激光加工多孔端面機(jī)械密封

摘　要：介紹了激光加工多孔端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了激光加工多孔端面機(jī)械密封的工作原理，指出端面微孔產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)可有效地提高機(jī)械密封的最大PV值。對各種加工方法進(jìn)行比較可知，在機(jī)械密封端面上加工微孔，激光表面處理技術(shù)是惟一有效的加工方法。作者的試驗(yàn)研究表明，與普通機(jī)械密封相比，激光加工多孔端面機(jī)械密封可明顯地降低密封面間的摩擦力矩，實(shí)現(xiàn)端面間的流體潤滑，因而延長密封壽命。
關(guān)鍵詞：激光；機(jī)械密封；動(dòng)壓效應(yīng)

普通機(jī)械密封是依靠密封端面間的微凸體緊密的接觸而將流體密封，因而這種密封在運(yùn)轉(zhuǎn)中常常表現(xiàn)為混合摩擦狀態(tài)，個(gè)別表現(xiàn)為邊界摩擦狀態(tài)[1]。當(dāng)工作條件或環(huán)境條件變化時(shí)，端面的過高溫升使端面間的流體汽化，造成嚴(yán)重泄漏，或者端面液體全部汽化而造成端面間的完全干摩擦，使端面磨損加劇而大大縮短密封的使用壽命。因此，傳統(tǒng)的接觸式機(jī)械密封在提高密封能力、減小摩擦和磨損等方面存在一定的局限性。

隨著節(jié)能問題的突出和環(huán)保意識的增強(qiáng)，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(guān)注且日益重視的研究課題。可靠密封、長壽命的關(guān)鍵是保證兩密封端面間形成并保持一層極薄的穩(wěn)定流體膜，且具有一定的承載能力。若流體產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)使端面間不發(fā)生直接接觸，其摩擦狀態(tài)為純流體摩擦，這種密封稱為非接觸式動(dòng)壓型機(jī)械密封。非接觸式動(dòng)壓型機(jī)械密封通常是在密封端面上人為地開設(shè)一些規(guī)則的流槽，如螺旋槽[2]、圓弧槽[3]、直線槽[4]、雷列臺階槽[5]等，利用流體動(dòng)壓效應(yīng)來提高密封的承載能力，減少端面間的磨損和極大地延長密封壽命。激光加工多孔端面機(jī)械密封是機(jī)械密封領(lǐng)域中一項(xiàng)嶄露頭角的新技術(shù)。

圖1　多孔端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡圖

多孔端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)多孔端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。動(dòng)環(huán)為平端面密封環(huán)，靜環(huán)平端面上均勻地布置著規(guī)則的微孔，形成多孔端面。微孔為圓孔、橢圓孔或圓錐孔，圖1(b)為端面上正方形分布的圓孔的情形?？讖綇膸孜⒚字翑?shù)百微米，孔深從幾微米到幾十微米，孔隙率(孔面積占整個(gè)端面面積的百分?jǐn)?shù))為5%～30%。多孔端面的表面粗糙度與靜環(huán)的表面粗糙度相同，Ｒa均為0.01～0.02μm[6]。

2　多孔端面機(jī)械密封的原理與應(yīng)用

在停車時(shí)，即動(dòng)環(huán)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，在彈簧力作用下，靜環(huán)與動(dòng)環(huán)構(gòu)成靜止平面密封，使流體介質(zhì)得以密封。當(dāng)動(dòng)環(huán)回轉(zhuǎn)時(shí)，由于靜環(huán)表面有很多微孔，動(dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使其表面與靜環(huán)表面上的微孔形成收斂縫隙流體膜層，使每一個(gè)孔都像一個(gè)微動(dòng)力滑動(dòng)軸承。也就是說，當(dāng)另一個(gè)表面在多孔端面上滑動(dòng)時(shí)，會在孔的上方及其周邊產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，這就是流體動(dòng)壓效應(yīng)。流體動(dòng)壓力的承載能力取決于滑動(dòng)的速度、介質(zhì)的粘度和流體膜厚度[7]。這些孔產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)的共同作用的結(jié)果使得兩密封面分開。由于在兩密封面間存在流體膜，兩密封面不再直接接觸，密封面間的摩擦狀態(tài)為流體摩擦。試驗(yàn)研究[8]表明，在端面載荷和轉(zhuǎn)速相同時(shí)，多孔端面機(jī)械密封環(huán)之間的間隙總是大于普通機(jī)械密封環(huán)之間的間隙。端面載荷增加時(shí)，普通機(jī)械密封環(huán)的端面間隙驟然減小，以至于端面直接接觸，液膜遭到破壞，使磨損加劇。對于多孔端面機(jī)械密封環(huán)，端面載荷增加時(shí)，端面間隙減小，液膜剛度增加，而很小的間隙又恰好將泄漏量降低到最小，從而滿足嚴(yán)格的機(jī)械密封泄漏要求，同時(shí)減少了密封面的磨損。因此，多孔端面機(jī)械密封可有效地延長密封壽命。

