機械端面密封的動壓效應

隨著工程機械大型化、自動化、智能化、集成化程度的提高，許多機械旋轉運動副處于高溫、高壓、高速工作狀態，它們之間的工作狀態直接影響了其承擔的機械功能完成的好壞，因此開展旋轉軸的密封研究就顯得十分重要，本文將對機械密封機理研究的現狀進行分析與探討。

機械端面密封是一種軸向端面密封，簡稱機械密封，又稱端面密封，是常用的旋轉軸密封。與其它形式的密封（如壓蓋軟填料密封）相比，具有泄漏量低、摩擦磨損小、使用壽命長、工作可靠、不需日常維護等一系列優點。因此在現代工業生產中得到了廣泛的應用，特別是機泵設備中應用更加普遍，重要場合85%以上機泵使用了機械端面密封。此外，機械端面密封在許多高壓、高溫、高速、易燃、易爆和腐蝕性介質等工況下也取得了較好的使用效果。

機械密封機理的研究主要集中在密封中流體動壓效應的研究。無論是接觸式機械密封還是非接觸式機械密封，都希望通過流體動壓效應來提高密封的承載能力，從而減小摩擦、磨損和漏損，提高密封的可靠性以延長密封的壽命。決定機械密封中的流體動壓效應的理論基礎是英國著名的科學家雷諾(Reynolds)1886年提出的潤滑理論的基本方程——雷諾方程。對機械密封的流體動壓效應的研究從本世紀６０年代初開始，至今已取得了不少的研究成果，但仍然存在一些尚未解決的問題，研究工作主要集中在以下3個方面。

1 平面端面密封中的流體動壓效應研究

標準的平衡型和非平衡型機械密封通常是在邊界潤滑條件下工作，其摩擦系數一般為ｆ=0.07± 0.03。在該工況下，雖然在密封縫隙中存在液體層，但是液層可能局部中斷，而且幾乎沒有壓力，因而也就沒有顯著的粘性效果。由于高的端面摩擦生熱，即使是具有最好的熱傳導和冷卻特性的端面配對材料，其壓力－速度極限即PV值極限也很低。為了提高密封的PV值極限，拓寬平面端面密封的使用范圍，必須借助于密封端面液膜的流體動壓效應。Denny(1961)通過試驗首次觀察到兩密封端面是被一層薄的液膜所隔離。自此以后，為了更好地理解機械端面密封的工作機理，許多研究者做了大量的工作，這些工作大部分是涉及流體膜壓的產生機理。密封端面上的流體膜壓主要取決于端面間隙的形狀和尺寸，即流體膜的幾何形狀和厚度。文獻?１、３?詳細地回顧了曾經提出的各種壓力產生機理。這些機理包括：偏心和偏斜、表面波度、表面粗糙度、相變、熱彈效應和振動。研究成果表明，平面端面密封主要是在混合摩擦狀態下工作，流體膜承擔很大一部分載荷，其余載荷由端面微凸體接觸來承擔。

根據經典的流體動壓潤滑理論，平行平面滑動中液膜不具有承載能力。然而Lebeck(1978)通過整理和分析滑動軸承和機械端面密封中有關平行平面滑動眾多研究者的大量試驗數據，得出在平行平面滑動中流體膜也具有一定的流體動壓效應，能夠產生有用的承載能力。在對各種可能的承載機理(熱楔、熱密度、熱粘度、微凸體潤滑、微凸體碰撞、擠壓效應)進行詳細的理論分析和比較后指出，這些機理在特定的密封設計中可能起到一定的作用，但是一般情況下不可能產生明顯的承載能力，然而表面的整體傾斜、錐度和波度能夠產生很強的流體動壓承載能力，理論和試驗研究都表明表面宏觀波度是最可能的流體動壓承載機理。表面波度分兩類：一類是加工過程中形成的表面微觀波度；另一類是由磨損、彈性變形和熱變形共同作用產生的表面宏觀波度，表面波度的流體動壓效應逐步引起了各國學者的普遍重視，相繼提出了機械端面密封的各種波度模型。

