机械密封的优化设计

王洪群，周国忠，虞培清

(浙江长城搅拌设备股份有限公司，浙江 温州 325019)

0 前言

1 机械密封的构成及工作原理

图1为釜用机械密封结构示意图，图中标明了主要构件或部位名称。图示的机械密封是集装式结构，通过安装法兰将机械密封安装到釜口，轴套通过其附带的紧定螺钉固定在旋转轴上。一对密封环也称为摩擦副在轴向互相接触和摩擦，加上其他辅助部件共同作用实现密封。其中位于上面的密封环为补偿环，可以在一定范围内浮动并在弹簧作用下保持与下面密封环的追随贴合。通过注液孔进入密封箱体的流体用于冷却和润滑两个密封环之间的摩擦面。传动销用来把随旋转轴转动的轴套的动力传递给浮动密封环。通常情况下，公认机械密封性能可靠，泄漏量小，使用寿命长，功耗低，毋需经常维修，已被广泛应用于石油、化工、冶金、机械、航空和原子能等工业中。

图1 机械密封结构示意图

从图1可以看出，上面的补偿环在弹簧作用下保持与下面密封环的追随贴合，并可以在一定范围内浮动是借助其与轴套之间的O形弹性密封圈和其他部件配合作用实现的。这些部件都是柱面配合，加上O形弹性密封圈对与其接触的两侧表面精度以及自身变形量的要求都很严格，这些因素导致了补偿环浮动范围受到限制，当旋转轴出现不大的跳动或摆动时，摩擦副的密封环之间不能保持良好的贴合密封，引起泄漏，而且该机械密封零部件制造难度大，成本高。

2 机械密封的优化设计

虽然机械密封技术相对成熟，因使用工况的不断变化总会出现新的问题，一般通过两个途径研究解决：其一是研究代表机械密封特征的摩擦端面相关项，诸如端面比压、摩擦副端面粗糙度、工作时端面上的相变以及粘度等物性随温度和压力变化等[8-10]，分析这些因素对机械密封性能的影响；其二是从结构及材料的优化来适应不同的工况或条件[5,12]。带弹性密封环的机械密封就是从结构入手，改进机械密封在轴跳动或摆动较大情况下的适用性。

图2是带弹性密封环的釜用机械密封的一种设计结构示意图，图3是带弹性密封环的釜用机械密封局部放大图，针对的是图2中左侧包含摩擦副的部位，用以说明补偿环的结构状态和工作情况。这种改进型机械密封在结构设计时就要明确密封两侧的压力方向，图示的情况是位于下部的釜内压力高于上部大气侧，釜内属于高压侧。摩擦副中可以浮动的密封环即补偿环位于下部，借助置于其外侧的弹性密封环及其上部低压侧的弹性密封环靠件以及顶在补偿环下部端面的弹簧实现密封浮动支撑的。弹性密封环的上侧是平面，紧靠弹性密封环靠件，弹性密封环的下侧内外圆均设计成楔形，内圆表面与补偿环的外圆表面密封连接，外圆表面与密封箱体的柱筒内圆表面密封连接，密封环靠件通过外圆安装定位在密封箱体的柱筒内圆表面，内圆与补偿环外圆之间保留的间隙根据补偿环设计的浮动幅度以及弹性密封环在该处的抗压能力确定。若干均布的弹簧由法兰上对应补偿环的位置设计的盲孔定位。