機(jī)械密封的最大PV值是評價(jià)機(jī)械密封運(yùn)行安全性的重要指標(biāo)，而多孔端面機(jī)械密封可有效地提高機(jī)械密封的最大PV值。對多孔端面的孔深與直徑比值進(jìn)行優(yōu)化，其最大PV值約是普通機(jī)械密封最大PV值的2.5倍[8]。因此，多孔端面機(jī)械密封可有效地提高密封參數(shù)，保證機(jī)械密封的安全運(yùn)行。多孔端面機(jī)械密封已經(jīng)應(yīng)用于石油化工行業(yè)，如輕烴和甲苯密封介質(zhì)，溫度為266～320℃，壓力為0.67MPa的多孔端面機(jī)械密封。經(jīng)過6個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，密封效果令人滿意[9]。

3　多孔端面機(jī)械密封的加工方法

在密封面上加工深度為微米級的流槽或微孔，常規(guī)的機(jī)械加工方法幾乎無能為力。因而人們探索了很多種加工方法，主要有以下幾種：光化學(xué)腐蝕加工(光刻法)、電火花加工(電蝕刻)、電化學(xué)加工和激光加工等方法。幾種加工方法的特點(diǎn)如表1所示。

表1　加工方法的比較

由表1可知，與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，激光加工適用面廣，對不同材料、不同形狀的加工表面均適合，具有工件無機(jī)械變形、無污染、速度快、重復(fù)性好以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。顯然，對于多孔端面機(jī)械密封環(huán)，其他的加工方法是無能為力的，只有采用激光加工方法才能獲得滿意的結(jié)果。

圖2為筆者利用深圳市大族激光科技股份有限公司的YAG D50S激光打標(biāo)機(jī)加工而成的碳化硅密封環(huán)的多孔端面。

圖2　密封環(huán)的多孔端面

4 摩擦性能試驗(yàn)

在不同端面載荷下分別對普通密封環(huán)和激光加工多孔端面密封環(huán)進(jìn)行對比試驗(yàn)，2種密封環(huán)的端面尺寸、表面粗糙度、端面載荷及轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)條件均完全相同，碳石墨材料制造的密封環(huán)與兩種試驗(yàn)密封環(huán)配對運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3為在不同端面載荷下轉(zhuǎn)速變化時(shí)普通密封環(huán)和激光加工多孔端面密封環(huán)與碳石墨密封環(huán)端面間的摩擦系數(shù)值。由圖3可知，激光加工多孔端面機(jī)械密封的摩擦系數(shù)比普通機(jī)械密封的摩擦系數(shù)要低得多。從摩擦系數(shù)值來看，普通機(jī)械密封的摩擦系數(shù)值處于邊界摩擦狀態(tài)，而激光加工的多孔端面機(jī)械密封的摩擦系數(shù)值處于混合、甚至液體摩擦狀態(tài)，因此，激光加工多孔端面密封環(huán)比普通密封環(huán)具有更好的摩擦性能。

圖3　不同密封環(huán)端面間的摩擦系數(shù)

5　結(jié)語

激光加工多孔端面機(jī)械密封工藝簡單，密封液體介質(zhì)具有良好的動(dòng)壓效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了密封端面間的流體潤滑，從而延長密封壽命。激光加工多孔端面機(jī)械密封具有較高的密封參數(shù)，因而密封性能良好。激光加工技術(shù)的應(yīng)用為機(jī)械密封技術(shù)注入了新的活力。

參考文獻(xiàn)：
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[2]　LAIT. Development of Non Contacting，Non Leaking Spiral Groove Liquid Face Sealｓ[J]．LUbrication Engineering，1994，50(8)：625 631．
[3]　王建榮，顧永泉，陳　弘．圓弧槽氣體潤滑非接觸式機(jī)械密封的特性[J]．流體工程，1991，19(3)：16．
[4]　胡丹梅，吳宗祥．非接觸式氣體端面密封低速性能試驗(yàn)研究[J]．流體機(jī)械，1998，26(9)：3 6．