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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。
机械密封及干气密封基础知识问答30题术语定义：密封端面：密封环在工作时与另一个密封环相贴合的端面补偿环：被施加补偿作用的密封环非补偿环：未被施加补偿作用的密封环机械密封典型结构：机械密封定义是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。
弹簧非补偿环补偿环归类而言，机械密封结构分为端面密封副（动静环）、弹性元件、辅助密封、传动件、紧固件、防转件几部分，其依靠弹性构件与密封介质的压力，在旋转的动环与静环的接触面，产生适当的压紧力，使两个端面紧密贴合，密封端面之间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。
下图为正常状况下的密封端面。
1.何时使用带压密封？何时使用不带压密封？答：带压密封的特征是密封液压力高于工艺介质的压力，如果密封泄露，密封液会进入泵内，确保泵内介质不会泄漏到外界；而不带压密封的密封液压力等于或低于工艺介质压力，密封泄露时，泵内介质会进入密封液系统。
两种密封方式的选择，主要考虑是否允许工艺介质泄漏到外界。
2.何时应用非补偿环旋转方案？答：通常而言，我们习惯将密封环分为动环、静环，其中跟随轴一起旋转的密封环是动环，安装在静止部件的密封环是静环。
在大多数泵体上，动环属于补偿环，静环是非补偿环，而在压缩机上，动环是非补偿环，静环则是补偿环。
这样的布置方式是考虑到转速的影响，在高转速下，如果补偿环旋转，弹簧、驱动零件等部分将在离心力作用下被破坏。
当线速度在30m/s以上，采用非补偿环旋转方案。
3.机械密封液膜厚度对密封的影响？答：液膜过薄，会造成密封表面磨损，进而导致密封过早失效；液膜过厚，液体泄漏量明显。
4. 密封腔中含有气体，当轴高速运转时会出现什么现象？答：气体集中到轴周围，密封液在外层。
5. 机械密封的密封面，何时会出现凹面变形？何时出现凸面变形？对于密封有什么影响？答：受高压影响出现凹面变形，受高温影响出现凸面变形，将会导致密封不稳定。
操作手册本文件按EC directives“MACHINERY”（EN292-2）和德国标准VDI4500编制BURGMANN 机械密封（M.S.）干气密封PDGS2/108-ZT1-RPDGS2/108-ZT1-L本说明书供安装、操作和控制人员使用，在现场应随身携带。
请仔细阅读本手册并遵守以下各节中所述内容：安全贮存安装试运维护拆卸修理如有不详之处请随时与BURGMANN联系。
目录总安全说明特殊安全措施关于产品的资料制造厂和产地制造厂说明指定型号操作条件指定用途图表说明及功能要求空间，连接尺寸机械密封的供应废气排放气体量版权运输/贮存/安装运输包装和贮存组装准备推荐的设施和工具组装/安装提供的接头操作推荐的工艺介质试运说明安全操作说明故障处理指南服务建议预期寿命修改DGS在仓库中的保存运行中的DGS服务维护BURGMANN 干气密封的修理BURGMANN 的售后服务解体/拆卸备件询价和订单的要求细节BURGMANN机械密封的处理总安全说明参加组装、解体、试运、操作和维护BURGMANN机械密封的所有人员必须阅读和了解本说明手册，特别是安全注释。
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BURGMANN机械密封以高质量水准（ISO9001）制造，具有高的质量稳定性。
然而，如果不在其指定用途下操作或由未经训练的人员进行非专业的处理，则可能产生故障。
作为其安全程序的一部分，要求用户检查因机械密封的失效可能对环境产生的影响，以及进一步采取何种安全措施以防止人员伤亡。
任何影响机械密封操作安全的操作模式都是不允许的。
BURGMANN机械密封必须由授权的、训练有素的、经过指导的人员进行操作、维护和修理。
仅在机械密封停运和无压力时方可对其进行修理。
必须明确相关工作的责任，以防止安全观点上的责任不清。
除本手册给出的说明以外，还必须遵守工人的防护和事故预防规定。
未经授权对机械密封进行修改和更换是不允许的，因其影响机械密封的运行寿命。
机泵维修钳工中级工工种理论知识试题判断题1.相互配合的孔和轴，其配合代号用分数形式：分子为孔的公差带代号，分母为轴的公差带代号。
（√）2.符号“”正确答案：3.灰口铸铁若在第二阶段石墨化过程中仅部分进行，则获得的组织是马氏体加铁素体的基体组织上分布片状石墨。
（×）正确答案：灰口铸铁若在第二阶段石墨化过程中仅部分进行，则获得的组织是珠光体加铁素体的基体组织上分布片状石墨。
4.灰口铸铁的过冷倾向较大，易产生白口现象，而且铸件也容易产生缩松等缺陷。
（×）正确答案：球墨铸铁的过冷倾向较大，易产生白口现象，而且铸件也容易产生缩松等缺陷。
5.碳素结构钢牌号中表示脱氧方法的符号是A、B、C、D。
（×）正确答案：碳素结构钢牌号中表示脱氧方法的符号是F、b、Z、TZ。
6.变形铝合金2Al1是以铜为主要合金元素的变形铝合金。
（√）7.高速工具钢的牌号表示方法类似合金工具钢，在牌号中必须标出含碳量的多少。
（×）正确答案：高速工具钢的牌号表示方法类似合金工具钢，在排号中无论含碳量多少，都不予标出。
8.制作扁铲的工具钢含碳量越大越好，必须在1.2%以上。
（×）正确答案：制作扁铲的工具钢含碳量不是越大越好，一般平均含碳量为0.7%~0.8%。
9．渗碳可提高钢件的表面弹性。
（×）正确答案：渗碳可提高钢件的表面硬度。
10.用锤子敲打材料的适当部位使之局部伸长和展开，来达到矫正复杂变性目的的矫正方法叫伸张法。
（×）正确答案：用锤子敲打材料的适当部位使之局部伸长和展开，来达到矫正复杂变性目的的矫正方法叫延展法。
