特殊工况机械密封试验研究

李 香 刘 杰 李凤成 郑国运

(合肥通用机械研究院)

特殊工况机械密封试验研究

李 香 刘 杰 李凤成 郑国运

(合肥通用机械研究院)

对机械密封在机械油不足的工况下进行性能试验研究，对比分析机械密封摩擦副宽度和密封环端面槽型对密封性能的影响。试验结果表明：减小密封端面宽度和改变密封环端面开槽均可以有效降低密封腔温升；端面刻有圆弧深槽的密封能在短时间内满足机械油不足的工况，但不能长时间适用于此工况；端面刻有月牙深槽的密封既能满足正常工况运转要求，又能承受较长时间机械油不足的特殊工况。

机械密封 机械油不足 圆弧深槽 月牙深槽

机械密封作为各类泵、反应合成釜及透平压缩机等设备的关键部件，其性能优劣直接影响主机的性能和安全性。常见机械密封的摩擦副一般处于混合摩擦和液体摩擦状态[1]。对于某些特殊场合，由于使用环境和结构的限制，机械密封的摩擦副处于边界摩擦状态或者干摩擦状态，造成密封端面摩擦系数增大和磨损加剧的情况，导致密封环烧损或热应力开裂，从而使密封失效[2]。吴兆山等介绍了一种干摩擦机械密封的设计和计算方法，并进行了相应试验，试验结果表明该种机械密封的性能能够满足使用要求[3]。因此，通过结构合理设计和摩擦副选材，可以使机械密封长时间在摩擦副润滑工况较差的场合正常运转。笔者通过试验研究的方法，分析几种机械密封在机械油不足工况下的密封性能，优化机械密封结构和密封端面参数，研发出能在机械油不足工况下长时间运转的机械密封。

1 机械密封试验台及测试密封

1.1 机械密封试验台

机械密封试验台系统如图1所示，由试验台主体系统和试验控制系统组成。试验台主体系统主要包括交流电机、轴承箱、密封腔体及试验台架等硬件设施。控制系统主要由变频器，压力、温度、扭矩及转速等传感器和主控制柜组成。

1.2 被测机械密封

以轴径45mm的机械密封作为试验对象，机械密封摩擦副材料选用碳化硅对石墨，其结构如图2a所示，针对油量不足的工况，为了增强润滑效果，在靠近密封端面的动环座上增加了甩油环，如图2b所示。将被试机械密封装入试验台进行试验，试验主要测试的参数为密封腔温升和泄漏量。

2 试验研究

2.1 试验条件

试验主要模拟冲洗油中断，密封腔机械油不足且无循环冷却的极端工况，密封腔油位约在摩擦副密封环端面1/2处(图3)。

图3 密封腔油位示意图

试验参数如下：

试验介质 机械油

试验转速 3 000r/min

试验压力 常压

弹簧比压 0.2MPa

2.2 试验及结果分析

2.2.1 试验1

正常工况密封介质为机械油，润滑效果良好，按传统设计[4]，密封环宽度选用3.0mm，摩擦副外径54.5mm，内径48.5mm。密封介质不足会导致密封环润滑效果不足，且由于无循环冲洗，密封端面间摩擦热和密封搅拌热使得密封腔温度不断升高。传统的机械密封在这种工况下容易出现严重磨损或热裂等，会导致密封失效，而通过密封环端面开槽可有效改善端面的润滑状况。基于此，动环采用不开槽和开槽两种形式分别进行试验。型槽机械密封有深槽和浅槽(微米级)两种，浅槽多用于干气密封或上游泵送机械密封，密封端面间处于完全非接触状态，泄漏量较大，而且浅槽对密封液要求很高，如密封液含有固体颗粒，将会造成密封液在浅槽内的堵塞，引起密封失效[5～7]。因此，浅槽机械密封不适用于此工况，本试验选用密封端面刻有圆弧深槽的密封环，如图4所示，槽深1mm。

图4 圆弧深槽密封环

按照试验条件对两密封进行试验，分别运转1h，两密封均无渗漏或泄漏现象。图5表示两密封运行1h后的密封腔温升。从图中可以看出，不开槽密封的密封腔温升为29.0℃，端面开圆弧深槽密封的密封腔温升为27.5℃。试验证明，密封环端面开槽有助于降低密封腔温升。因密封腔温升较高，需进一步对该密封环进行优化。

