好的密封效果，有必要尽量减少设备动态运行中可能出现的损坏问题。例如，急停会带来严重的即时力。因此，确保设备的稳定运行也是工作的重要组成部分。结合具体的运行分析，可以知道，在实际生产过程中，必须确保设备的启动和停止在良好的运行环境中进行，设备能够正常运行，工作环境良好，有利于化工企业的良好发展，是提高密封效果的重要途径。

3.3机械密封系统选择

长期应用实践表明，机械密封系统对改善机械密封的工作环境、提高机械密封工作的可靠性、延长其使用寿命等具有十分重要的和不可替代的作用。机械密封系统的基本器件有：储罐、增压罐、换热器、过滤器、旋液分离器、孔板、节流套、循环轮、循环套、泄漏指示器、管道、管件及控制仪表等。密封系统主要具有以下功能：冲洗功能、调节和控制密封工作温度的功能、调节和控制密封工作压力的功能、除杂和过滤功能、流体替代功能。

结束语

转速是机械密封在使用过程中最为关键的因素，其对非接触式机械密封的密封效果影响十分明显。随着转速的升高，产热功率随转速的升高而升高;油膜厚度随转速的升高而逐渐减少，成收敛型形状;从密封界面间的油膜厚度分布可以看出，密封端面的综合变形不是沿径向线性分布的。泄漏率随转速的升高而减小;开启力随着转速的升高而增大。过高的转速会导致产热的加剧，所以长期稳定运转时，转速不宜过高;由于泄漏量是随着转速的增大而减小的，所以转速也不应在较低的区间长期运转。

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