針對低速工況氣體密封研究較少而實(shí)際生產(chǎn)中又迫切需要開發(fā)的現(xiàn)狀，該文將低速非接觸式機(jī)械密封分成低速液膜非接觸式和低速氣膜非接觸式兩大類進(jìn)行了討論。文中分別從研究現(xiàn)狀、端面結(jié)構(gòu)、工作原理等幾個(gè)方面對兩類密封進(jìn)行了對比分析，簡要給出了其各自適宜的應(yīng)用場合，以期使廣大從事機(jī)械密封的工作人員對這兩類密封有較全面的了解，并對設(shè)計(jì)和選型有一定的幫助。

引言

　　非接觸式機(jī)械密封指由于流體靜壓或動(dòng)壓作用，在密封端面間充滿一層完整的流體膜迫使密封端面彼此分離，而不存在硬性固相接觸的機(jī)械密封。非接觸式機(jī)械密封的密封原理及特點(diǎn)決定了此類密封多在高速時(shí)動(dòng)壓效果穩(wěn)定，在低速時(shí)由于動(dòng)壓不足，密封端面接觸概率增加，影響密封穩(wěn)定性。隨著社會(huì)的發(fā)展及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，使得在一些低速設(shè)備中需要達(dá)到比較好的密封效果，人們對低速(<500r/m)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的密封穩(wěn)定性要求提高，能將實(shí)現(xiàn)零泄漏、零逸出的非接觸式密封用于低速工況逐漸成為研究熱點(diǎn)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)發(fā)布本文旨在研究低速工況下非接觸式密封研究的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了低速液膜和低速氣膜非接觸式機(jī)械密封。以期對在低速時(shí)如何選擇非接觸式密封提供工程借鑒。

1、低速液膜非接觸式機(jī)械密封

　　液膜密封一般指全液膜潤滑非接觸式機(jī)械密封，可減少或消除被密封介質(zhì)的泄漏，同時(shí)可改善密封端面的潤滑狀況和操作穩(wěn)定性。低速液膜非接觸式機(jī)械密封包括深槽液膜低速和淺槽液膜低速非接觸式機(jī)械密封。

　　1.1、深槽液膜低速密封

　　端面開深槽是指在機(jī)械密封端面上開深度達(dá)到毫米量級的各種形式的槽，利用流體靜壓效應(yīng)和流體動(dòng)壓效應(yīng)改善密封面的潤滑狀況。其常見的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 深槽密封的端面結(jié)構(gòu)

　　對機(jī)械密封端面開深槽的研究始于1961 年，Mayer首先對端面具有徑向深槽的機(jī)械密封進(jìn)行了研究，此后許多學(xué)者針對開深槽機(jī)械密封的理論及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究， 證明了具有圓弧深槽非接觸式機(jī)械密封具有良好的密封性能。由于圓弧深槽能吸收液體，因而密封環(huán)邊緣得到良好冷卻，增加了端面靜壓力，使密封對動(dòng)壓波動(dòng)敏感性降低，有利于密封的穩(wěn)定工作；當(dāng)轉(zhuǎn)速較低、壓力較高時(shí)，深槽形密封較淺槽形密封有良好的密封性能。1986 年國內(nèi)學(xué)者關(guān)雅賢、李松虎等對圓弧深槽機(jī)械密封進(jìn)行了試驗(yàn)研究。自此，許多學(xué)者針對圓弧深槽進(jìn)行了深入的理論及實(shí)驗(yàn)研究， 證明了深槽密封特別是圓弧深槽密封具有良好的密封性能。但目前在國內(nèi)這種類型的機(jī)械密封設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力也十分有限， 許多高參數(shù)機(jī)械密封產(chǎn)品仍然需要從國外進(jìn)口。

