【正文】 The mechanism of film generation in mechanical face seals [J]在試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本論文主要完成了以下一些工作：(1)介紹了機(jī)械密封的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及機(jī)械密封的組成和工作原理；(2)根據(jù)需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)密封介質(zhì)溫度和壓力以及密封環(huán)工作轉(zhuǎn)速等可控的試驗(yàn)機(jī)，來(lái)模擬機(jī)械密封的實(shí)際工況環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械密封的靜壓試驗(yàn)和動(dòng)壓試驗(yàn)；(3)闡述了試驗(yàn)機(jī)的溫度和壓力可調(diào)的介質(zhì)供應(yīng)裝置以及密封腔體等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。合理地設(shè)計(jì)機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)本體結(jié)構(gòu)是保證機(jī)械密封試驗(yàn)可靠性的重要前提。根據(jù)密封環(huán)外型和機(jī)構(gòu)工作時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的要求，密封箱體設(shè)計(jì)成柱形加方形底座。動(dòng)環(huán)蓋用于安裝動(dòng)環(huán)和O型圈組件，為保證O型圈參照動(dòng)環(huán)大徑和O型圈外徑設(shè)計(jì)動(dòng)環(huán)蓋內(nèi)徑95mm,壁厚4mm；為減輕動(dòng)環(huán)蓋重量達(dá)到降低消耗的目的，密封蓋頂部通孔，依據(jù)軸套外徑，同時(shí)保證彈性元件的接觸面積，孔徑選用70mm.彈性元件作用是試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)的作用為動(dòng)環(huán)傳遞軸向作用力，保證動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的緊密接觸，以達(dá)到良好密封的效果。密封環(huán)及密封圈的外型和尺寸設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了拓可公司的實(shí)驗(yàn)和在產(chǎn)品中運(yùn)用的驗(yàn)證，性能符合要求。靜環(huán)由靜環(huán)輔助O形圈緊壓到箱體的階梯面中，并保證其工作面與動(dòng)環(huán)端面緊密貼合；在腔體上開(kāi)有進(jìn)油孔和出油孔，這樣就能通過(guò)向箱體內(nèi)注入介質(zhì)來(lái)檢測(cè)密封環(huán)的密封性能了。m，所以鍵滿足條件。由圖冊(cè)可查得d=24mm時(shí)，鍵的截面尺寸為：寬b=8mm，高h(yuǎn)=7mm，參考轂長(zhǎng)選鍵長(zhǎng)l=30mm。mm D1螺栓分布圓直徑 Z螺栓數(shù)螺栓的剪切強(qiáng)度： （38） （39） ζ=[ζ]=120 式中 [Ss][ζ] 螺栓材料的許用剪應(yīng)力 螺栓的擠壓強(qiáng)度： （310） （311） σP=[σP]=240 式中 [Sp]δ螺栓與孔壁的接觸厚度mm,取兩半聯(lián)軸器中接觸厚度較小者[σp]許用擠壓應(yīng)力，N/mm2 上列式中σs為螺栓材料的屈服極限，[σ]b為材料的拉伸強(qiáng)度極限。M，孔徑24mm；采用4個(gè)M8的螺栓，2個(gè)普通螺栓和2個(gè)鉸制孔用螺栓。毫米2；P傳遞的功率，；n軸的轉(zhuǎn)速，900r/min；計(jì)算出軸徑d2=24mm＞13mm最后設(shè)計(jì)的軸徑需要滿足d=max(d1，d2)。毫米； [σ]W 對(duì)稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力，與材料的特性相關(guān)，可以查表得到，單位牛M式中 T為軸的輸出力矩 n為軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)軸材料選擇45號(hào)鋼，其與電動(dòng)機(jī)相連端軸徑選擇24mm與電動(dòng)機(jī)相匹配，長(zhǎng)度取L1=220mm；另一端軸徑61mm與密封環(huán)匹配。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械密封在實(shí)際工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速通常可以在一定范圍內(nèi)可調(diào)，為此試驗(yàn)機(jī)需要有一轉(zhuǎn)速可調(diào)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械密封轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬實(shí)際工況進(jìn)行機(jī)械密封試驗(yàn)。為了讓壓力罐內(nèi)介質(zhì)被加熱到比較穩(wěn)定的溫度，通常需要讓電熱片工作一段時(shí)間，然后才進(jìn)行試驗(yàn)。