王洪群，周?chē)?guó)忠，虞培清

(浙江長(zhǎng)城攪拌設(shè)備股份有限公司，浙江 溫州 325019)

0 前言

1 機(jī)械密封的構(gòu)成及工作原理

圖1為釜用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)明了主要構(gòu)件或部位名稱(chēng)。圖示的機(jī)械密封是集裝式結(jié)構(gòu)，通過(guò)安裝法蘭將機(jī)械密封安裝到釜口，軸套通過(guò)其附帶的緊定螺釘固定在旋轉(zhuǎn)軸上。一對(duì)密封環(huán)也稱(chēng)為摩擦副在軸向互相接觸和摩擦，加上其他輔助部件共同作用實(shí)現(xiàn)密封。其中位于上面的密封環(huán)為補(bǔ)償環(huán)，可以在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)并在彈簧作用下保持與下面密封環(huán)的追隨貼合。通過(guò)注液孔進(jìn)入密封箱體的流體用于冷卻和潤(rùn)滑兩個(gè)密封環(huán)之間的摩擦面。傳動(dòng)銷(xiāo)用來(lái)把隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸套的動(dòng)力傳遞給浮動(dòng)密封環(huán)。通常情況下，公認(rèn)機(jī)械密封性能可靠，泄漏量小，使用壽命長(zhǎng)，功耗低，毋需經(jīng)常維修，已被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、航空和原子能等工業(yè)中。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可以看出，上面的補(bǔ)償環(huán)在彈簧作用下保持與下面密封環(huán)的追隨貼合，并可以在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)是借助其與軸套之間的O形彈性密封圈和其他部件配合作用實(shí)現(xiàn)的。這些部件都是柱面配合，加上O形彈性密封圈對(duì)與其接觸的兩側(cè)表面精度以及自身變形量的要求都很?chē)?yán)格，這些因素導(dǎo)致了補(bǔ)償環(huán)浮動(dòng)范圍受到限制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)不大的跳動(dòng)或擺動(dòng)時(shí)，摩擦副的密封環(huán)之間不能保持良好的貼合密封，引起泄漏，而且該機(jī)械密封零部件制造難度大，成本高。

2 機(jī)械密封的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雖然機(jī)械密封技術(shù)相對(duì)成熟，因使用工況的不斷變化總會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題，一般通過(guò)兩個(gè)途徑研究解決：其一是研究代表機(jī)械密封特征的摩擦端面相關(guān)項(xiàng)，諸如端面比壓、摩擦副端面粗糙度、工作時(shí)端面上的相變以及粘度等物性隨溫度和壓力變化等[8-10]，分析這些因素對(duì)機(jī)械密封性能的影響；其二是從結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化來(lái)適應(yīng)不同的工況或條件[5,12]。帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封就是從結(jié)構(gòu)入手，改進(jìn)機(jī)械密封在軸跳動(dòng)或擺動(dòng)較大情況下的適用性。

圖2是帶彈性密封環(huán)的釜用機(jī)械密封的一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是帶彈性密封環(huán)的釜用機(jī)械密封局部放大圖，針對(duì)的是圖2中左側(cè)包含摩擦副的部位，用以說(shuō)明補(bǔ)償環(huán)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和工作情況。這種改進(jìn)型機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就要明確密封兩側(cè)的壓力方向，圖示的情況是位于下部的釜內(nèi)壓力高于上部大氣側(cè)，釜內(nèi)屬于高壓側(cè)。摩擦副中可以浮動(dòng)的密封環(huán)即補(bǔ)償環(huán)位于下部，借助置于其外側(cè)的彈性密封環(huán)及其上部低壓側(cè)的彈性密封環(huán)靠件以及頂在補(bǔ)償環(huán)下部端面的彈簧實(shí)現(xiàn)密封浮動(dòng)支撐的。彈性密封環(huán)的上側(cè)是平面，緊靠彈性密封環(huán)靠件，彈性密封環(huán)的下側(cè)內(nèi)外圓均設(shè)計(jì)成楔形，內(nèi)圓表面與補(bǔ)償環(huán)的外圓表面密封連接，外圓表面與密封箱體的柱筒內(nèi)圓表面密封連接，密封環(huán)靠件通過(guò)外圓安裝定位在密封箱體的柱筒內(nèi)圓表面，內(nèi)圓與補(bǔ)償環(huán)外圓之間保留的間隙根據(jù)補(bǔ)償環(huán)設(shè)計(jì)的浮動(dòng)幅度以及彈性密封環(huán)在該處的抗壓能力確定。若干均布的彈簧由法蘭上對(duì)應(yīng)補(bǔ)償環(huán)的位置設(shè)計(jì)的盲孔定位。

