劉貴彬 解小琴

摘 要：機(jī)械密封是在補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的磁力（或彈力）和流體壓力的作用下，根據(jù)垂直于軸作相對滑動的端面并配合輔助密封從而達(dá)到阻止泄漏的機(jī)械裝置，又稱作端面密封或軸向端面密封。本文分析了機(jī)械密封原理的基礎(chǔ)上，給出了O形密封圈基本理論，重點(diǎn)給出了O形的壓縮率，以及O形密封圈的失效類型分析。

為O形密封圈的設(shè)計分析提供了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：O形密封圈；密封原理；失效類型

一、機(jī)械密封原理及其失效類型

因?yàn)闄C(jī)械密封通常工作環(huán)境比較惡劣，會遇到各種各樣的問題，所以在仿真分析中可能會遺漏某些因數(shù)素。綜合考慮，可做一些假設(shè)：

（1）密封副結(jié)構(gòu)均為軸對稱結(jié)構(gòu)，而所承受的載荷也具備該特性；

（2）密封副正常工作時，設(shè)摩擦系數(shù)固定值，材料磨損也可忽略；

（3）密封副所使用材料的物理特性與溫度和力沒有太大的關(guān)系；

（4）材料之間的熱傳導(dǎo)可被忽略；

（5）假設(shè)傳熱均是由密封表面之間的摩擦產(chǎn)生的，并且在密封端面上的熱流密度的分布是均衡的。

機(jī)械密封主要包含靜環(huán)、動環(huán)、密封元件和緊固元件等構(gòu)成。軸的轉(zhuǎn)動帶著動環(huán)一起旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)和動環(huán)的結(jié)合面形成密封接觸，以阻止介質(zhì)的泄漏。動環(huán)根據(jù)封閉空間內(nèi)介質(zhì)的壓力將其與靜環(huán)端面接觸并緊固，兩者接觸面形成一層非常薄的液體膜并存在一定的壓力比，最終達(dá)到密封的效果。機(jī)械密封是與機(jī)械設(shè)備的其它零部件共同配合工作的，機(jī)械密封的運(yùn)行情況和現(xiàn)場狀況、本身的特征有直接的聯(lián)系。

O形密封圈的失效類型：

（1）永久形變 因?yàn)镺形密封圈通常使用的材料具有粘彈性，其回彈堵塞能力和初始值使用的時間較長，并造成永久變形，逐步消失，最后造成滲漏現(xiàn)象。

（2）間隙咬傷 高壓情況下，被密封的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)內(nèi)徑脹大、幾何精度不高及零部件不同軸等問題，所有這些會產(chǎn)生密封圈被擠出，并導(dǎo)致密封間隙的距離越來越大。O形密封圈的硬度值也會影響間隙的擠出情況，材料的硬度值與介質(zhì)的壓力值呈反比關(guān)系，而與間隙擠出現(xiàn)象呈正比關(guān)系。

（3）扭曲現(xiàn)象 當(dāng)在周向方向時，O形密封圈發(fā)生扭轉(zhuǎn)而造成的，在動密封情況下出現(xiàn)的比較多。

二、機(jī)械密封環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

（一）定義設(shè)計變量

根據(jù)機(jī)械密封的參數(shù)特征，設(shè)A1和A2分別表示靜環(huán)和動環(huán)密封端面的軸向伸出長度。根據(jù)第五章對動靜環(huán)的力學(xué)分析可知，在軸向方向，動環(huán)端面有不大的變形量，接觸情況一般，選擇對動環(huán)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)的進(jìn)行優(yōu)化意義較小，所以考慮選擇靜環(huán)的參數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化。由于機(jī)械密封的性能受靜環(huán)端面的水平力及內(nèi)外徑作用的影響，葛培琪人等選擇密封端面寬度這一參數(shù)去對密封的特性進(jìn)行研究，但因?yàn)榕c載荷系數(shù)K也有直接的關(guān)系，在進(jìn)行優(yōu)化分析

時，某些參數(shù)的性能會改變，因此選擇靜環(huán)端面的伸出長度Al為優(yōu)化參數(shù)最為合適。

（二）定義狀態(tài)變量

按照優(yōu)化的基本原理，密封端面出現(xiàn)的小錐度收斂間隙為機(jī)械密封的最佳情況。因?yàn)槎嗣骈_口形狀呈錐度，其大小不能為無限小，因此對錐度值要求很難滿足。

（三）定義目標(biāo)函數(shù)

對動靜環(huán)的仿真模擬，通常選擇密封端面的徑向和軸向的變形和應(yīng)力兩種參數(shù)。第五章的密封副分析表明，動環(huán)的軸向變形和位移較大，隨之其軸向間也就較大，這兩種種參數(shù)有相似的變化，機(jī)械密封性能穩(wěn)定僅需控制兩個參數(shù)中的一種即可。在軸向方向，動、靜環(huán)端面的變形及應(yīng)力會有差別，不滿足目標(biāo)函數(shù)所規(guī)定的要求；間隙值又要求不能為無限小，所以作目標(biāo)函數(shù)也符合要求；因?yàn)榻佑|壓力的特殊性能，并且接觸的最大接觸壓力也不能為無限小，因此，目標(biāo)函數(shù)選擇為最大接觸壓力為最理想的參數(shù)。

（四）數(shù)學(xué)模型優(yōu)化

（1）參數(shù)化建模；

（2）對模型施加載荷并解方程組；

（3）在后處理器中獲取變量和目標(biāo)函數(shù)值，并將命令流寫“LGw”；

（4）對目標(biāo)函數(shù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義，并對迭代的次數(shù)進(jìn)行選擇；

（5）優(yōu)化分析并得到結(jié)果。

三、結(jié)論

對機(jī)械密封進(jìn)行準(zhǔn)確的分析存在著眾多的困難和難點(diǎn)。而關(guān)于以前的密封特性的運(yùn)算分析通常是依靠重復(fù)不斷地試驗(yàn)來獲得的，因此這就不能很深層次地對密封特性進(jìn)行評估，因?yàn)樵摲N評估主要依靠研究人員多年的經(jīng)驗(yàn)積累，這不僅阻止技術(shù)上的提高，而且也不能滿足工程上的要求。

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