针对机械密封的理论研究

黄玉玺 邱成磊 李琛恒 吕桉

摘 要：阐述了机械密封的起源与发展，介绍了机械密封在每一个阶段发展的主要动力。讲述了50年来构造机械密封机理的粘滞力假说和表面张力假说。在表面张力假说的根基上，机械密封存在空化、汽化密封理论；在粘滞力假说的基础上，有边界润滑、混合润滑密封理论。在不停探究机械密封机理的同时，有效地利用密封机理设计造出了机械密封产品。目前，主流的机械密封应用技术主要有组合密封技术、表面改形技术和可控机械密封技术。表明了现有密封理论都存在着无法攻克的问题，指出了机械密封研究的動力和方向。研究和揭示机械密封有关规律的关键是提升机械密封端面参数测试的可靠性；可控机械密封实践仍存在诸多困难，其中包括最佳工况点的求取、控制参数的选择与测量、反馈执行机构的研制等；纳米材料的特殊性能有助于改善机械密封端面间润滑状态， 机械密封研究的近期目标将是开发纳米材料机械密封和应用纳米冲洗液。

关键词：机械密封；组合密封

1、机械密封的起源与发展

最早的机械密封是1885年在英国以专利形式出现的，1900年开始使用。第一次出现的简单的端面机械密封，解除了机器制造业中转轴密封问题。同惯用的填料密封相比，无论在功能上还是结构原理上，机械密封都有着明显的优越进性。然而，由于当时缺少合适的材料和加工机床，尽管这种密封结构有很多优秀的地方，但还是没有发挥其效果。直到1920年，由于新工艺和新材料的出现，继提高了使用可靠性和寿命，降低了制造成本之后，机械密封才逐渐在许多冷冻装置上得到诸多的使用。1930年以后，机械密封用于内燃机水泵的轴封，此时psv值达到了3.1MPa？m/s。在这一阶段，机械密封发展的主要动力是机械加工和材料方面的技术进步。第二次世界大战以后，机械密封在美国得到了快速普及。1939～1945年由于石油化学工业的发展，石墨、陶瓷、硬质合金等材料在机械密封动静环制造中的应用以及加工技术中表面粗糙度控制水平得到提升，psv值达到了15MPa？m/s；1956年在构造上出现了平衡型机械密封和中间环密封，psv值达到了30MPa？m/s，1959年达80MPa？m/s。在这一阶段，机械密封发展的主要动力是工业发展速度和生产过程的需要。1961～1963年由于原子能工业的需求，在结构上显示了流体动压密封和流体静压密封，使psv值迅速提高到167MPa？m/s，1969年达到266MPa？m/s。在这一阶段，主要发展动力是密封端面间不一样的润滑机理的出现和与之相适应的新型结构的探寻与开创。1971～1974年由于宇航和核电方面的特殊需求，在结构上呈现了多级密封，在材料上展现了碳化硅和优质的不同浸渍材料的碳石墨，使psv值达到了360MPa？m/s，1977年由于核电等特殊需求采用螺旋-机械密封组合的密封、改进的中间浮动环密封等、浮环-机械密封组合密封等，使最高psv值到了500MPa？m/s。这一阶段，结构重组和密封新材料的出现成为发展的主要动力。

1980-1990年随着人们对保护环境意识的提升，开发出了“零泄漏”机械密封。在流体动压密封原理的基本理论上，研发出了热流体动力楔机械密封和上游泵送机械密封。在保证密封性能和获得较长的使用寿命同时，人们利用自动控制理论，开发出可控机械密封。1990年以后，机械密封psv值达到了5700MPa？m/s。这一阶段，密封原理的发展和控制理论的支持是发现的主要动力。

2、机械密封的原理发展

对于机械密封而论，组成密封作用的假说基上分成两种，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A Brkich。A Brkich认为密封端面间稳定而可靠的结果主要是表面张力作用，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 ERajakovics应用试验阐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：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效果；粘滞是一种动力学的特性，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、机械密封的应用

在研究机械密封原理的一百多年中，人们成功的学以致用。在电力，核工业，石油等领域都有利用密封机理设计制造的产品。表面改形技术，组合密封技术，可控机械密封是目前主要的机械密封技术。

3.1组合密封技术

伴随着工业的迅速发展，人们已不满于单一的密封，对它的要求也变高。目前人们把不同密封组合，择其优，使它能发挥更好的作用。组合式机械密封分为接触式密封和接触式密封组合以及非接触式和接触式密封混合组合，并一直广泛应用。

3.2表面改形技术

为了改善端面间的润滑状况，从而在密闭断面上开出各式各样的槽，因而实现机械密封的长寿命运，这就是表面改性技术。根据开槽深度可以分为开深槽和开浅槽。开深槽机械密封又可分为热流体动压型机械密封以及流体静压型机械密封。液化石油气注射泵应用的就是流体静压机械密封技术，这一技术已在国内外广泛应用并开发了许多产品。

3.3可控机械密封技术

机械密封通过实现高参数设计制造与运行之后，人们展开了泄漏率和磨损同时控制的研究。表征机械密封性能的两个方面就是泄漏率和磨损。泄漏率高，密封端面间液膜厚，工作时端面磨损小，机械密封使用寿命更长久。反之，机械密封使用寿命就会变短。因此寻找机械密封最好工况点成为机械密封实现性能控制的关键。随着计算机、电子技术和密封理论的发展，可控机械密封技术将会应用在各种工业领域中。

4、机械密封的发展动向

总而言之，我们能够看出机械密封是在特定的历史条件产生及其发展应用。伴随着石油化工、宇航、材料科学及制造技术的快速发展，机械密封研究开发主要有两个方面，即机械密封的基础理论和实验研究进一步向纵深发展，以及机械密封应用技术研究备受人们关注。

为了揭开机械密封相关规律，提升机械密封端面参数测试的准确性与研究是关键。虽然可控机械密封研究已获得一定成果，但是许多年来工业应用几乎为零，这说明可控机械密封实践仍存在很大困难。纳米材料的特殊性能有利于改善机械密封端面间润滑效果，开发纳米材料机械密封和应用纳米冲洗液将会成为机械密封研究的近期目标。

5、结论

阐述了机械密封的起源与发展，介绍了机械密封在每一个阶段发展的主要动力。分析了我国机械密封技术的起源、发展及运用，同时提出的纳米技术对机械密封技术的发展有重要意义，为我国机械密封技术的发展做出一定贡献。

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