【文章內(nèi)容簡介】 露到大氣中時，可以選用此種形式的密封。2）TMO2B型雙端面干氣密封：當(dāng)介質(zhì)為不允許泄露到大氣中的危險氣體，但允許隔離氣體（如氮氣）少量進(jìn)入到工藝介質(zhì)中，可以考慮選用。3）TMO2C型串聯(lián)式干氣密封：適用于各種壓力、危險性氣體密封場合。4）TMO2D型中間帶直筒的串聯(lián)式干氣密封：這類密封適用于既不允許工藝介質(zhì)泄露到大氣中，也不允許隔離氣體泄露到介質(zhì)中的場合。 發(fā)展趨勢干氣密封技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用且應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，但對干氣密封理論的研究、認(rèn)識和應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的加深。1）干氣密封總體設(shè)計方面以往的干氣密封研究僅在摩擦、材料等方面進(jìn)行，至今沒有得出令人滿意的結(jié)論。目前已在端面微觀形貌（粗糙度、波度、變形等）、相變、空化等方向開展了一些研究，但是很少從流體力學(xué)角度入手。考慮耦合傳熱、變形等因素，對氣體膜內(nèi)流動進(jìn)行分析，建立比較實用的干氣密封設(shè)計模型，提出相關(guān)的理論和相應(yīng)的改型措施是當(dāng)前需要深入進(jìn)行的重要方面?，F(xiàn)代設(shè)計和機(jī)理的研究相輔相成。把幾何模型的建立和壓力、溫度變形的耦合計算作為對象處理，開發(fā)出圖形交互式的計算分析系統(tǒng)，并同時與試驗數(shù)據(jù)對比修正，以優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，最終形成一套完整的設(shè)計軟件系統(tǒng)意義深遠(yuǎn)。這方面需要大量的數(shù)值模擬以及試驗數(shù)據(jù)的搜集統(tǒng)計工作，需要更多的人員和經(jīng)費投入并完善現(xiàn)有CAD軟件功能。由于密封失效存在的原因很多，它和設(shè)計、操作以及使用條件的關(guān)系尚不清楚，可建立故障診斷和分析系統(tǒng)來進(jìn)行研究[28]。密封的壓力、溫度會對密封性能產(chǎn)生直接的影響，造成密封泄漏，特別是我國石油化工工業(yè)運轉(zhuǎn)周期將延長，迫切要求開展這方面的研究，以便測量和記錄現(xiàn)場實際工作條件，并由此確定對密封性能的影響。隨著旋轉(zhuǎn)設(shè)備向高參數(shù)發(fā)展以及環(huán)保對密封提出更高的要求，迫切要求密封系統(tǒng)有自動監(jiān)測和調(diào)控功能，而且隨著微電子學(xué)、測控技術(shù)的發(fā)展及其在密封領(lǐng)域的應(yīng)用，密封技術(shù)的監(jiān)控技術(shù)會在石化等工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。但是引起密封失效的因素很多，究竟選擇哪種參數(shù)作為反饋信號才能夠及時準(zhǔn)確，也是當(dāng)今研究的熱點。新材料的研制開發(fā)。隨著機(jī)械密封使用要求的提高，也促使其用材進(jìn)一步發(fā)展，如對有自潤滑性硬質(zhì)合金、高性能工程陶瓷、高性能密封圈材料以及混入納米粒子的SiCCC等新材料的研究與應(yīng)用。利用噴涂技術(shù)和新工藝來修復(fù)硬面和制造硬面環(huán)也有很多嘗試。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而派生出來的納米摩擦學(xué)的發(fā)展，有很多學(xué)者分析了介質(zhì)潤滑性對摩擦系數(shù)和磨損的影響，從微觀上解釋了摩擦磨損機(jī)理，設(shè)計與制備出納米尺度上的潤滑及減磨耐磨材料，是90年代以來摩擦學(xué)研究領(lǐng)域最活躍，也是材料學(xué)與摩擦學(xué)科交叉領(lǐng)域最前沿的內(nèi)容。為了改善材料的潤滑條件，還有很多學(xué)者作了納米粒子做潤滑添加劑的研究和展望。 2）理論計算方面通過對各種干氣密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元理論分析，從分析結(jié)果對比可知，有限元法更為準(zhǔn)確、更接近實際。但從目前國內(nèi)的研究結(jié)果看，一些理論還不太成熟，方法還不太統(tǒng)一，有待于進(jìn)一步完善。由于干氣密封不可能達(dá)到零泄漏，所以密封布置方式的選擇要更為具體和合理。如何采取有效的措施減少泄漏量是干氣密封的一個研究方向。