平面端面密封雖然存在一層薄的流體膜，能夠承擔一部分載荷，但在一般情況下，這層薄的流體膜是不完整的，存在部分微凸體的直接接觸。在高壓、高速和低粘工況下，微凸體的直接接觸將是主要的承載部分，此時密封中產生的摩擦和磨損很大，可能導致密封端面溫度急劇上升，液膜氣化，以至密封失效。為了克服接觸式機械密封存在的問題，提出了非接觸式機械密封——流體動壓和流體靜壓機械密封。

2 流體動壓機械密封中的流體動壓效應研究

流體動壓機械密封屬非接觸式密封，密封面被一層完整的膜厚為幾個微米的流體膜所隔開，摩擦狀態是純粹的流體潤滑工況。這些密封用在高壓差、高速和潤滑性差的介質密封(氣體、沸騰液體、低溫液體等)條件下工作。

在流體動壓密封中，為了使端面摩擦副楔開，利用了密封面的動能。在靜止時密封面接觸，消除泄漏。當密封高速旋轉時，由薄層流體膜將密封面分開，出現有限的泄漏，甚至無泄漏。為了保持密封面的非接觸工況，密封面間隙內液體介質或氣體介質流體膜層要承受擠壓載荷，即流體膜應具有流體力學剛度。

在流體動壓密封中摩擦副表面的分離和承受擠壓載荷，是靠液體在摩擦力作用下從間隙收斂部分被壓出并產生作用力來實現的。朝著滑動速度方向間隙收斂段落也可通過密封面開槽、開口或臺階來產生。使用最廣泛的結構是雷列臺階式、斜面式和螺旋槽面式密封。

螺旋槽面密封用于密封液體，可作上游泵送密封。在上游泵送密封中，密封相當于一小流量高壓泵，它將少量的封液從低壓側沿著螺旋槽泵送到高壓側的密封室內。Salant等提出了考慮螺旋槽面上游泵送密封中的空化效應的解析模型。Salant等在文獻中研究了流槽(淺槽)貫穿整個密封面的情形，并研究了流槽形狀(斜線槽和螺旋槽)對泄漏量的影響。

許多文獻介紹了雷列臺階式、斜平面式、圓葉形和直葉形非接觸式上游泵送密封和相應的算法。

綜上所述，流體動壓密封是利用密封端面的宏觀幾何形狀模型來產生流體動壓效應的機械密封，其理論基礎仍然是雷諾方程。這些宏觀幾何形狀模型包括傾斜塊(周向斜面、周向臺階、周向斜平面)和各種流槽(周向槽、直弦槽、三角槽、半圓形槽、矩形槽、弧形槽、葉形槽、螺旋槽、人字形槽)。

3 熱流體動壓機械密封中的流體動壓效應研究

標準的平衡和非平衡型機械密封通常是在邊界潤滑條件下工作。由于端面摩擦生熱，即使是具有最好的熱傳導系數和冷卻特性的端面配對材料，其PV值極限也很低。為了提高密封的PV值極限，拓寬平面端面密封的使用范圍，適應現代工業向高參數發展的需要，機械密封必須設計在低摩擦系數下工作。密封端面間的一層完整的薄膜，將改善密封的潤滑工況，有助于降低密封端面摩擦系數。這方面，熱流體動壓機械密封證明是非常成功的。

由于壓力變形產生的非平行面楔效應叫壓力楔效應，由于溫差局部熱變形產生的楔效應叫熱楔效應，由壓力變形和局部熱變形產生的楔效應叫熱流體動力楔效應。熱流體動壓機械密封就是利用熱流體動力楔效應產生流體動壓作用力的機械密封，它是一種新型的機械密封。
熱流體動壓機械密封的結構和普通的機械密封沒有多大差別，只是在密封的動環或靜環端面上開設了各種形狀的流槽，這些流槽的深度為毫米量級，屬深槽密封。

