徐凱松

（蕪湖天航裝備技術(shù)有限公司，蕪湖 241007）

0 引言

密封學(xué)是一門多學(xué)科交叉的學(xué)科。密封學(xué)是研究封嚴(yán)規(guī)律、封嚴(yán)裝置設(shè)計(jì)以及密封工程應(yīng)用的科學(xué)與技術(shù)。以摩擦面為分界線，如果密封裝置的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)二者之一采用石墨材料，或其中之一采用嵌入石墨材料的設(shè)計(jì)方法即稱為石墨密封[1]。

石墨密封件，既有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，也有國(guó)際市場(chǎng)。我國(guó)政府也在限制石棉的使用，若要真正做到石墨代替石棉，那么缺口還很大。我國(guó)政府限制礦產(chǎn)出口，但不限制產(chǎn)品出口，一些沒(méi)有石墨礦的國(guó)家，自然會(huì)向我國(guó)購(gòu)買石墨密封件。

石墨密封件廠盈利較高，大約50%，我國(guó)已有的石墨密封件廠，大的年利潤(rùn)超過(guò)千萬(wàn)元，小的也有幾十萬(wàn)元，幾乎沒(méi)有虧損的。所以我國(guó)石墨密封件廠數(shù)目，以每年10%的速度遞增。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的發(fā)展，客觀上提出針對(duì)石墨密封的機(jī)理以及工程應(yīng)用進(jìn)行深入研究的需求。因此，本文針對(duì)密封基礎(chǔ)理論，特別是石墨密封基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行一些述評(píng)，并以航空 304 所、608 所和東安發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)在石墨封嚴(yán)方面的工程應(yīng)用研究情況為例進(jìn)行一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)石墨封嚴(yán)工程應(yīng)用研究方面的介紹。

1 密封基礎(chǔ)理研究

關(guān)于密封基礎(chǔ)理論的研究，封嚴(yán)能力形成的假說(shuō)包括表面張力假說(shuō)和粘滯力假說(shuō)。在上世紀(jì)八十年代前，針對(duì)這些假說(shuō)的研究和討論較為突出，近幾年的文獻(xiàn)對(duì)這些假說(shuō)卻鮮有討論。但是，當(dāng)今在機(jī)械密封機(jī)理研究方面的文獻(xiàn)主要集中在雷諾方程上，進(jìn)而發(fā)展為流固熱耦合的分析研究方向上。但是其對(duì)于封嚴(yán)裝置動(dòng)、靜環(huán)間的間隙在微米以下的情況，特別是特征尺度與流體分子平均自由程相近或者還小于分子平均自由程時(shí)，基于流體質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)介質(zhì)模型的假定也就可能不再適用了。因此，近年來(lái)，將分子動(dòng)力學(xué)方程或直接模擬 Monte Carlo 法、DSMC 法、Boltzmann 方程等應(yīng)用于機(jī)械密封對(duì)偶面間流體物理狀態(tài)的描述研究中逐漸成為一個(gè)發(fā)展方向[2-3]。

除此之外，愈來(lái)愈多的學(xué)者在微通道試驗(yàn)研究、理論研究以及數(shù)值仿真分析方面做了很多的研究工作。將這些成果應(yīng)用于機(jī)械密封領(lǐng)域的研究也將越來(lái)越引起重視。

在狹小的密封端面界面中存在著摩擦、磨損、變形、相交、流體流動(dòng)、腐蝕等許多復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，想要全面真實(shí)地反映各種因素的影響和相互之間的影響還有待于將密封機(jī)理與試驗(yàn)技術(shù)結(jié)合，開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究。做石墨密封基礎(chǔ)理論研究的科研工作者盡量創(chuàng)造機(jī)會(huì)深入調(diào)查和了解石墨密封工程應(yīng)用中所遇到的工程實(shí)際問(wèn)題，以此為切入點(diǎn)開(kāi)展試驗(yàn)研究，并逐漸提煉出更加切合實(shí)際應(yīng)用背景和能夠解決實(shí)際需求的科學(xué)問(wèn)題。

