高压旋转接头机械密封结构设计_何燕

螺旋槽机械密封密封性能及其结构优化设计

摘要：现代工业中，存在着许多大功率、高转速流体机械，传统的接触式机械密封难以满足如此苛刻的条件，虽然通过合理的设计结构、选择良好的材料以及辅助设备可以改善密封性能，但彻底解决密封端面的摩擦磨损与密封性能的矛盾较为困难。通过对端面加工微织构可以有效的在保证密封性的同时减小磨损，延长机械密封的寿命。

关键词：表面织构、螺旋槽、机械密封、摩擦学

对于旋转式机械设备来说，机械密封是不可或缺的组成部分，其功能主要解决旋转轴与壳体间的泄露问题。机械密封的基本组成主要包括：端面密封副、辅助密封、补偿机构和传动机构，依靠成对的动静环在密封介质的压力和其他辅助元件共同作用下，两环接触端面相互贴合从而实现密封的目的。本机械密封密封性能的研究因其工作稳定、泄露少、使用寿命长等优点，将被广泛应用于石油、化工、电力、冶金等行业。如果这项技术理论成熟，并且具有相应的实验成果支持，可以大幅度提高工件使用寿命，减少磨损，带来一定的社会经济效益[1]。

1.机械密封的研究

1.1织构化机械密封的研究

上个世纪60年代，约翰克兰公司率先研制出螺旋槽气膜密封并进行了试验研究。1900年前后，螺旋槽上游泵送机械密封也逐渐发展起来，并在工业中开始运用。与干气密封不同的是，上游泵送机械密封是将低压侧泄漏的介质通过螺旋槽反送回高压侧，从而实现零泄漏或零逸出。1994年国内的张俊玲等提出一种适用于高速旋转的环形-螺旋槽端面密封结构，并认为该种结构在高速旋转过程中既可以产生流体动压又具有泵汲作用。宋鹏云探讨了螺旋槽密封的解析求解方法并分析一般工况和螺旋槽几何结构参数对密封性能的影响。WANG等在二维研究基础上利用FLUENT软件对螺旋槽型进行了三维模型的数值模拟，采用FVM求解一般的n-s方程，优化了端面结构的几何参数，并指出在干气密封中螺旋角、槽深、槽堰宽度比、槽坝宽度比会对密封性能产生显著影响。李贵勇等考虑了密封端面径向锥度的影响，分析不同黏度下膜厚、 端面径向锥度对密封特性参数的影响规律，得出径向锥度越大, 径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小。Yuan Chen等对气膜动态特性进行了理论研究和实验研究，得出了槽径处压力高于内径、外径压力。张鹏高等将内、外螺旋槽型在不同液膜厚度和不同转速条件下的液膜特性作比较，结果显示液膜厚度和转速的增大都将会加大泄漏量，在相同条件下外螺旋槽表现出的密封性能更优。Q Wang等提出一种周向发散具有不同深度螺旋槽的上游泵送机械密封，可以产生更大的开口力，提高泵送性能和流体膜刚度。在实际工况中密封端面往往会出现各种微扰动，周建峰团队建立了非稳态条件下微螺旋槽端面密封的数学模型，通过对时变雷诺方程进行数值求解，理论分析得出液膜厚度对泄漏量和承载力的变化有很大的影响，且液膜承载力和泄漏率的变化频率和幅度主要受轴向扰动的频率和幅度的影响。总的来说，干气密封和上游泵送机械密封都是利用密封环的相对旋转将密封介质泵入槽内，在沟槽根部产生开口力，以减少密封面的磨损，延长密封面的使用寿命。但是由于所产生的开口力，密封环的间隙增大，从而导致泄漏率的增加。

机械密封的结构及组成部分

好嘞，咱们今天聊聊机械密封。说到机械密封，可能很多人会觉得这玩意儿离我们挺远的，其实不然。它就像我们日常生活中的小帮手，默默无闻，却是工业界的小英雄。想想看，水泵、压缩机、发动机，哪个没用上它？机械密封就像是那些守护者，负责把液体和气体牢牢地“锁”在里面，不让它们跑出来。这么一想，是不是有点意思？

先说说它的结构。机械密封主要由几个部分组成，像个拼图一样，缺一不可。首先是密封面，这是最核心的部分。想象一下，两块小镜子面对面，有没有那种想让它们永远贴合的感觉？密封面就要做到这一点，它们需要在高压、高温的环境下，依然能够紧紧相依，真是让人感叹科技的神奇。然后是弹簧，嘿，这可是机械密封的调皮捣蛋鬼，负责给密封面施加压力。没有了弹簧，这两块“镜子”可就无法紧贴在一起，空气和液体随时有可能溜走。

除了这些，密封圈也是相当重要的角色。想象一下，一条紧紧包住的橡皮筋，它的任务就是不让液体跑掉，简单直接。不过，密封圈的材料可不是普通的橡胶，它得能耐高温、耐腐蚀，简直是个“铁打的战士”。在机械密封的世界里，材料的选择可是门大学问，得考虑到很多因素，比如说工作环境、流体性质、温度等等，真是一道难题。