熱流體動壓機械密封靜止時，摩擦副表面是平行平面。在運轉時，由于摩擦生熱的緣故，密封環被加熱而且受熱是不均勻的。受熱最厲害的區域是密封環由工作介質冷卻的槽間或鏜孔間的中間段落。由于受熱冷卻的不均勻，密封面的平面度遭到破壞并形成收斂型間隙區域。熱流體動壓機械密封根據它的過程的復雜性和間隙與泄漏量的大小，居于接觸式機械密封和非接觸式機械密封之間。

E.Mayer在非平衡型機械密封上靠測壓孔測量密封縫隙中的壓力時，第一個發現并提出熱流體動力效應。在他的博士論文中對徑向矩形槽密封進行了試驗研究。1969年E.Mayer發表了圓弧形循環槽熱流體動壓機械密封的試驗研究結果。通過大量的試驗研究表明，圓弧形循環槽熱流體動壓機械密封可以大大提高密封的PV值極限，得出這類密封優于普通機械密封之處在于：隨著PV值的增加，摩擦系數反而降低。E.Mayer對熱流體動壓機械密封的作用機理作過一些定性的描述，認為圓弧形循環槽熱流體動壓機械密封實際就是Mitchell或Kingsbury止推軸承與機械密封的聯合。在旋轉的過程中，由于槽的邊緣受到的冷卻比遠離槽部分強烈得多，這樣就形成了熱流體動力楔。E.Mayer的工作主要是在試驗研究方面，產生了不少有用的專利，但沒有提出合理的理論分析模型和方法。

Golubiev(1967)首次提出了熱流體動壓密封的完整的理論分析模型和方法。在模型中，假定密封由金屬環和碳石墨環組成，金屬環密封面具有幾個微米深的刮痕網絡，兩刮痕間的距離為零點幾毫米，碳石墨假定為絕對光滑的，兩密封面被一層只有零點幾微米的薄層完全隔開。在壓差的作用下，液體首先進入刮痕內，進入刮痕的液體被高速旋轉的動環表面強行帶入間隙中，由于摩擦，間隙內的液體被加熱，同時也加熱了金屬表面，使之受熱膨脹，流體和金屬環表面的溫度沿著運動方向逐漸升高，使金屬膨脹不均勻。由于受熱不均勻，在刮痕間的金屬表面具有傾斜度，間隙變成收斂間隙。此時在金屬表面有流體動壓作用力產生。

由于兩刮痕區間的間隙與徑向長度相比非常小，可將此問題視作平面問題來簡化處理。根據流體動力學和熱彈性力學理論，提出了解決此問題的聯立方程組，這些方程包括間隙內液體膜層的運動方程、連續方程、間隙內液體的能量方程、液體粘溫關系、金屬環的熱傳導以及間隙的變化方程。Golubiev的理論模型揭示了局部熱變形產生熱楔效應這一實質。遺憾的是Golubiev的理論未被試驗所證實。

事實上，Golubiev的理論模型存在不合理的地方：密封面間隙為零點幾個微米，這基本上與實際密封表面的粗糙度屬同一量級，此時應考慮表面粗糙度的影響，徑向壓差的影響被忽略了；金屬環面刮痕的深度為幾個微米，這實際上是屬淺槽范疇，對淺槽情形，提出的刮痕內壓力和溫度的邊界條件一般不滿足。

有趣的是，W.E.Key和R.F.Salant等提出了熱流體動壓墊深槽機械密封的理論分析模型。模型中分析的是將流槽——矩形槽設置在軟面石墨環上的情形，考慮了由力變形和熱變形在動、靜環密封面形成的徑向錐度產生的流體靜壓效應和由開槽環表面力變形形成的周向波度產生的流體動壓效應。這是一種壓力楔模型。

國內在熱流體動壓機械密封的試驗研究方面作了一些工作，但理論上沒有取得進展。