　　深槽密封機(jī)理屬于彈流理論范疇， 一般用于液體密封。槽深一般為1~2mm 左右，當(dāng)密封處于靜止時(shí)，未開槽區(qū)域接觸以實(shí)現(xiàn)接觸密封；啟動(dòng)運(yùn)行后，由于力變形和熱變形的作用，使密封端面在周向形成波度，徑向形成錐度。沿周向的粘性流動(dòng)交替的經(jīng)歷收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)，徑向錐度利用流體靜壓效應(yīng)，產(chǎn)生附加的流體靜壓承載能力，使得開啟力增大。周向波度能夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，徑向錐度能夠產(chǎn)生流體靜壓效應(yīng)，從而顯著提高密封端面間的液膜承載能力、降低端面摩擦系數(shù)。由于深槽能吸附液體，使密封環(huán)外緣得到良好的冷卻，還具有排除雜質(zhì)的能力并且和轉(zhuǎn)向無關(guān)，因而端面開深槽的機(jī)械密封其性能較好， 彌補(bǔ)了普通淺槽非接觸式密封不能勝任的低速高壓、高溫及大尺寸場合，很適合用來密封低粘度、高參數(shù)的介質(zhì)。

　　1.2、淺槽液膜低速密封

　　淺槽液膜低速非接觸式機(jī)械密封主要指上游泵送式機(jī)械密封， 其中以中間開槽式上游泵送低速密封性能最優(yōu)。零逸出上游泵送機(jī)械密封可以有效地解決介質(zhì)易汽化的密封工況問題。

　　上游泵送密封也是一種淺槽密封用于密封液體時(shí)的非接觸式機(jī)械密封，其端面流體動(dòng)壓槽把由高壓側(cè)泄漏至低壓側(cè)的被密封液體重新反輸至高壓側(cè)，以消除密封介質(zhì)由高壓側(cè)向低壓側(cè)的泄漏。如圖2 所示，在內(nèi)外徑壓力差的作用下，高壓密封液體產(chǎn)生由外徑上游側(cè)指向內(nèi)徑下游側(cè)的壓差流Qp，而端面螺旋槽流體動(dòng)壓效應(yīng)所產(chǎn)生的粘性剪切流Qs由內(nèi)徑下游側(cè)指向外徑上游側(cè)，與壓差流Qp的方向相反，實(shí)現(xiàn)上游泵送功能。由于上游泵送密封為淺槽形密封， 其動(dòng)壓效應(yīng)亦與轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系， 在高速時(shí)易形成穩(wěn)定的氣膜動(dòng)壓來支撐兩端面的分離然而由于其槽位于內(nèi)徑處，一方面由于槽壩較寬，較易形成有效阻隔進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)壓；另一方面由于其位于低壓側(cè)， 往高壓側(cè)的泵送效應(yīng)使得動(dòng)壓效應(yīng)更易形成。從而使得上游泵送密封低速時(shí)仍具有較好的動(dòng)壓穩(wěn)定性， 相關(guān)實(shí)驗(yàn)也證明上游泵送密封用于中低速密封時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖2 上游泵送密封工作原理

2、低速氣膜非接觸式機(jī)械密封

　　氣膜密封是一種新型的、依靠微米級的氣體薄膜潤滑的非接觸式機(jī)械密封， 目前工程上廣泛稱之為干氣密封(dry gas seal)。干氣密封可分為動(dòng)壓型干氣密封和靜壓型干氣密封兩大類。

　　2.1、動(dòng)壓型干氣密封

　　動(dòng)壓型干氣密封的概念是20 世紀(jì)60 年代末在氣體潤滑軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 其中以螺旋槽密封最為典型，如圖3 所示。第一個(gè)干氣密封的專利1968年在英國出現(xiàn)，1976 年首次工業(yè)應(yīng)用，1983 年開始推廣應(yīng)用。由于受密封件主軸轉(zhuǎn)速的影響，動(dòng)壓型干氣密封主要應(yīng)用于高速場合， 隨著對干氣密封的理論研究不斷的深入，人們逐漸擴(kuò)大了干氣密封的應(yīng)用范圍。20 世紀(jì)90 年代，國外開始在中低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械如離心泵、攪拌釜中應(yīng)用干氣密封技術(shù)。在低速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，干氣密封的氣膜厚度相對來說較薄，由此引發(fā)了在氣體潤滑密封中的氣體稀薄效應(yīng)。自20 世紀(jì)50 年代Burgdorfer開始對氣體稀薄效應(yīng)研究以來，Hisa、Domoto、Gans、Fukui、Kaneko、Mitsuya等學(xué)者進(jìn)行了深入研究，在理論上取得了較大成果。

圖3 典型動(dòng)壓型干氣密封螺旋槽結(jié)構(gòu)

