在一些高參數(shù)工況下，傳統(tǒng)的接觸式機(jī)械密封往往會(huì)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、壽命較短的現(xiàn)象，難以承擔(dān)設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行的重任。開展非接觸式機(jī)械密封特別是雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸機(jī)械密封的研究，有利于這一問(wèn)題的解決。本文通過(guò)對(duì)幾種典型雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸密封的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述，以及相關(guān)槽型特性的對(duì)比分析，獲得了不同工況條件下工作的雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸密封端面槽型結(jié)構(gòu)的選擇原則: 高壓、高溫、大尺寸場(chǎng)合宜選用圓弧槽，低速場(chǎng)合宜選用樹形槽，磨削粒子細(xì)小的場(chǎng)合宜選用多孔端面，非高溫場(chǎng)合均可考慮選用T 型槽。指出完善理論模型、強(qiáng)化回流效應(yīng)、提高開啟穩(wěn)定性及提升T 型槽穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度區(qū)間為雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展方向。

1、引言

　　非接觸式機(jī)械密封指由于流體靜壓或動(dòng)壓作用，在密封端面間充滿一層完整的流體膜迫使密封端面彼此分離，而不存在硬性固相接觸的機(jī)械密封。這種密封在解決高壓或易汽化介質(zhì)環(huán)境中普通接觸式機(jī)械密封面臨的密封端面得不到良好潤(rùn)滑，常出現(xiàn)嚴(yán)重的摩擦磨損或熱裂問(wèn)題上發(fā)揮了積極作用。

　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，非接觸式機(jī)械密封可分為單向旋轉(zhuǎn)式和雙向旋轉(zhuǎn)式。槽型結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，使得單向旋轉(zhuǎn)式非接觸式機(jī)械密封只能在正轉(zhuǎn)時(shí)工作，而在反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能建立起隔離動(dòng)靜環(huán)硬性固相接觸的動(dòng)壓。這種狀況，使得人們更加關(guān)注雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸機(jī)械密封的研究。

　　目前，雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸機(jī)械密封主要有：T型槽機(jī)械密封，圓弧槽機(jī)械密封，多孔端面機(jī)械密封等。由于槽型的作用，這3類非接觸式機(jī)械密封均具有一定的動(dòng)壓效應(yīng)和正反轉(zhuǎn)工作能力。本文旨在通過(guò)對(duì)主要雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸機(jī)械密封發(fā)展概況的回顧與分析，闡明幾種典型槽型機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能，揭示其密封機(jī)理與動(dòng)壓形成機(jī)制，為進(jìn)一步深化非接觸式機(jī)械密封的研究，拓展其應(yīng)用范圍和參數(shù)水平提供依據(jù)。

2、T型槽機(jī)械密封

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3、圓弧槽機(jī)械密封

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4、多孔端面機(jī)械密封

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5、其他雙向旋轉(zhuǎn)槽型

　　圖4 示出了幾種常用雙向旋轉(zhuǎn)模型。

圖4 其他常用雙向旋轉(zhuǎn)槽型

　　目前德國(guó)Burgman 公司生產(chǎn)制造的V 型槽最具代表性，產(chǎn)品型號(hào)有Cartex-GSD，CGS，GSO-D，HRC-SD，MFL85GS，MTEX-GSD等，其生產(chǎn)制造的V 型槽可在串聯(lián)集裝式、單端面、雙端面、單端面波紋管及金屬波紋管多種結(jié)構(gòu)特征形式下使用，壓力范圍為1.0～2.5MPa，溫度范圍為-40～300℃，速度范圍一般在15～25m/s，適用于毒性、污染性等危險(xiǎn)性介質(zhì)等密封場(chǎng)合，如圖4(a)。圖4(b)所示交叉螺旋槽采用雙向兩螺旋槽型的疊加模式，充分利用了螺旋槽的尖端增壓作用，既能實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)壓效應(yīng)，又能正反轉(zhuǎn)。但由于加工槽型工藝較復(fù)雜，成本較高，應(yīng)用場(chǎng)合較少。圖4(c)所示梯形槽雖然密封性能不如螺旋槽，但由于其加工工藝簡(jiǎn)單，在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常使用。圖4(d)所示對(duì)稱螺旋槽型的特點(diǎn)是：將每個(gè)周期段中的單向槽變?yōu)殡p向槽，由兩個(gè)螺旋槽反向連接構(gòu)成。1998年，王玉明對(duì)此種槽型密封分別申請(qǐng)了發(fā)明專利及應(yīng)用新型專利。數(shù)值計(jì)算也表明對(duì)稱螺旋槽型機(jī)械密封在不同工況下具有良好的動(dòng)壓效果和密封效果。圖4(e)所示的L 型槽干氣密封是日本華爾卡公司研制的新型槽型，國(guó)內(nèi)只有從國(guó)外進(jìn)口的L 型槽干氣密封，而且應(yīng)用的不多。通過(guò)計(jì)算軟件及實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比L 型槽與T 型槽密封，結(jié)果表明T 型槽略優(yōu)于L型槽，階梯L 型槽較優(yōu)于等深L 型槽。