壓力表3顯示的是開(kāi)關(guān)閥出口，也即減壓閥入口處的氣體壓力；而壓力表5顯示的是減壓閥出口處，也即壓力罐空腔內(nèi)的氣體壓力。為了在一定程度上保持壓力罐內(nèi)氣體的壓力的穩(wěn)定，在開(kāi)關(guān)閥2出口和壓力罐入口的中間位置接了一減壓閥4，它有穩(wěn)壓和定壓的作用。試驗(yàn)機(jī)本體的密封介質(zhì)供應(yīng)裝置是由介質(zhì)供應(yīng)、溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)保持三個(gè)部分組成的，如圖32所示: 圖32 密封介質(zhì)供應(yīng)裝置 1．氮?dú)馄浚?．開(kāi)關(guān)閥；5．壓力表；4．減壓閥；6．壓力罐；9．加熱片10．放齊螺塞 該介質(zhì)供應(yīng)裝置各個(gè)部分的組成與工作原理如下:(1)壓力調(diào)節(jié)保持部分。如圖31所示是本論文機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)本體的結(jié)構(gòu)示意圖： 圖31 機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)本體結(jié)構(gòu)示意圖1．氮?dú)馄浚?0．開(kāi)關(guān)閥；5．壓力表；4．減壓閥；6．壓力罐；7．放氣螺塞；8．電熱片；11．介質(zhì)出口；12．介質(zhì)入口；13．密封腔；14．主軸支架；15．主軸；16．聯(lián)軸器；17．電機(jī)該試驗(yàn)機(jī)本體主要由介質(zhì)供應(yīng)裝置部分、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分以及密封腔部分組成。 特點(diǎn)：彈簧和動(dòng)環(huán)安裝在密封箱內(nèi)與介質(zhì)接觸，可以利用箱內(nèi)介質(zhì)壓力來(lái)密封。由于機(jī)械密封產(chǎn)品的多樣化，研究目的和重點(diǎn)的不同，目前機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)主要還是有目的、有對(duì)象地研制的。該裝置主要用于向密封腔內(nèi)介質(zhì)加壓。試驗(yàn)機(jī)本體主要是指構(gòu)成試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、液壓系統(tǒng)等部分，具體有:(l)密封腔。試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)需求主要有:(1) 設(shè)備具有一定的通用性，可以滿足多種型號(hào)機(jī)械密封產(chǎn)品試驗(yàn)的需要；(2) 可以進(jìn)行靜壓試驗(yàn)和動(dòng)壓試驗(yàn)；(3) 試驗(yàn)機(jī)密封腔內(nèi)介質(zhì)溫度可測(cè)并可調(diào)，以模擬機(jī)械密封在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況；(5) 試驗(yàn)機(jī)密封腔內(nèi)介質(zhì)的壓力和密封環(huán)所受負(fù)載可調(diào)，以模擬機(jī)械密封在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況。如下圖22所示就是拓可公司用于靜密封的O形圈，由丁腈橡膠做成，利用其具有伸縮的性質(zhì)和表面的特殊處理，裝在密封環(huán)上以達(dá)到對(duì)密封環(huán)和軸蓋之間的間隙進(jìn)行密封的作用。該試驗(yàn)機(jī)具有如下的性能指標(biāo)，其中部分指標(biāo)按照具體公司的工況設(shè)定: (1) 滿足至少10套機(jī)械密封構(gòu)件同時(shí)檢測(cè)的要求；(2) 單臺(tái)設(shè)備滿足靜壓和動(dòng)壓兩種試驗(yàn)的要求；(3) 檢測(cè)過(guò)程中模擬實(shí)際工況對(duì)密封構(gòu)件施加變化載荷：50㎏500㎏；(4) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速:500r/min900r/min；(5) 密封端面泄漏量可測(cè)；(6) 密封面溫度、油液壓力及溫度可測(cè)； 研究對(duì)象很多公司生產(chǎn)的產(chǎn)品中對(duì)密封要求較高的就是由密封環(huán)與輔助密封環(huán)構(gòu)成的密封部分。第二章 研究?jī)?nèi)容及研究對(duì)象 研究?jī)?nèi)容在我國(guó)，機(jī)械密封試驗(yàn)設(shè)備基本還只是存在于某些大型機(jī)械密封生產(chǎn)企業(yè)，以及部分高校和研究所，市場(chǎng)上還找不到滿足試驗(yàn)需要的機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)?？梢灶A(yù)計(jì)，屆時(shí)的中國(guó)密封工業(yè)體系將不再是一個(gè)高能耗、低效率、結(jié)構(gòu)龐雜的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)式的經(jīng)營(yíng)模式，而將是一個(gè)具有高度集約化、規(guī)?；?、低能耗、高效率的經(jīng)營(yíng)體制。由此可見(jiàn)，機(jī)械密封的市場(chǎng)需求量很大。 機(jī)械密封的發(fā)展前景目前機(jī)械密封的使用范圍非常廣，包括石油煉油、石油化工、精細(xì)化工、冶金、火電站、印染、海運(yùn)、造紙等行業(yè)，甚至在航空航天領(lǐng)域，機(jī)械密封也起著極為重要的作用。