图2 带弹性密封环的机械密封结构示意图

图3 带弹性密封环的机械密封局部放大图

摩擦副中与补偿环对应的非浮动的密封环位于上部，借助置于其内侧的弹性密封环及其上部低压侧的弹性密封环靠件实现密封固定支撑的。弹性密封环上侧是平面紧靠弹性密封环靠件，弹性密封环下侧内外圆均设计成楔形，外圆表面与非浮动的密封环内圆表面密封连接，内圆表面与轴套外圆表面密封连接，弹性密封环靠件通过内圆安装定位在轴套外圆表面。工作时非浮动的密封环和轴套一起随旋转轴运转，而补偿环是安装在不动的密封箱体上，弹簧的初始压力保证了补偿环和非浮动的密封环之间的摩擦端面的贴合，来自釜内高压侧的压力作用在补偿环外侧的弹性密封环和非浮动的密封环内侧的弹性密封环上，使得釜内高压侧与封液和大气测完全密封隔离，随着压力增高，弹性密封环内外圆的楔形设计使其密封能力自然提高，补偿环和非浮动密封环之间的摩擦端面贴合力也随之增高以适应更高压密封的要求。又由于补偿环外侧的弹性密封环靠件内圆与补偿环外圆之间根据工况设计保留了需要的间隙，加之弹性密封环的变形性能，使得补偿环具有良好的浮动能力以适应旋转轴运转时出现的跳动或摆动。

图4是对带弹性密封环的釜用机械密封所设计的双端面机械密封结构示意图。由于这种改进型机械密封首先要明确密封两侧的压力方向，也就是每个摩擦副的设计都要从这个基本要求出发。对于釜用双端面机械密封，图4的中部封液位置具有最高压力，相对而言，位于下部的釜内和上部的大气侧均属于低压侧。摩擦副中补偿环和置于其外侧的弹性密封环、非浮动的密封环和置于其内侧的弹性密封环，均应位于高压侧的中部，而弹性密封环靠件分别位于上部和下部低压侧，弹性密封环内外圆上设计有楔形的一侧朝向中部。

图4 带弹性密封环的双端面机械密封结构示意图

3 带弹性密封环的机械密封设计要点及性能分析

带弹性密封环的机械密封引入了弹性密封环取代原有机械密封摩擦副与轴套之间以及摩擦副与密封箱体之间的密封连接方式，并改变了补偿环的浮动机构。

3.1 浮动效果

带弹性密封环的机械密封由于引入了弹性密封环起到辅助密封的作用，副密封带来的诸多弊端不复存在，如图2所示，补偿环的窜动和倾斜自由度使得补偿环浮动能力大大提高，在搅拌轴运转时出现较大的跳动或摆动时仍可以保持摩擦副良好贴合密封。

3.2 整体尺寸

安装机械密封部位常常有轴向尺寸限制，带弹性密封环的机械密封由于引入了轴向小尺寸的弹性密封环作为辅助密封，使得现有机械密封上无法精简缩小的摩擦副及其附属结构部件减少或者变小，从而引起机械密封整体尺寸降低，既可以降低成本，同时给安装使用带来极大便利。

如图2或图3所示，带弹性密封环的机械密封的载荷系数总是大于1，即K>1，不利于密封环的磨损和寿命，建议在低压工况使用，比如P≤0.6 MPa。

设计带弹性密封环的机械密封的初衷是改善补偿环的浮动效果，以满足在旋转轴的跳动或摆动较大的情况下也可以保持良好密封。同时使零部件制造难度小成本降低，机械密封整体尺寸小方便安装也节省材料。由于这种设计载荷系数只能是大于1，所以在选用时应考虑密封压力和使用寿命是否符合要求。

4 结束语

按照图2所示结构设计轴径为50 mm带弹性密封环的单端面机械密封，在FST釜用机械密封试验台上运行试验，试验压力0.6 MPa，常温运行8 h。跟踪试验过程未发现明显泄漏，本试验仅仅定性地证明带弹性密封环的机械密封的可行性。带弹性密封环的机械密封是对传统机械密封结构的一种改进，旨在特殊工况下为设计者提供更多的选择方案。机械密封的很多知识来源于实践的积累，本文所述对机械密封的改进实用效果还有待于今后长期实践的考察。目前已对“带弹性密封环的单端面机械密封和双端面机械密封”产品申请了发明专利并获得授权(ZL201410079791.1)。更多有价值的数据会在今后的继续试验和使用过程中产生，从而便于企业设计选用，为科研和工业生产服务。

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