　　1996年，Müller巧妙地提出了“流體回流式”流體潤(rùn)滑機(jī)械密封，如圖4(f)所示。它具有對(duì)稱的槽型結(jié)構(gòu)，可雙向旋轉(zhuǎn)。密封環(huán)中間的系列水平槽，長(zhǎng)短不同、深淺不同，它們能夠?qū)⑿孤┝黧w的大部分又泵送回高壓密封側(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄漏量少、壽命長(zhǎng)的優(yōu)良特性。對(duì)此類槽型國(guó)內(nèi)也已成功申請(qǐng)了發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。這種機(jī)械密封國(guó)外已形成系列產(chǎn)品，但公開報(bào)道的相關(guān)研究成果很少。另外一種類似的結(jié)構(gòu)，如圖4(g)所示。它由矩形槽和居于密封面中部的圓弧槽構(gòu)成。對(duì)此類槽型國(guó)內(nèi)宋鵬云、常靜華已成功申請(qǐng)了“雙向自上游泵送機(jī)械密封環(huán)”發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。

　　John Crane公司先后設(shè)計(jì)出50多種不同形狀槽型的機(jī)械密封，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)雙向旋轉(zhuǎn)槽型線限制了氣膜所產(chǎn)生的負(fù)載能力，使得端面間隙太小，溫度也高，系統(tǒng)的壓力波動(dòng)或轉(zhuǎn)子擾動(dòng)很容易造成密封端面接觸。在將各種槽型的最佳特點(diǎn)優(yōu)化組合后，研制出雙向旋轉(zhuǎn)樹型槽端面結(jié)構(gòu)的干氣密封(F-DGS)。樹型槽的突出特點(diǎn)是將每個(gè)區(qū)段中的單槽變成為雙槽，增加了增壓區(qū)的數(shù)量，充分利用了螺旋槽的尖端增壓作用。結(jié)構(gòu)如圖4(h)所示。國(guó)內(nèi)自1996起也陸續(xù)對(duì)樹型槽雙向干氣密封進(jìn)行了大量研究，同時(shí)還申請(qǐng)了相關(guān)專利。馬媛媛、彭旭東等對(duì)雙向旋轉(zhuǎn)樹型槽密封端面氣膜動(dòng)壓特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，雙向旋轉(zhuǎn)樹型槽干氣密封不僅能夠?qū)崿F(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，而且具有較好的動(dòng)壓效應(yīng)，同時(shí)討論了操作參數(shù)等對(duì)雙向旋轉(zhuǎn)樹型槽密封性能的影響。但由于樹型槽端面密封結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，關(guān)于其密封特性及其端面幾何結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)外尚未見到有關(guān)公開報(bào)道。

6、結(jié)語(yǔ)

　　具有溝槽對(duì)稱布置的非接觸式機(jī)械密封在具有良好密封性能的同時(shí)兼具雙向旋轉(zhuǎn)性，避免了由于反向旋轉(zhuǎn)造成的密封失效問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)不同的工況條件可進(jìn)行具體槽型結(jié)構(gòu)選擇：高壓、高溫、大尺寸場(chǎng)合可選用圓弧槽型機(jī)械密封，且其具有較好的排污能力;低速場(chǎng)合下樹形槽具有良好的動(dòng)壓開啟效果，氣膜壓力分布均勻;磨削粒子細(xì)小的密封場(chǎng)合可選用多孔端面機(jī)械密封，其具有良好的捕捉磨損粒子及自潤(rùn)滑性能;T 型槽加工工藝簡(jiǎn)單，除高溫場(chǎng)合運(yùn)行不穩(wěn)定性外，在各種工況條件下皆具有較好的動(dòng)壓性能，開啟性能也較好。

　　針對(duì)雙向旋轉(zhuǎn)式非接觸密封的研究，筆者認(rèn)為，今后的發(fā)展方向?yàn)椋和晟评碚撃Ｐ汀��?qiáng)化回流效應(yīng)、提高開啟穩(wěn)定性及提升T 型槽穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度區(qū)間。其中，可通過(guò)由單一變量參數(shù)向多變量參數(shù)發(fā)展完善理論模型;開啟穩(wěn)定性的研究不僅影響雙向旋轉(zhuǎn)槽型穩(wěn)定性，同時(shí)直接影響其使用壽命，可由幾何參數(shù)、工作參數(shù)與開啟轉(zhuǎn)速的關(guān)系入手進(jìn)行分析研究，進(jìn)而得出較低開啟轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)參數(shù)，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。