再来聊聊安装。哎，机械密封的安装可不是随便来个拧就好。它需要精准无误，像是做一道精细的菜肴，哪一步出错了，后果可就不堪设想。安装的时候，得确保各个部件都能完美契合，稍微有个小差错，密封性能就会大打折扣。你想想，辛辛苦苦装好之后，发现漏水，那心情就像是晴天霹雳，瞬间变得乌云密布。

说到维护，机械密封也得定期“体检”。就像我们得去医院检查一样，它们也需要定期检查工作状态。看看密封面有没有磨损，弹簧的弹力还够不够，密封圈的状态如何。

可别小看这点工作，很多时候，及时的维护可以避免更大的损失。就像老话说的，“小洞不补，大洞吃苦”，这话真是一点不假。

机械密封也有它的“脾气”。有些流体比较粘稠，像蜂蜜一样，那就对密封性能提出了更高的要求。温度一高，密封性能也会受到影响，像是夏天出门不带伞，结果大雨倾盆。还有一些化学物质，可能会对密封材料造成腐蚀，真是让人心累。不过没关系，随着科技的发展，很多新材料和新技术也应运而生，给机械密封带来了新的生命。

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高压气体旋转密封结构设计应用

作者：商宏钟

来源：《航空兵器》2014年第02期

摘要：针对红外光电系统出现的由高压气体旋转密封导致的漏气问题，根据车氏密封原理对旋转密封结构进行改进设计，实现了在高速转动下高压气体的无油润滑旋转密封。经过一系列试验及应用证明，该结构在可靠性、环境适应性上均满足相关要求，满足实际应用需要。

关键词：红外光电系统；高压气体；旋转密封；无油润滑；车氏密封

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）02-0035-03

0、引言

某型红外光电探测器采用了汤焦式致冷器，其工作气体为15 MPa的氮气。由于探测器置于旋转平台上，因此必须通过旋转密封结构将高压气体从气源装置送至探测器。为了避免汤焦式致冷器的堵死，要求气源纯净，不能含油，不能有大于5 μm的杂质出现，因此该旋转密封结构不能使用润滑油，旋转磨损中不能有杂质进入气路。平台旋转速度最高可达180 rpm，寿命要求在80万转以上，结构能经受加压反复冲击3000次以上不漏气。为了避免影响控制回路，要求旋转摩擦力矩小于800 gf·em，产品应能在高低温（-45～70℃）和振动环境下正常工作，结构设计还应符合产品小型化的要求，因此密封要求比较严格。

1、方案的选取

1.1 前期方案选型

在产品研制初期，采用了锥面密封的导气环结构，通过后端面加压使导气环与旋转轴的锥面紧密接触实现密封，该结构简洁且在常温下工作良好，但在低温环境下由于材料冷缩导致压力出现波动，在冲击加气试验中出现偶发的大流量漏气现象，不能保证产品的可靠性。

随后试验了双O型圈柱面密封和格莱圈（O型圈加PTFE挡圈）密封两种结构，试验证明其密封性能尤其是在低温下的动密封不能经受长时运动的考验，而且摩擦力较大，不能满足系统要求。

液压气动与密封／２ｏ０８年第３期　

一种新型高压、高速旋转接头结构的研究及分析　

唐建光　樊桂萍　

（韶关液压件厂有限公司，广东韶关５１２０２７）　

摘要：本文介绍一种新型高压、高速旋转接头结构的设计及分析，重点介绍了其结构设计的原理、相关计算公式、关键零件的材料处　

理等。为从事高压、高速旋转接头研究和应用者提供参考。　

关键词：高压、高速旋转接头；间隙密封；静压控制；液压伺服控制技术；纳米碳化硅；纳米石墨　

中图分类号：ＴＨ１３７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—０８１３（２００８）０２—００５０—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗ　Ｈｉ　一Ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　Ｈｉ　一Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｏｔａｔｉｎｇ　Ｕｎｉｏｎｓ　

ＴＡＮＧ　ｆｌａｎ－ｇｕａｎｇ　

（Ｓｈａｏｇｕａｎ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，　ＦＡＮＧ　Ｇｕｉ－ｐｉｎｇ　

Ｓｈａｏｇｕａｎ　５　１　２０２７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ—Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｏｔａｔｉｎｇ　Ｕｎｉｏｎｓ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　

ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ’Ｓ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｉｖｏｔａｌ　ｐａｒｔ　ｅｔｃ．　Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｈｅｌｐ　ｆｏｒ　ｐｅｏｐｌｅ　ｗｈｏ　ｅｎｇａｇｅｄ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　

ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ—Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｏｔａｔｉｎｇ　Ｕｎｉｏｎｓ．　

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ—Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｕｎｉｏｎｓ；ｇａｐ　ｓｅａｌ；ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ　ｒｅｌｉｅｒｅｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ；ａｌｉｇｎｍｅｎｔ