11．工件弯曲的方法有冷弯和热弯两种。
（√）12.研磨狭长平面或有台阶的平面，应采用直线运动轨迹。
（√）13．角向磨光机使用切割片切割工件时，需要保持切割角度，对切割片不要施加径向压力。
（×）正确答案：角向磨光机使用切割片切割工件时，需要保持切割角度，对切割片不要施加侧向压力。
DOI: 10.16078/j.tribology.2017.02.001密封环挠性安装形式对干气密封动态追随性的影响
陈 源1, 彭旭东1,2*, 江锦波1, 孟祥铠1,2, 李纪云1,2(1. 浙江工业大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310032;2. 浙江工业大学 过程装备及其再制造教育部工程研究中心, 浙江 杭州 310032)
摘 要: 基于气体润滑理论, 并通过小扰动法建立了螺旋槽干气密封微扰膜压控制方程, 在高速高压条件下获得了气膜动态特性系数; 基于动力学相关知识, 在考虑转轴轴向振动的情况下, 利用气膜轴向动态刚度和阻尼系数分别求解了静环挠性安装、动环挠性安装和两环均挠性安装的干气密封挠性环运动方程. 在不同轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼下分别研究了三种典型结构干气密封动态追随性并进行了对比分析.结果表明：当轴向激励频率较高或挠性环质量较大时, 静环挠性安装干气密封在刚受到外界激励时膜厚突变相对严重, 动态追随性较差; 在轴向激励频率较低且挠性环质量较小时, 静环挠性安装干气密封相比动环挠性安装干气密封表现出更好的动态追随性; 在三种密封环挠性安装形式中, 两环均挠性安装干气密封动态追随性最好, 且具有绝对优势.关键词: 高速高压; 干气密封; 密封环挠性安装形式; 动态特性中图分类号: TB42文献标志码: A文章编号: 1004-0595(2017)02–0139–09
The Influence of Flexibly Mounted Ways of Seal Rings onDynamic Tracking of Dry Gas Seal
CHEN Yuan1, PENG Xudong1,2*, JIANG Jinbo1, MENG Xiangkai1,2, LI Jiyun1,2(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou 310032, China2. The MOE Engineering Research Center of Process Equipment and Its Remanufacture, Zhejiang University ofTechnology, Zhejiang Hangzhou 310032, China)Abstract: The perturbation film pressure governing equations of spiral groove dry gas seal are presented by perturbationmethod based on gas lubrication theories, and the dynamic force coefficients of gas film are got in the condition of high-speed and high-pressure. The motion equations of flexibly mounted rings of the flexibly mounted stator, the flexiblymounted rotor, the flexibly mounted stator and rotor dry gas seals are solved by using the dynamic stiffness and dampingof gas film when the axial vibration is taken into consideration. The dynamic tracking property of the three typicalconfigurations is analyzed under the different excitation amplitude, excitation frequency, flexibly mounted ring’s mass,spring stiffness and auxiliary seal damping. The results show that the higher excitation frequency or the larger flexibly
第 37 卷 第 2 期摩 擦 学 学 报Vol 37 No 22017 年 3 月TribologyMar, 2017
Received 10 October 2016, revised 26 November 2016, accepted 8 December 2016, available online 28 March 2017.*Corresponding author. E-mail: xdpeng@126.com, Tel: +86-13805766526.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51575490)，the National Key Basic ResearchProgram of China (973) (2014CB046404)，the Natural Science Key Foundation of Zhejiang Province, China (LZ15E050002) and theNatural Science Youth Foundation of Zhejiang Province, China (LQ17E050008).