　　目前， 國內(nèi)外在低速干氣密封方面的研究相對較少，G.G.Pecht 和J.P.Netzel針對低速干氣密封中開啟困難和較大的軸向竄動(dòng)提出了解決的方法， 并做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證， 證明了干氣密封在低速旋轉(zhuǎn)機(jī)器中應(yīng)用的可行性。Ruan采用F-K 潤滑模型，針對螺旋槽氣體潤滑密封在低速工況下的性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明在低速(<500r/min)及低壓(<0.303MPa)的情況下，稀薄氣體效應(yīng)對密封的開啟速度、泄漏量、氣膜剛度及密封的操作特性都有一定的影響。在國內(nèi)，1994 年吳宗祥、郝木明等以最大剛漏比為準(zhǔn)則進(jìn)行槽型優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種適用于低速條件下的圓弧槽和直線槽密封環(huán)結(jié)構(gòu)。1998 年，胡丹梅[32]等采用實(shí)驗(yàn)的方法對低速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的直線槽密封進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化， 總結(jié)出了一些實(shí)現(xiàn)端面非接觸德定運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，并于2005 年開發(fā)出了一種適用于低速工況的直線槽氣體端面密封。張?jiān)懒帧�白少先等提出一種變深T 型槽干氣密封端面結(jié)構(gòu)， 較等深T 型槽在低速時(shí)具有更高氣膜承載能力和穩(wěn)定性；黃莉、彭旭東等對普通螺旋槽進(jìn)行了改進(jìn)，得到的雁形螺旋槽(GS-DGS)在低速場合具有較好的穩(wěn)定性。2005 年，趙越、宋鵬云等通過分析對比，得出在研究氣體密封低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需考慮滑移流的影響，并行了相關(guān)仿真研究。2006 年，尹曉妮、彭旭東應(yīng)用有限元法再次證明了在低速和低壓條件下， 密封的端面開啟力、氣膜剛度和泄漏量均受到滑移流的顯著影響。2011 年，丁雪興等通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)對比表明：在低速、低壓工況下，采用二階非線性滑移邊界條件下的氣膜剛度數(shù)值比一階線性滑移邊界條件下的氣膜剛度數(shù)值更接近試驗(yàn)數(shù)值。同時(shí)，最近的研究表明，對干氣密封低速運(yùn)轉(zhuǎn)密封性能影響較大的因素還有： 端面波度幅值、表面粗糙度、熱變形、端面錐度和靜態(tài)靜環(huán)角偏差。

　　2.2、靜壓型干氣密封

　　靜壓氣體潤滑機(jī)械密封是一種新型的非接觸機(jī)械密封，如圖4 所示，圖4a 為靜壓干氣密封結(jié)構(gòu)圖。圖4b為密封端面槽形圖。其主要結(jié)構(gòu)是在密封環(huán)上加工有提供氣體的通道， 由外部氣源或由內(nèi)部氣源提供流體靜壓力， 當(dāng)端面間氣體靜壓力形成的開啟力與彈性元件和介質(zhì)形成的閉合力相等時(shí)可以實(shí)現(xiàn)端面的非接觸。由此可見，這種機(jī)械密封性能與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大，同時(shí)還具有雙向旋轉(zhuǎn)能力，所以非常適用于低速、間斷運(yùn)行或需要雙向轉(zhuǎn)換運(yùn)行的機(jī)械。

圖4 靜壓干氣密封工作原理

　　靜壓型干氣密封的基礎(chǔ)理論主要來源于靜壓氣體潤滑軸承理論。根據(jù)靜壓氣體提供的方式，主要分為自加壓式靜壓氣體潤滑機(jī)械密封和外加壓式靜壓氣體潤滑機(jī)械密封。靜壓氣體潤滑軸承理論的起源要追溯到20 世紀(jì)80 年代，Tadashi Koga等在1984 年研究了外部氣源供氣流體靜壓非接觸式機(jī)械密封性能以及其在極限工況下的應(yīng)用， 并對端面的開啟力以及力的平衡做了詳細(xì)的分析計(jì)算。1990 年，劉墩等對當(dāng)時(shí)靜壓氣體潤滑技術(shù)作了較全面的歸納和總結(jié)。近十年來，氣體靜壓軸承的理論和技術(shù)不斷深入， 出現(xiàn)了大量關(guān)于氣體靜壓軸承的文獻(xiàn)， 其中關(guān)于氣體靜壓止推軸承的文獻(xiàn)對靜壓型干氣密封技術(shù)能提供直接的借鑒作用。1998 年T.A.Stolarski 等研究了表面粗糙度、端面變形對靜壓氣體潤滑機(jī)械密封性能的影響， 并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2000 年，日本學(xué)者Fujiwara S 和Fuse T根據(jù)實(shí)際的需要， 設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎而簡單的外加式靜壓氣體潤滑機(jī)械密封，進(jìn)一步提高了密封的效果和穩(wěn)定性，并成功應(yīng)用于低速攪拌反應(yīng)釜上。

