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低粘度介质机械密封副端面特性研究（报告）-液压气动与密封
编者按：2017年10月31日～11月2日，“PTC ASIA 2017 高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际展览中心举办。此次报告得到国际同业组织VDMA、国内外知名企业、业内专家和世界同仁的大力支持，我们深表荣幸并衷心感谢。
报告会现场观众踊跃参加、积极互动，让我们倍感欣慰，这一切都激励着我们继续努力，为流体传动与控制技术进步添砖加瓦，为世界流体动力产业发展贡献新的力量！
为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况，我们应大家诉求对专家的精彩报告进行编辑整理，陆续发表在2018年《液压气动与密封》杂志和微信平台上，供学习分享。 敬请关注！
PTC ASIA 2017高新技术展区现场技术报告 之六
低粘度介质机械密封副端面特性研究
——据哈尔滨工业大学教授姜继海报告整理

低粘度介质大家都清楚，水就是，煤油也是，那么机械密封是干什么的呢？可能大家用的不一定多，下面要分五个问题来给大家说，一个就是“课题研究背景与现状”，第二个“密封副端面特性的机理研究”，第三个“密封副端面特性的仿真研究”，然后第四个“密封副端面特性的试验研究”，还有一个是“结论与后续工作展望”。
课题研究背景与现状
我们为什么要在轴向柱塞泵轴尾处加入机械密封装置，以往大家一直都不用，最起码用的不多吧。这里最主要的是采用低粘度介质的液压泵，由于泵壳泄油有较大的阻力，并不像以往我们使用的液压泵其泄油直接回油箱。因此，在泵轴旋转工作时，壳体腔内的介质会沿着泵轴外圆周处渗出，从而产生泄漏。为防止介质泄漏至外部环境中，需要在轴尾处引入机械密封装置。
图1就是这么一个泵，机械密封在前面，红色那里就是机械密封的位置，剖视图看得更清楚一些。

图1 机械密封在泵中的应用
在机械密封的一侧有液体，另一侧是大气，这就是中间的机械密封的那个端面密封副，那么他俩是接触的，在这里的密封用密封圈行吗？不行，因为它压力高，我们这里设定的是1.6MPa頔怎么读。大家都清楚，以往我们使用液压泵的时候，它的卸油口是接回油箱的，泵壳内的压力可以看作是零，这里不行，这是有压力的，工作介质就试图从这泄漏出来飞越彩虹，那么这里就涉及到端面密封副了，右边用的是硬材料，左边是软材料，为了使它在静止状态能够进行密封，这里放置了一个波形弹簧，用波形弹簧的原因是它的体积小，如果是螺旋弹簧的话，它的体积大，泵本身的尺寸就不太大，所以我们不希望它的轴向尺寸太长。这里的工作介质是煤油，是低粘度介质，这是第一个难点。第二个难点是所研究的液压泵在系统的使用中，在泄回油口的后面还有一些其他元件，势必就抬高它的泄油压力，要在一定的压力下阻止低粘度工作介质的泄漏，所以采用机械密封。这就是我们研究的背景。
◆拟解决问题
我们拟解决的问题是机械密封的泄漏超标与转矩超差问题。泄漏量如果超标，密封副就有问题；这里密封副的摩擦对转距超标也占有转矩超差中的一定分量，所以也要对它进行研究。那么泄漏量要求多少？是3mL/h，那么摩擦转距是多少？是7.9N?m。“泄漏超标”与“转矩超差”实际存在耦合关系，如果这里不压的紧一点，那么泄漏就多，压得紧一点，转矩就超标混沌研习社，它俩是一对矛盾，它们都涉及端面的结构与摩擦特性，且与端面的应力变形、传热和液膜特性紧密相关。因此把它俩放在一起来研究可能更好一些。
◆课题意义
经统计，机泵护理和维修中，40%的工作量用在轴封故障的维修；特别在低粘度介质泵中，70%的维修费用于处理轴封故障；所以研究它还是很有意义的。和传统液压油相比，煤油动力粘度较小，润滑性较差，机械密封副往往处于边界摩擦甚至干摩擦的恶劣运转状态，作为抵挡整个柱塞泵腔内介质外泄的唯一装置，其端面运行状态关乎柱塞泵的可靠性与工作寿命。
◆国外产品和理论研究现状
机械密封的发明是1885年于英国，20世纪研究的重心是pv值的提升，而新型密封结构与密封环材料的研发使得机械密封的pv值提升速度迅猛（见图2）。步入21世纪后，对极端环境下机械密封的研究成为重点。就产品而言，德国博格曼（Burgmann）公司的机械密封产品质量高矮哨兵，型式广泛，产品的适用轴径在6～200mm之间，适用压力在1～8MPa间不等，适用线速度35m/s以下。英国约翰克兰（JohnCrane）公司以研发干气密封、橡胶波纹管密封和二次节流密封等新式密封为主，有可用于清水介质的泵用密封产品。理论研究方面。我们查了一下SCI索引当中的各个高校的研究（见图3），比如说美国的佐治亚理工学院是71篇、以色列理工学院53篇、普渡大学24篇文章都涉及这个问题，这说明对它的研究还是很重要的。那比如说乌克兰的苏梅州立大学建立了弹簧和O形圈对密封端面的力控制方程。美国普渡大学的研究研制出贴片面积只有5.12mm2的无线温度传感器岛田瑠那，以监测端面温度，它的摩擦面很小，要想测出温度的话，这个传感器必须很小。还有澳大利亚昆士兰大学，还对螺旋槽结构端面的压力分布与泄漏进行了仿真研究。继续进行研究深入的话九怨，那个槽不一定是平的，还有其他的面可以看看转起来时都有什么特点。这是国外的理论研究。还有其他的一些像韩国或日本的，都有一些研究。