圖2 帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封局部放大圖

摩擦副中與補(bǔ)償環(huán)對(duì)應(yīng)的非浮動(dòng)的密封環(huán)位于上部，借助置于其內(nèi)側(cè)的彈性密封環(huán)及其上部低壓側(cè)的彈性密封環(huán)靠件實(shí)現(xiàn)密封固定支撐的。彈性密封環(huán)上側(cè)是平面緊靠彈性密封環(huán)靠件，彈性密封環(huán)下側(cè)內(nèi)外圓均設(shè)計(jì)成楔形，外圓表面與非浮動(dòng)的密封環(huán)內(nèi)圓表面密封連接，內(nèi)圓表面與軸套外圓表面密封連接，彈性密封環(huán)靠件通過(guò)內(nèi)圓安裝定位在軸套外圓表面。工作時(shí)非浮動(dòng)的密封環(huán)和軸套一起隨旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，而補(bǔ)償環(huán)是安裝在不動(dòng)的密封箱體上，彈簧的初始?jí)毫ΡＷC了補(bǔ)償環(huán)和非浮動(dòng)的密封環(huán)之間的摩擦端面的貼合，來(lái)自釜內(nèi)高壓側(cè)的壓力作用在補(bǔ)償環(huán)外側(cè)的彈性密封環(huán)和非浮動(dòng)的密封環(huán)內(nèi)側(cè)的彈性密封環(huán)上，使得釜內(nèi)高壓側(cè)與封液和大氣測(cè)完全密封隔離，隨著壓力增高，彈性密封環(huán)內(nèi)外圓的楔形設(shè)計(jì)使其密封能力自然提高，補(bǔ)償環(huán)和非浮動(dòng)密封環(huán)之間的摩擦端面貼合力也隨之增高以適應(yīng)更高壓密封的要求。又由于補(bǔ)償環(huán)外側(cè)的彈性密封環(huán)靠件內(nèi)圓與補(bǔ)償環(huán)外圓之間根據(jù)工況設(shè)計(jì)保留了需要的間隙，加之彈性密封環(huán)的變形性能，使得補(bǔ)償環(huán)具有良好的浮動(dòng)能力以適應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的跳動(dòng)或擺動(dòng)。

圖4是對(duì)帶彈性密封環(huán)的釜用機(jī)械密封所設(shè)計(jì)的雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖。由于這種改進(jìn)型機(jī)械密封首先要明確密封兩側(cè)的壓力方向，也就是每個(gè)摩擦副的設(shè)計(jì)都要從這個(gè)基本要求出發(fā)。對(duì)于釜用雙端面機(jī)械密封，圖4的中部封液位置具有最高壓力，相對(duì)而言，位于下部的釜內(nèi)和上部的大氣側(cè)均屬于低壓側(cè)。摩擦副中補(bǔ)償環(huán)和置于其外側(cè)的彈性密封環(huán)、非浮動(dòng)的密封環(huán)和置于其內(nèi)側(cè)的彈性密封環(huán)，均應(yīng)位于高壓側(cè)的中部，而彈性密封環(huán)靠件分別位于上部和下部低壓側(cè)，彈性密封環(huán)內(nèi)外圓上設(shè)計(jì)有楔形的一側(cè)朝向中部。

圖4 帶彈性密封環(huán)的雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封設(shè)計(jì)要點(diǎn)及性能分析

帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封引入了彈性密封環(huán)取代原有機(jī)械密封摩擦副與軸套之間以及摩擦副與密封箱體之間的密封連接方式，并改變了補(bǔ)償環(huán)的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3.1 浮動(dòng)效果

帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封由于引入了彈性密封環(huán)起到輔助密封的作用，副密封帶來(lái)的諸多弊端不復(fù)存在，如圖2所示，補(bǔ)償環(huán)的竄動(dòng)和傾斜自由度使得補(bǔ)償環(huán)浮動(dòng)能力大大提高，在攪拌軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)較大的跳動(dòng)或擺動(dòng)時(shí)仍可以保持摩擦副良好貼合密封。

3.2 整體尺寸

安裝機(jī)械密封部位常常有軸向尺寸限制，帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封由于引入了軸向小尺寸的彈性密封環(huán)作為輔助密封，使得現(xiàn)有機(jī)械密封上無(wú)法精簡(jiǎn)縮小的摩擦副及其附屬結(jié)構(gòu)部件減少或者變小，從而引起機(jī)械密封整體尺寸降低，既可以降低成本，同時(shí)給安裝使用帶來(lái)極大便利。

如圖2或圖3所示，帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封的載荷系數(shù)總是大于1，即K>1，不利于密封環(huán)的磨損和壽命，建議在低壓工況使用，比如P≤0.6 MPa。

設(shè)計(jì)帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封的初衷是改善補(bǔ)償環(huán)的浮動(dòng)效果，以滿(mǎn)足在旋轉(zhuǎn)軸的跳動(dòng)或擺動(dòng)較大的情況下也可以保持良好密封。同時(shí)使零部件制造難度小成本降低，機(jī)械密封整體尺寸小方便安裝也節(jié)省材料。由于這種設(shè)計(jì)載荷系數(shù)只能是大于1，所以在選用時(shí)應(yīng)考慮密封壓力和使用壽命是否符合要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

按照?qǐng)D2所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸徑為50 mm帶彈性密封環(huán)的單端面機(jī)械密封，在FST釜用機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.6 MPa，常溫運(yùn)行8 h。跟蹤試驗(yàn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏，本試驗(yàn)僅僅定性地證明帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封的可行性。帶彈性密封環(huán)的機(jī)械密封是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)，旨在特殊工況下為設(shè)計(jì)者提供更多的選擇方案。機(jī)械密封的很多知識(shí)來(lái)源于實(shí)踐的積累，本文所述對(duì)機(jī)械密封的改進(jìn)實(shí)用效果還有待于今后長(zhǎng)期實(shí)踐的考察。目前已對(duì)“帶彈性密封環(huán)的單端面機(jī)械密封和雙端面機(jī)械密封”產(chǎn)品申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利并獲得授權(quán)(ZL201410079791.1)。更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)會(huì)在今后的繼續(xù)試驗(yàn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生，從而便于企業(yè)設(shè)計(jì)選用，為科研和工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

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