液體污染物進(jìn)入密封槽后，經(jīng)逐漸積累會造成氣膜承載力的下降，有發(fā)生端面接觸的危險。如何清除和防止槽中液體雜質(zhì)污染需進(jìn)一步研究。密封材質(zhì)的選擇決定了干氣密封的運行狀況及使用壽命，因此要通過對比研究與不斷的實踐，從而得出一些好的經(jīng)驗和結(jié)論。影響干氣密封運轉(zhuǎn)性能的因素很多，一般分為密封操作參數(shù)和密封槽型幾何參數(shù)。密封面結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封的穩(wěn)定性及可靠性有很大的影響，密封面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題應(yīng)成為研究的重點。另外，一些過去涉及較少的方面比如端面平衡間隙、低速運轉(zhuǎn)情況下的密封等也將成為研究的熱點。目前在化工泵中遇到的難題之一是高溫介質(zhì)的零泄漏問題，解決這一關(guān)鍵問題的最好方法是采用波紋管式干氣密封。已焊接金屬波紋管替代彈簧作為彈性元件，由于波紋管具有輔助密封作用，這樣不但省掉了橡膠制作的動環(huán)輔助密封圈，而且具有較好的軸向浮動性，提高了密封性能。 課題來源與主要研究工作本課題來源于國家自然科學(xué)基金資助項目（50965010）《螺旋槽干氣密封非線性動力學(xué)設(shè)計理論及方法的研究》。主要研究了以下四個方面的工作：1）螺旋槽干氣密封潤滑氣膜阻尼系數(shù)的計算及分析螺旋槽干氣密封操作的穩(wěn)定性和可靠性與其槽型參數(shù)息息相關(guān)，為優(yōu)化槽型參數(shù)建立氣膜軸向和角向阻尼系數(shù)的計算模型，利用Maple程序求解阻尼系數(shù)的近似表達(dá)式，通過動態(tài)穩(wěn)定性分析，獲得不同介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速下的槽型參數(shù)。分析結(jié)果表明：隨著介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速的增大，氣膜阻尼系數(shù)增大，得到穩(wěn)定性最佳的螺旋角數(shù)值，且與實驗數(shù)據(jù)基本一致，說明所建立的阻尼系數(shù)數(shù)學(xué)模型正確。2）螺旋槽干氣密封雙自由度軸向振動的追隨性分析螺旋槽干氣密封微尺度氣膜穩(wěn)定性與其靜環(huán)追隨動環(huán)的動力學(xué)特性密切相關(guān)，其追隨性分析是國內(nèi)外研究的熱點。本文建立了軸向振動下氣膜密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動力學(xué)模型，利用Maple程序求解了軸向振動方程，獲得了在不同追隨性系數(shù)下的靜環(huán)時間歷程圖。研究結(jié)果表明：，改變工況不影響其臨界條件。但隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，臨界條件發(fā)生了改變。可見通過選擇合理的追隨性系數(shù)可以控制氣膜的穩(wěn)定性，為干氣密封動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。3）干氣密封氣膜—密封環(huán)系統(tǒng)軸向振動動力穩(wěn)定性分析基于非線性振動理論，建立了氣膜密封環(huán)系統(tǒng)軸向振動動力學(xué)模型，在特例下計算并擬合非線性氣膜動態(tài)參數(shù)，得到了一個非線性受迫振動微分方程。在無外激勵情況下，通過求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問題，分析了螺旋角對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角的范圍，并求得在特例下螺旋角a=75176。13′26″時系統(tǒng)發(fā)生hopf分岔。這與先前利用龍格庫塔法研究的結(jié)果一致，從而驗證了該方法的正確性。改變工況討論系統(tǒng)分岔問題，得到了系統(tǒng)分岔時的螺旋角數(shù)值，結(jié)果表明其螺旋角數(shù)值基本不變，說明改變工況其分岔點位置不變，其結(jié)果為干氣密封的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。4）螺旋槽干氣密封特性參數(shù)的試驗研究在成都一通密封有限公司的2900r/min密封試驗臺上對螺旋槽干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行了試驗研究。完成了氣體端面密封試驗臺的測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計、測試系統(tǒng)的硬件配置。