图5 两种端面结构的密封环运行1h后的密封腔温升

2.2.2 试验2

维持圆弧深槽密封环外径不变，密封环内径变为49.0mm，改变弹簧压缩高度，使弹簧比压维持在0.2MPa，按照试验条件重新进行试验。图6表示不同内径运转1h后的密封腔温升。从图中可以看出，密封腔温升为22.5℃。此时，密封腔温升比密封环内径为48.5mm时，降低了5℃。试验表明，减小密封端面宽度可有效降低密封腔温升。保持试验参数不变继续进行试验，运转7h后密封有渗漏，表明深槽圆弧槽密封能在短时间内满足机械油不足的工况，但不能长时间适用于此工况。

图6 两种内径的密封环运行1h后的密封腔温升

2.2.3 试验3

根据试验2结果，减小密封摩擦副宽度可有效降低密封腔温升，因此将不开槽密封的摩擦副宽度降为2mm，外径54.5mm，内径50.5mm，按试验条件进行试验。图7表示不同端面宽度密封运转1h后的密封腔温升。由图可知，摩擦副宽度2mm的密封腔温升为24℃，比原摩擦副宽度3mm的密封腔温度降低了5℃。保持试验参数不变，运转10h后密封出现泄漏。

图7 两种端面宽度的密封环运行1h后的密封腔温升

2.2.4 试验4

维持摩擦副宽度2mm，改变密封环外径的型槽为月牙深槽，槽深1mm，如图8所示。按照试验条件进行试验，运转50h无泄漏，试验表明该密封能长时间满足润滑油不足的工况。

图8 月牙深槽密封环

降低密封腔内机械油的液位，使密封腔油位低于密封环配合端面，通过动环座上的甩油环甩油对密封进行润滑，运转10h无泄漏，拆开密封发现端面完好。重新将密封装在试验台上，密封腔内加满油，模拟油量充足的正常工况，进行运转试验，密封无泄漏情况。试验证明该月牙深槽密封既能满足正常工况运转要求，又能承受较长时间油量不足的特殊工况。

3 结论

3.1 以试验为手段，研究机械密封在机械油不足的特殊工况下的密封性能，试验表明，通过减小密封端面宽度和改变密封环端面开槽均可有效降低密封腔温升；在机械密封结构合理的情况下，深槽圆弧槽密封能短时间满足机械油不足的工况，但不能长时间适用于此工况，月牙深槽密封既能满足正常工况运转要求，又能承受较长时间机械油不足的特殊工况。

3.2 本试验研究过程，可为类似工况机械密封设计方向提供一种优化方法和方向。笔者只从试验方面对机械密封极端工况进行了研究，建议下一步从理论方面进行更深入的机理研究。

[1] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2001：13～30.

[2] Lebeck A O.Principles and Design of Mechanical Face Seals[M].USA：Wiley，1991.

[3] 吴兆山，姚黎明，谷传文，等.风机用接触式干运转机械密封研制[J].流体机械，2006，34(5)：18～20.

[4] 陈德才.机械密封设计制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1993：26.

[5] 王衍，孙见君，马晨波，等.深槽浅槽非接触式机械密封性能比较研究[J].液压与气动，2013，(2)：8～13.

[6] 郝木明，胡丹梅，杨惠霞.上游泵送机械密封的研究开发与应用[J].流体机械，2001，29(2)：13～16.

[7] 陈秀琴，朱维兵，王和顺.干气密封技术研究现状及发展趋势[J].液压与气动，2008，(2)：52～56.

ExperimentalStudyofMechanicalSealunderSpecialWorkingConditions

LI Xiang, LIU Jie, LI Feng-cheng, ZHENG Guo-yun
(HefeiGeneralMachineryResearchInstitute)

Performance test of mechanical seal under the condition of insufficient machine oil was implemented, including comparatively analyzing the influence of seal face width and groove parameters on the sealing performance. Test results show that, decreasing the seal face’s width and changing the groove of seal ring can effectively reduce the sealing cavity’s temperature rise; and the seal with deep arc groove can meet the oil shortage in a short time and that with deep crescent groove can meet both normal condition and the condition short of machine oil for long time.

mechanical seal, short of machine oil,deep arc groove, deep crescent groove

李香(1981-)，工程师，从事流体动密封研究，junelixiang@163.com。

TQ055

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0254-6094(2017)02-0153-04

2016-03-09，

2016-11-16)