　　靜壓型干氣密封的主要優(yōu)點(diǎn)有：①不要求兩端面間構(gòu)成收斂間隙和足夠的相對速度，其端面開啟力、泄漏率、氣膜剛度和氣膜厚度都與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。②極好的氣膜剛度。通過供氣裝置和節(jié)流裝置可以實(shí)際上使得氣膜剛度無限大。③很低的摩擦系數(shù)。對于大型設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在氣膜潤滑條件下啟動(dòng)。以消除靜摩擦力的影響，減小啟動(dòng)力矩。由以上敘述可知，靜壓型干氣密封不受密封機(jī)組主軸轉(zhuǎn)速的影響，能在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)載情況下剛度穩(wěn)定運(yùn)行。因此，像攪拌反應(yīng)釜這類低轉(zhuǎn)速的情況就可使用靜壓型干氣密封對其進(jìn)行密封。

3、磁流體密封

　　磁流體密封自20 世紀(jì)60 年代應(yīng)用于航天領(lǐng)域以來， 由于其新穎的密封技術(shù)逐漸在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。

圖5 磁流體密封的結(jié)構(gòu)原理圖

　　磁流體密封就是用永久磁鐵將磁流體固定在回轉(zhuǎn)軸的周圍， 由于回轉(zhuǎn)軸與周圍的固定件之間的空間很小，且該區(qū)的磁場強(qiáng)度也特別大，從而能承受較大的沿軸線方向的推力，達(dá)到密封的效果。如圖5 所示，當(dāng)在磁流體裝置中加人適量的磁流體， 磁流體就會(huì)充滿整個(gè)環(huán)形間隙，形成一系列“O 形密封圈”，從而達(dá)到密封效果。由磁流體的密封原理可知其對轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向不敏感，彌補(bǔ)了許多動(dòng)壓密封效果不理想的低速場合，但一般來說磁流體密封只適合于低壓場合， 當(dāng)壓力超過2MPa 時(shí)實(shí)現(xiàn)密封較困難。相信隨著各種新材料、新工藝的出現(xiàn)， 磁流體密封將會(huì)在更大范圍實(shí)現(xiàn)其特有的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)語

　　隨著工業(yè)化的發(fā)展及環(huán)保意識(shí)的提高， 性能優(yōu)良的非接觸式機(jī)械密封應(yīng)用于低速工況成為發(fā)展趨勢。

　　(1)對于低轉(zhuǎn)速、密封介質(zhì)為液體工況時(shí)，可采用深槽密封或上游泵送密封， 前者良好的吸附液體和冷卻的能力彌補(bǔ)了普通淺槽非接觸式密封不能勝任的低速高壓、高溫及大尺寸場合；后者的上游泵送效應(yīng)可以有效解決介質(zhì)易汽化的密封工況問題，實(shí)現(xiàn)零泄漏。

　　(2)對于低轉(zhuǎn)速、密封介質(zhì)為氣體工況時(shí)，改進(jìn)后的動(dòng)壓干氣密封(變深T 型槽、雁形螺旋槽等)已被證明在低速時(shí)較普通動(dòng)壓干氣密封槽具有更好的動(dòng)壓效果；靜壓干氣密封通過外部氣源實(shí)現(xiàn)非接觸式密封，對轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向無要求，在低速、低負(fù)載工況時(shí)性能最優(yōu)。

　　(3)磁流體密封由于其獨(dú)特的密封原理，對轉(zhuǎn)速不敏感，在低速、承載壓力不大(<2MPa)時(shí)選擇較合適。