胡小云等第一次利用信息論的理論，將機(jī)械密封端面信息分為靜態(tài)信息(主要是機(jī)械密封端面摩擦副材料信息、機(jī)械密封端面幾何信息)和動(dòng)態(tài)信息(溫度信息、摩擦狀態(tài)信息、扭矩信息)，并通過(guò)在靜環(huán)上安裝電偶式溫度傳感器和扭矩傳感器，獲取在不同的工作狀態(tài)下的端面信息，并分析它們對(duì)機(jī)械密封性能和使用壽命的影響。比如意大利某公司利用微處理器設(shè)計(jì)了一臺(tái)多功能機(jī)械密封試驗(yàn)設(shè)備SEALsafe，該設(shè)備支持實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)機(jī)械密封腔內(nèi)溫度和壓力，定時(shí)測(cè)量密封端面的泄漏量，并且可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)械密封轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等，從而保持其良好的工作狀態(tài)[20]。許多著名學(xué)校也在一些大企業(yè)的資助下與企業(yè)合作開(kāi)展機(jī)械密封的研究，創(chuàng)造出許多成就，也具備一定的試驗(yàn)條件。制訂API682標(biāo)準(zhǔn)的目的是制訂一個(gè)用戶和制造廠通用的機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)，提供一套選擇方案最少的選擇方法，以達(dá)到降低庫(kù)存費(fèi)用、維修費(fèi)用和密封種類的目的。研究?jī)?nèi)容(4)通常用于研究和監(jiān)控實(shí)際工作中的機(jī)械密封設(shè)備的工作狀況以及實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助的故障檢測(cè)與診斷，研究振動(dòng)對(duì)機(jī)械密封性能的影響，可以為生產(chǎn)實(shí)際提供參考。因此對(duì)振動(dòng)的研究對(duì)提高機(jī)械密封性能和使用壽命是非常必要的。密封端面光滑度越高，端面泄漏越少，磨損越慢，功耗越低，因此端面摩擦特性對(duì)機(jī)械密封性能和使用壽命影響較大，一般要求密封端面粗糙度Ra=，對(duì)于不同的介質(zhì)，要求選擇合適的密封副材料組合[15]；(6)振動(dòng)。介質(zhì)溫度太高不僅會(huì)造成密封環(huán)的熱變形和損壞，而且會(huì)造成密封端面液膜的汽化，使得端面摩損加劇[14]；(3)介質(zhì)壓力。影響機(jī)械密封性能的主要因素有：(1)彈簧比壓。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，加速密封技術(shù)的發(fā)展，1980年以后陸續(xù)引進(jìn)英國(guó)CrqnePacking有限公司、美國(guó)Sealol公司的普通機(jī)械密封，西德Burgman公司熱流體動(dòng)力型機(jī)械密封，日本Eagle公司反應(yīng)燒結(jié)碳化硅密封環(huán)，通過(guò)攻關(guān)、消化引進(jìn)技術(shù)，使機(jī)械密封在品種、材料、技術(shù)參數(shù)等方面都提高到一個(gè)新的水平。1965年蘭州煉油廠、沈陽(yáng)水泵廠等單位首先試制泵用機(jī)械密封，1966年天津機(jī)械密封件廠開(kāi)始生產(chǎn)機(jī)械密封。1990年以后，機(jī)械密封psv值達(dá)到了5700MPa這一階段，發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ墙Y(jié)構(gòu)重組和密封新材料的出現(xiàn)。在這一階段，主要發(fā)展動(dòng)力是密封端面間不同潤(rùn)滑機(jī)理的出現(xiàn)和與之相適應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)的探索與開(kāi)發(fā)。在這一階段，機(jī)械密封發(fā)展的動(dòng)力主要是工業(yè)發(fā)展速度和生產(chǎn)過(guò)程的需求。19391945年由于石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，石墨、陶瓷、硬質(zhì)合金等材料在機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)制造中的應(yīng)用以及加工技術(shù)中表面粗糙度控制水平的提高，psv值達(dá)到了15MPa1930年以后，機(jī)械密封用于內(nèi)燃機(jī)水泵的軸封，首次出現(xiàn)的簡(jiǎn)單的端面機(jī)械密封，解決了機(jī)器制造業(yè)中轉(zhuǎn)軸密封問(wèn)題。使用表面較光滑的機(jī)械密封，并保證接觸面的平行，是減小該處泄漏的主要措施。（c） 動(dòng)環(huán)與靜環(huán)密封端面處泄漏點(diǎn)A，屬于動(dòng)密封。（b） 動(dòng)環(huán)與軸的輔助密封圈處泄漏B，和靜環(huán)與密封壓蓋的輔助密封圈處泄漏C，都屬于靜密封。機(jī)械密封工作時(shí)密封腔內(nèi)充滿一定壓力的介質(zhì)，電機(jī)或其他動(dòng)力裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸將運(yùn)動(dòng)傳遞給機(jī)