国家基金面上项目(51575490)、国家重点基础研究发展规划项目(973)(2014CB046404)、浙江省自然科学基金重点项目(LZ15E050002)和浙江省自然科学基金青年基金(LQ17E050008)资助.mounted ring’s mass can lead to dramatic change of film thickness disturbance of the flexibly mounted stator dry gasseal which means that the dynamic tracking property is bad. When the excitation frequency is lower or the flexiblymounted ring’s mass is smaller, the dynamic tracking property of the flexibly mounted stator dry gas seal is better thanthe dry gas seal of which rotor is flexibly mounted. In the three typical configurations, the flexibly mounted stator androtor dry gas seal have the best dynamic tracking property under various conditions.Key words: high-speed and high-pressure; dry gas seal; flexibly mounted ways of seal rings; dynamic property
随着现代工业的快速发展，高参数干气密封(Drygas seal，缩写为DGS)的使用日益增多[1]. 为保证DGS能更好地适应发展需求，近年来，国内外学者在稳态条件下对高参数DGS开展了多方面的研究，包括型槽结构及其参数优化[2–5]、端面变形研究[6]、密封特性分析[7]，丰富了高参数DGS的设计理论. 但是，在高速条件下，转轴轴向振动加剧，受其影响，DGS的动力学性能将直接决定机组的运行可靠性和密封性，因此，研究高参数DGS动力学问题具有重要理论价值和实际意义. 目前，高参数DGS一般采用弹簧作为补偿环(即挠性环)的推力元件，无论挠性环是用作静环还是用作动环，将对高参数DGS动力学性能产生重要影响[8]，而有关研究鲜见报道.目前，较为典型的机械密封挠性环结构形式包括静环挠性安装(FMS)、动环挠性安装(FMR)和动静环均挠性安装(FMSR). 其中FMS是工程中应用最广泛的密封结构，在机械密封动力学研究领域中，关于FMS机械密封动态特性的研究也最为普遍. 早在20世纪80年代，Etsion等[9–12]就对非接触式FMS机械密封进行了动力学分析，推导并求解了挠性静环运动方程，研究了密封的稳定性以及静环的瞬态响应规律. 其后的几年中，Green等[13–14]又通过数值法求解了挠性安装环运动方程并系统分析了密封转速、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼等参数对FMS机械密封最小密封环间隙及静环章动的影响规律. 之后，Ruan[15]、Miller等[16]、Yelma等[17]、Zhang等[18]和Chen等[19]又陆续对FMS机械密封的动态追随性开展了系统研究.对另外两种挠性密封环结构机械密封的动力学规律开展研究，主要是Green等人. Green[21–23]建立了非接触式FMR机械密封挠性动环的运动方程，并通过一系列数学推导最终获得了FMR机械密封的失稳判据，同时还通过理论证实了在高速工况并考虑密封环不对中等情况下FMR机械密封比FMS机械密封动态稳定性更好. 随着航空航天技术和高速透平技术的发展，FMSR结构机械密封开始得到应用[24]. 20世纪90年代，Wileman和Green[24–26]首先开展了FMSR机械密封的动力学研究，建立并求解了挠性环运动方程，获得
了密封环的动态响应规律. 随后，Wileman[26]在以前的工作基础上又进一步研究了偏心FMSR机械密封的动态响应规律.虽然国际上关于三种典型挠性环结构机械密封的动力学研究已有不少，但是关于三种机械密封特别是涉及高参数DGS的动力学性能对比研究却鲜见报道. 因此，本文作者在考虑转轴轴向振动情况下，重点研究高速高压工况下轴向激励振幅、激励频率、挠性环质量、弹簧刚度和辅助密封圈阻尼对三种典型挠性环结构螺旋槽干气密封(S-DGS)动态追随性的影响并进行对比分析，以期为高参数DGS的动态优化设计提供理论依据.
1 计算模型1.1 物理模型图1分别为FMS、FMR和FMSR三种挠性环结构S-DGS的截面图. 图2为S-DGS的螺旋槽几何模型. 当动环高速旋转时，在螺旋槽的作用下密封端面间产生的气体动压将使密封端面打开并形成一层微米级厚度的气膜，在稳态条件下膜厚被视为稳定不变，但在实际运行中，由于动环的轴向振动，膜厚往往会发生变化，而膜厚变化过大将会造成密封因泄漏过大或端面碰磨而失效. 图3所示分别为FMS、FMR和FMSR三种结构S-DGS的运动学分析模型，在密封的动态追随性分析中，气膜被视为具有一定刚度和阻尼特性的弹簧-阻尼系统.1.2 数学模型假设S-DGS端面间为理想气体，且为层流流动，忽略离心力和惯性力的作用，不考虑端面变形的影响，则在柱坐标下的瞬态雷诺方程为1r2∂∂θ(ph312µ∂p∂θ)+1r∂∂r(rph312µ∂p∂r)=Ω2∂(ph)∂θ+∂(ph)