图2 20世纪研究重心：pv值的提升

图3 国外各大学的相关研究
◆国内产品和理论研究现状
国内产品也有很多，比如说四川日机密封件公司、辽宁丹东克隆集团、上海天示机械零部件制造有限公司、宁波伏尔肯机械密封件制造公司等等。在理论研究方面，国内各高校也都有很多的研究（图4）。

图4 国内各大学的相关研究
◆课题关键技术
现有的国内外产品的轴向尺寸很大，一般大于40mm，且轴径应用尺寸也往往大于15mm，超过课题的技术要求，所以不能直接将已有型号的产品直接应用在低粘度介质的煤油泵中，需要按照标准自行设计其结构和组件材料，以满足要求。
再有低粘度介质的机械密封应用应着重对介质性能的影响，国外医疗用血泵，国内的水介质、还有核主泵当中的这些机械密封都着重分析介质属性，目前的文献当中，还没有看到机械密封性能与低粘度介质这种黏温关系的内容，所以我们要把这方面的工作做一下。
同时根据文献内容发现，国内外对密封端面的特性的研究是相对独立，多数是从单一特性的理论研究到仿真再到实验，而且忽略了各特性之间的耦合关系，那么我们这里要是按照预计的工作做起来可能更加接近实际环境。在仿真研究中，考虑到变工况下的变粘度效应、变摩擦系数的效应，并且应力变形、热变形与液膜特性进行了关联，就是稍微要复杂一些。
◆课题研究内容
研究应力变形特性、传热特性，还有液膜泄漏特性、摩擦磨损特性，这是我们要研究的内容。这里面就要加以区分，一个是机械密封结构关键尺寸设计和力学的关系，还有就是弹性力学建模推导得到的端面径向位移公式，再有就是基于有限元分析的端面径向位移计算。在传热特性方面我们要进行热力学建模，得到摩擦功率，对给热系数等关键参数的表达关系要给出来。利用CFD计算求解腔体流场，计算热边界条件，还有瞬态热结构求解热变形。那么液膜泄漏这一部分，我们要用流体力学来建模，得到不同间隙形式下的端面泄漏量的关系。还要基于Fluent的环形液膜建立与端面泄漏量计算。在摩擦磨损方面，我们是基于摩擦磨损试验机的端面材料摩擦学分析，然后基于原子力显微镜的端面微观磨损行为分析，看看煤油泵的转矩测量结果来验证理论分析是否正确。
那么在研究内容方面，我们要做的是应力变形特性、传热特性、液膜泄漏特性和摩擦磨损特性研究。在低粘度介质泵轴尾机械密封副端面特性研究中要进行理论建模，要进行仿真分析，在实验验证时我们要进行摩擦磨损试验，然后再结合起来做摩擦转矩特性，摩擦转矩特性是我们最后的实验，装在实体泵中做实验。
密封副端面特性的机理研究
◆受力分析
图5是密封副端面受力图，可以看出左右有个平衡比网管哥，一边是油，有压力，另一边是大气压花骨朵儿，那么它有一个平衡关系。这里的平衡比B什么意思呢？它就是表示了液体压力作用的有效面积A1与密封面名义接触面积Af之比。大家看左边有弹簧的比压，有流体的压差，外边有大气压力。右边有端面接触比压和油膜的压力，这样就有轴向力平衡方程，它是很容易建立起来。左边是闭合的，右边是开启的，我们要看它们之间的关系，给出一个关系式，就是按照这个方式来进行研究。给定初始条件，选择结构形式，确定主要尺寸，然后进行流态的判断、磨擦状态的判断、相态的判断，然后再经过一些关系式看看完成没有？图6是机械密封设计的主要参数，这里有好几个pv值，但是它们的定义不一样。
图5 密封副端面受力图
图6 机械密封设计主要参数
◆摩擦功率
有了这些关系，我们就对密封环按照薄壁壳体的模型来进行划分计算，要有一系列的公式来支撑它杨红俊。我们得出来薄壁壳体的受力状态、轴向应里的变化大小，然后再根据这一系列的关系，得到一个关于径向位移的四阶微分方程，求解最后得到了一个关系式。郝璐璐我们最主要目的是什么？是求它的摩擦功率，见图7。