2 石墨密封工程應(yīng)用技術(shù)研究

航空工業(yè) 304 所開(kāi)展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)石墨密封機(jī)理研究[4]，封嚴(yán)材料性能研究，封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，封嚴(yán)組件制造、檢測(cè)、試驗(yàn)等方面的工作，積累了較為深厚的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，打下了石墨密封研制的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其研究對(duì)象包括：圓周密封、彈性力端面密封、磁力端面密封、浮環(huán)密封、螺旋槽干氣密封等。除此以外，304 所對(duì)不同種類的密封裝置開(kāi)展了大量研究，如彈性元件的熱處理和穩(wěn)定性處理工藝研究，封嚴(yán)組件設(shè)計(jì)方法、制造工藝的研究，建立包含材料篩選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、計(jì)量測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證的航空發(fā)動(dòng)機(jī)新型密封組件研發(fā)體系。

中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所（608 所）是我國(guó)唯一的中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)減速傳動(dòng)系統(tǒng)和輕型燃?xì)廨啓C(jī)的研制基地，其密封裝置屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的小型配件。608 所在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)理論研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，是以生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)、航空機(jī)電產(chǎn)品、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組等產(chǎn)品為主的高科技企業(yè)集團(tuán)。應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的石墨密封裝置在正式裝機(jī)前，需要在中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司做整機(jī)試驗(yàn)研究，從發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)角度考慮并提出問(wèn)題，開(kāi)展相關(guān)密封技術(shù)的理論以及試驗(yàn)研究工作。涉及密封失效分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究、O 型圈力學(xué)性能研究、密封結(jié)構(gòu)漏油機(jī)理分析等研究[5-12]。

與石墨密封的基礎(chǔ)理論研究不同，石墨密封工程應(yīng)用技術(shù)的研究是以工程實(shí)踐中所遇到的問(wèn)題和滿足功能為導(dǎo)向而進(jìn)行研究的其內(nèi)容涉及廣泛，包括如材料的特性、漏油故障、石墨環(huán)磨損嚴(yán)重、斷裂等方面的研究。在遇到密封故障時(shí)，如泄漏量超過(guò)允許限值、密封石墨環(huán)斷裂、磨損量超過(guò)允許值等問(wèn)題，這3 家企業(yè)通常采用逆向思維，針對(duì)逐個(gè)密封裝置的小零件進(jìn)行問(wèn)題查找以及故障排除研究，這些研究是在特性工作條件，如密封腔體內(nèi)外壓力、密封介質(zhì)、轉(zhuǎn)速、密封裝置結(jié)構(gòu)以及材料等條件下的研究工作。

觀察、比較石墨密封基礎(chǔ)理論研究和石墨封嚴(yán)工程應(yīng)用技術(shù)研究情況可以發(fā)現(xiàn)，其現(xiàn)狀是石墨密封基礎(chǔ)理論研究與石墨密封工程應(yīng)用技術(shù)研究分別采用各自的方法獨(dú)立進(jìn)行的，二者之間的融合點(diǎn)少。為縮短我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距，客觀上需要將石墨密封基礎(chǔ)理論研究與石墨封嚴(yán)工程應(yīng)用技術(shù)研究有機(jī)結(jié)合起來(lái)，而如何結(jié)合是擺在我們面前的問(wèn)題，其核心是找到切合點(diǎn)。做石墨密封基礎(chǔ)理論研究的科研工作者由于條件以及管理制度所限難以有機(jī)會(huì)直接接觸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)，直接在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)需要研究的更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的工程問(wèn)題；另一方面，做石墨密封工程應(yīng)用技術(shù)研究企業(yè)的是以解決工程實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)的，不能有更多的時(shí)間投入到石墨密封基礎(chǔ)理論研究中，而且也很少有基礎(chǔ)理論研究方面的經(jīng)費(fèi)及項(xiàng)目支撐。這樣，在石墨密封基礎(chǔ)理論研究和石墨密封工程應(yīng)用技術(shù)研究之間就存在一些空白，一些工程實(shí)際問(wèn)題既需要有較深厚的石墨密封基礎(chǔ)理論知識(shí)而又需要掌握整機(jī)試驗(yàn)中的問(wèn)題方能有效解決，從而縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距。

3 結(jié)論

本文綜述了一些石墨密封基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展，并針對(duì) 3 家國(guó)內(nèi)航空石墨密封研制單位的石墨封嚴(yán)工程應(yīng)用技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。建議從科研管理的角度入手，構(gòu)建一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，通過(guò)一定的交接方式使得石墨密封的研究的工作者互通有無(wú)，這樣可以提高解決問(wèn)題的效率和質(zhì)量，為推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)石墨密封的研究的發(fā)展提供幫助。