机械密封的发展历程与研究动向(2)
1961 ~ 1963年由于原子能工业的要求,在结构上 出现了流体动压密封和流体静压密封,使pv值迅速 提高到167MPa to/s,1969年达到266MPato/s。在这 一阶段,主要发展动力是密封端面间不同润滑机理的 出现和与之相适应的新型结构的探索与开发。
1971 ~ 1974年由于宇航和核电方面的特殊要求, 在结构上出现了多级密封,在材料上出现了碳化硅和 优质的不同浸渍材料的碳石墨,使pv值达到了 36CMPata/s,1977年由于核电等特殊需要采用螺旋一 机械密封组合的密封、改进的中间浮动环密封等、浮 环一机械密封组合密封等,使最高pv值达到了
1980 ~ 1990年随着人们环境保护意识的提高,研 制出了 “零泄漏”机械密封。在流体动压密封原理的 基础上,开发出了热流体动力楔机械密封和上游泵送 机械密封。在保证密封性能的同时,为了获得较长的 使用寿命,利用自动控制理论,人们开发出可控机械 密封。1990年以后,机械密封pv值达到了 5700MPam/s[1。这一阶段,发展的主要动力是密封原理的发 展和控制理论的支持。
2机械密封机理研究进展
对于机械密封而言,形成密封作用的假说基本上 分成两类,即表面张力假说和粘滞力假说。
最早提出表面张力假说的是ABrkiA。该假说认 为端面间稳定而可靠的密封主要是表面张力作用的结 果[2,密封端面实际上并不是理想的光滑平面,少量 突起部分存在着直接接触。G E Rajakovics采用试验论 述了表面张力是密封重要因素这一观点。同时对粘滞 假说提出了异议:①粘滞力(主要是指液体和固体表 面的附着力)要在间隙为10 9m或更小时才起作用, 在微米级的密封间隙中不起作用;②粘滞是一种动力 学的特征,而在密封处于零泄漏时,径向是没有动力 学过程的。国内李克永等也著文赞同表面张力假 说[3。
P Basu,E Schwaigei和 U W Senfert 等人认为密封面间的液膜起一个软密封垫那样的作用,液体分子间 的分子力随粘度增加而上升,且随密封间隙的增大而 下降。J Digard及M Genhle等在低压机械密封润滑状 况的试验研究中,观察到液膜内存在着张力区。通过 密封运转期间压力传感器测出了相变区的压力及液膜 破坏前在相变区受到张力的作用[4。基于端面内有空 化、汽化现象的事实[5],J Digaid及M Genhle认为多 级气隙形成多次表面张力作用是提高总的密封能力的 主要原因。
然而,以EF Boon为代表的粘滞假说[6,认为某 些液体分子由于粘性被粘贴在密封面上,这种因压差 在密封间隙中产生粘滞力能阻止介质的泄漏。
国内郑海泉、陈汝灼[7从反面论证了表面张力假 说的局限性:①按表面张力计算出的最大密封能力其 数值太小,以表面张力较大的水来说,在密封间隙为 l^m的正常情况下,最大的密封能力不足0. 15MPa。 若要考虑各种因素的影响,修正后数值更小。空化现 象的成因、性质、形态、分布等尚不清楚,且密封处 于静止时并不产生空化现象,因此解释不了静止时仍 有很高密封能力这一事实;②表面张力假说必须以不 漏为前提,一旦泄漏就几乎完全丧失密封能力。因为 的液膜厚度都要朝降低密封能力的方向变化,故密封 能力会显著降低。这不但不能解释一般密封或多或少 有点泄漏的实际情况,对密封面内外都有液体的多端 面密封的密封能力更无法解释。
E Mayer通过大量试验,分析了粘度在机械密封 机理中的地位。基于粘滞力假说,人们对机械密封端 面间的润滑状态进行了研究与探讨。Mayer认为普通 机械密封的摩擦副之间,液膜之薄,牛顿型流体方程 缺乏有效的应用条件。在普通机械密封上,摩擦副端 面间总是存在着接触,形成许多彼此间很少连通的空 隙,当两环相对转动时,液体从一个空隙转移到另一 个空隙中去,一直到液体质点达到缝隙的终端为止, 密封端面处于边界润滑状态[89]。戈卢别夫[10、Summers - Smith[ 11] 和国内顾永泉[ 12] 、 王汝美[ 13 等认为实 际运行的普通机械密封一般处于混合润滑状态。流体 静压效应[14]和流体动压效应[15在形成液膜过程中起 着不同的作用。然而,AOLebeak在“端面密封的波 度预计、测量、起因和影响,,一文[16]中,指出水介 质中工作的普通端面密封并未产生流体动压效应,这 不能不使人们对此前在机械密封领域占有重要位置 的混合润滑理论重新认识。
可见机械密封机理至今仍然没有一个完整的密 封理论为人们所认同。尽管如此,人们仍孜孜不倦地 追寻,因为每一步探索以及由此而提出的假设或获得 的结论,对机械密封的设计制造以及应用都起着重要 的指导作用。
3机械密封应用技术
一百多年的研究过程中,人们在认识机械密封机 理的同时,成功地利用密封机理设计制造了机械密封 产品,并将产品应用于石油、电力、宇航及核工业等 领域。目前先进的机械密封应用技术主要有表面改形 技术、组合密封技术和可控机械密封技术。
3. 1表面改形技术
表面改形技术就是通过在密封端面上开出各种 形式的槽来改善端面间的润滑状况,从而实现机械密 封的长寿命运行[17~19]。按开槽的深度分为开深槽和 开浅槽两大类。
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