图7 摩擦功率
◆对流给热系数
在热平衡工况下，循环介质从冲洗孔引入，在密封腔内和密封环发生热交换，将产生的摩擦与搅拌热量带走。循环介质与密封环产生热交换的能力由对流给热系数决定。还有其他的一些关系式，我就不一一细说。
◆端面温升
我们对端面温升也进行了一些计算。求解出动环环与静环的对流给热系数后，即可通过二者的几何尺寸与热力学参数求解导热量，并推算出温升表达式。PTFE是热的不良导体，同种材料配对下的温升远大于38CrMoAl；异种材料配对时温升随着导热系数增加而减小和田雅子吧小，M120D/SiC因导热性最好而温升最低。
◆典型端面间隙形状的液膜
典型端面间隙形状有平行型、收敛型、扩散型，按照不同的形状可以进行相关的计算，对于它们的磨损机理，犁沟效应等，我们都进行了研究。
密封副端面特性的仿真研究
◆密封副端面的f-G无因次摩擦特性
仿真分析当中，如果有公式会很方便金柳妍，但是这里有一些公式没有，我们就要拟合出一些方程来做，这里我们引入的一个f和G的关系式，这是一个无因次的摩擦特性关系式。当然混合摩擦的时候有摩擦系数，有接触摩擦系数，还有基础油膜厚度。我们对每一个系数都要有办法确定，比如说，接触磨擦系数通过摩擦学测试来确定，郭晶晶红外透视基础油膜厚度是控制参数，是我们给定的，是由煤油的粘度是黏温特性来确定的。
我们选取了一系列的配对材料，对配对材料得出一些关系式，即摩擦特性。这里还我们用恩式粘度计来测出低粘度介质随着温度变化的粘度，主要是想拟合出一个方程，通过一系列的些研究，发现只有一个Vogel方程比较合适，所以我们选定Vogel方程来进行拟合，有了这些关系式之后，我们就可以根据这些关系式建立起他们之间关系，这样我们才能进行仿真。这些问题都解决了，我们再做进一步的仿真研究。
◆密封副端面的应力变形特性
当然这里面有一些应力特性，我们也要给它进行分配节点、单元数，进行应力变形特性的研究。得出了相应的结论：随着端面径向尺寸的增加，应力逐渐变大，且增长速率不断变大，应力最大点位于端面的外径；由于动环上阶梯卡槽的存在，使得内径处的轴向厚度薄，因此内径处的轴向变形最大。与密封件整体的变形量不同，PTFE的端面变形量与其他两种材料差别不大，基本均在10-8m的数量级上。
◆密封副端面的传热特性
由仿真可知：静环冲洗可带来最佳的散热效果，获得最小的温升；对比正冲洗与逆冲洗的温升情况，发现二者的散热能力基本一致，其中相同冲洗流量下，正冲洗受流速的影响更大，逆冲洗受的影响较小。
随着端面径向尺寸的增加，温升值逐渐升高，在临近端面外径处达到最高；M120D/SiC与PTFE/YG15配对副的温升增长模式一致情迷夜中环，但M120D/SiC的速率更快；两组配对副的热变形大小向着软硬材料脱离的趋势变化盛讯达。
◆密封副端面的液膜泄漏特性
由仿真可知：液膜的端面流速随着径向尺寸增加而增大，且周向一致性好；液膜流体的流线方向与圆周方向接近平行，说明周向流速大，径向流速缓慢；液膜压力接近线性变化，曲线导数随着径向尺寸的增加而减小；随着分析平面远离旋转表面，其流速均值逐渐减小。
密封副端面特性的试验研究
这里有两部分实验，一个是摩擦转矩特性实验，一个是摩擦磨损试验。图8是摩擦磨损试验机，右侧这个图是主工作台的放大图，那么实验的时候有上试件和下试件，把两个试件放进去。图8的下方是试验机的参数。图9是试件的配对关系，这里我们最主要关注聚四氟乙烯，以往我们很少用它，但是这里我们考虑用它试验一下。那么基于在试验机上做的实验，找出他们一些关系式，比如摩擦系数鸟叔绅士，温升，还有摩擦系数的波动率，一组组地配对实验。这里的锰黄铜我们用的不多，因为用了之后发现不行，在摩擦磨损的时候，它应该是减重的，但是与锰黄铜配对的那个材料不是减重是增重，因为铜都转移到与之配对的试件上面去了，锰黄铜不是很合适，所以，我们就不用它了。