測試了泄漏量、功耗和氣膜軸向剛度，給出了氣體端面密封試驗的測試結(jié)果，并與理論計算近似值比較，進(jìn)行誤差分析。試驗測出數(shù)值與計算結(jié)果較為吻合。 課題的創(chuàng)新點與關(guān)鍵性問題課題的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）動態(tài)特性參數(shù)的計算軸向微擾下氣膜軸向阻尼系數(shù)的計算，角向微擾下氣膜角向阻尼系數(shù)的計算。2）軸向振動的追隨性分析，即：靜環(huán)追隨動環(huán)的動力學(xué)特性。3）系統(tǒng)分岔問題，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角范圍。相應(yīng)解決的關(guān)鍵性問題如下：1）求解氣膜阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式；2）軸向振動下氣膜密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立；3）基于非線性振動理論，對螺旋槽干氣密封氣膜動態(tài)特性參數(shù)的計算。第2章 螺旋槽干氣密封的基本理論 螺旋槽干氣密封的工作原理，它主要由加載彈簧、O形圈、靜環(huán)以及動環(huán)組成。靜環(huán)和加載彈簧被安裝在靜環(huán)座中，并依靠O形圈進(jìn)行二次密封。靜環(huán)一般用較軟的，有自潤滑作用的材料，在彈簧等載荷的作用下，可沿軸向自由移動。動環(huán)依靠軸套固定在旋轉(zhuǎn)軸上并隨軸旋轉(zhuǎn)。動環(huán)由硬度高、剛性好且耐磨的材料制造。 螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)，螺旋槽干氣密封設(shè)計的特別之處是在動環(huán)表面加工出一系列螺旋狀溝槽。槽型線一般選用對數(shù)螺旋線，數(shù)學(xué)上可用以下方程描述[29]： （）式中：rg 起始半徑；θ角度坐標(biāo)；β螺旋角。 泵入型螺旋槽，緩沖氣體（可以是經(jīng)過濾后的壓縮機(jī)出口氣、氮氣或惰性氣體）注入到密封裝置，動、靜環(huán)在流體靜壓力和彈簧力的作用下保持貼合，起到密封的作用。當(dāng)動環(huán)旋轉(zhuǎn)時將被密封氣體周向吸入（泵吸作用）槽內(nèi)，氣體沿槽向槽根部運動，由于受到密封堰的阻礙，氣體作減速流動并被逐漸壓縮。在此過程中，氣體的壓力升高，即產(chǎn)生了流體動壓力。當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時，具有撓性支承的靜環(huán)將從動環(huán)表面被推開，這樣密封面之間始終保持一層極薄的氣膜，所形成的氣膜一方面能有效地使端面分開，保持非接觸，另一方面又使相對運轉(zhuǎn)的兩端面得到冷卻。同時，密封面間極小的氣膜間隙能有效地控制泄漏到最低水平。 螺旋槽干氣密封工作原理 力學(xué)模型與受力分析以靜環(huán)為研究對象。1）在停止運轉(zhuǎn)時，作用于密封副上的力只有流體靜壓力。靜環(huán)受兩個方向的力，如圖 所示。一個是使密封面閉合的力 FC，它由彈簧力和靜環(huán)后面被密封介質(zhì)壓力 p1以及背壓 p2引起的力組成。其中 A 為密封面面積。另一個是使密封面開啟的力 FO，它由作用在密封面上的流體靜壓力引起。此時開啟力小于閉合力，靜環(huán)端面和動環(huán)端面貼合，起到靜態(tài)密封作用。 流體靜壓力分布2）在正常運轉(zhuǎn)時，靜環(huán)仍受到兩個方向的力。閉合力由彈簧力和靜環(huán)后面被密封介質(zhì)壓力 p1以及背壓 p2引起的力組成。開啟力則由作用在密封端面上的流體靜壓力和流體動壓力引起，如圖 所示。當(dāng)閉合力與開啟力相等時，即 FC=FO時，密封處于平衡工作狀態(tài)，動環(huán)與靜環(huán)之間形成一個穩(wěn)定的間隙。 正常運轉(zhuǎn)時氣膜的壓力分布3）當(dāng)受到外來干擾時，可能導(dǎo)致密封面之間的間隙改變。當(dāng)間隙減小時，由氣膜產(chǎn)生的開啟力顯著增加，此時 FCFO，密封間隙將增大，從而使密封很快恢復(fù)到平衡位置，(a)所示。同樣地，如果擾動使得密封面之間的間隙增加，由氣膜產(chǎn)生的開啟力減小，此時 FCFO，密封間隙將減小，密封也會很快恢復(fù)到平衡位置，如圖 (b)所示。由以上的受力分析可知，螺旋槽干氣密封系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)的能力，這種自我調(diào)節(jié)的結(jié)果使得動環(huán)和靜環(huán)之間能自動形成一個穩(wěn)定的帶壓剛性氣膜，起到密封作用，并且保證動環(huán)和靜環(huán)之間非接觸、無磨損，從而使密封具有較長的工作壽命。 (a)間隙減小時 (b)間隙增大時 間隙變化時氣膜壓力的分布 螺旋槽干氣密封的材料螺旋槽干氣密封的操作極限與密封組件的許用載荷有關(guān)，溫度和壓力極限由所用的輔助密封橡膠和端面材料決定。所以，材料的選擇對密封裝置長周期可靠運行十分重要。1）密封端面材料典型的干氣密封端面材料如碳化鎢，常常應(yīng)用于離心式氣體壓縮機(jī)上。這些密封材料有著硬度高，耐磨性能好，在承受高壓和大的離心力的情況下，具有小的熱變形性能，但它的韌性低，易脆和難以抵抗熱沖擊。當(dāng)干氣密封端面關(guān)閉時，密封端產(chǎn)生干摩擦，造成表面受到熱處理，從而很容易出現(xiàn)裂紋和裂紋擴(kuò)散和傳播，造成干氣密封失效。有資料表明，一些研究采用表面鍍鉻的不銹鋼動環(huán)和石墨靜環(huán)應(yīng)用于干氣密封上也取得了很好的效果。同時，也有試驗采用表面氮化或硼化的鐵合金來產(chǎn)生一個硬的耐磨的表面來取代碳化鎢材料。盡管如此，高硬度的WC材質(zhì)或碳化硅材料還是具有一些明顯的優(yōu)點，并被許多大的密封廠家所采用。干氣密封的端面材料需要有低的熱膨脹系數(shù)和高的導(dǎo)熱性，這樣可以有較好的熱流動性，從而降低動、靜環(huán)的熱變形。為了減小端面的壓力變形，需要其材料有高彈性模量和強(qiáng)度系數(shù)。同時，由于壓縮機(jī)啟、停過程中密封副必然會產(chǎn)生接觸，因此密封副材料還需要有較好的耐磨性能。常用材料如表 所示[3031]。 端面材料的物理特性材料密度導(dǎo)熱系數(shù)熱膨脹系數(shù)彈性模量抗壓強(qiáng)度硬度洛氏A浸Sb 石墨2～420～4050020SiC124501034140TiC30737990092WCNi186600110089WCCO20400～530100090Si3N44220～320120085動環(huán)材料一般選擇碳化鎢或碳化硅，其優(yōu)點是變形小、導(dǎo)熱系數(shù)高、自潤滑性能好和硬度高。靜環(huán)常采用浸銻石墨。其材料配對情況及優(yōu)缺點見表 。 動、靜環(huán)配對材料材料組合靜環(huán)動環(huán)優(yōu)缺點軟/硬浸銻石墨WCCO抗沖擊性強(qiáng)、硬度略低軟/硬浸銻石墨WCNi抗腐蝕性強(qiáng)、硬度略低軟/硬浸銻石墨SiC抗腐蝕性強(qiáng)、比較脆隨著工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的性能要求越來越高，工況條件可能是高壓、高速、高溫等，而密封介質(zhì)又可能具有強(qiáng)腐蝕性或者含有磨料顆粒等，在這些情況下，WC硬質(zhì)合金就不是理想的密封材料了。高參數(shù)的工況條件給干氣密封的研制提出了新的要求，尤其是作為摩擦副硬質(zhì)材料的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)，如耐磨損性、耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、自潤滑性、氣密性、可加工性以及與之配對的材料無過大磨損和電化學(xué)腐蝕等。而SiC陶瓷幾乎滿足了上述的所有要求，是近年開發(fā)并投入使用的新的硬質(zhì)密封材料，在化工、煉油、汽車、原子能、航空、航天等各個工業(yè)部門的干氣密封中，被越來越多地選為摩擦副材料?？梢哉f，為適應(yīng)機(jī)械密封的發(fā)展，新的密封材料會不斷地被開發(fā)。 2）輔助密封材料輔助密封材料指的是除動、靜環(huán)配合密封以外的其余軟性密封材料，主要為O 形圈。對于輔助密封最重要的特性是溫度極限，擠壓特性和壓力相關(guān)的氣吸現(xiàn)象。在氣吸的環(huán)境下，密封腔的壓力突然下降將導(dǎo)致 O 形圈的變形。為了消除氣吸的損害，壓力下降率應(yīng)低于 2MPa/min。表 為 O 形圈的選擇示例。 輔助密封圈的選擇壓力(MPa)溫度（℃）O形圈材料肖氏硬度應(yīng)用場合20～150標(biāo)準(zhǔn)氟橡膠75A富氣、循環(huán)氫、二氧化碳、空氣、氮氣等30＜P＜12020～150氟橡膠90A富氣、循環(huán)氫、天然氣20～250全氟橡膠70～90A高腐蝕、高溫氣體P 12020～135高級丁晴橡膠75A乙烯3）構(gòu)件材料殼體、軸套和壓蓋等構(gòu)件的材料一般采用不銹鋼。當(dāng)介質(zhì)中存在潮濕酸性氣體，金屬材料的最大洛氏硬度應(yīng)控制在 HRC≤22，構(gòu)件其它材料的選用也應(yīng)遵循這一原則。通過控制材料的