图8 摩擦磨损试验机

图9 配对试验
聚四氟乙烯的实验效果还是相当不错的，当然它有一个缺点：发热量比较大，因为它本身传热效率不高。为了能做好这个实验，大多时候我们用的是正交实验方法，否则做的实验的次数和数据太多，然后我们用原子显微镜来观察微观情况长毛狗电影，看看到底这个材料的性能如何，我们也进行了很多分析、测试，包括峰谷距有多少、材料的性能如何、划痕多深，这些都是我们所要关注的对象。时间关系我不多说了。
机械密封实际有很多种，弹簧式、内装式、静止式和平衡式、单级式。根据我们测试实验之后的结论，找出最好的配对，把它做成机械密封环装进泵里，对整泵进行实验，得到的一些有意义的结果。
我们最后得出结论，各组试验曲线的摩擦转矩值均低于8N?m，说明相较于原样机的机械密封副，我们通过研究分析设计的密封环一定程度改善了使用性能。
结论与后续工作展望
我们在这里进行了理论推导，然后进行了应力变形的计算，热力学的建模，然后建立了边界条件，还有对瞬态热结构、理论的推导，用Flunt进行泄漏流量的计算，宏观的摩擦特性试验，材料的微观磨损行为分析，还有无因次的摩擦特性，泵的转矩特性军星网，做这些的目的是什么？就是要把机械密封做好，这样低粘度介质液压泵可能就会进步一大块。那么实验样机我们已经做了，看着效果还不错，我们现在正在进行沟通一些其他的情况宋起波斯湾，看看是不是能做得更好，使它能够真正地使用上去。
我们这个报告是针对一件小事做的，仅仅是机械密封，但它确实是泵当中会用到的，也是我们在使用当中遇到的一种情况，因此也请大家关注这方面的研究，让我们对这个行业的发展做出一点贡献。
该文刊登于我刊2018年第3期
本刊编辑 张婷婷整理
广 告
四川日机密封件股份有限公司


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