接触式机械密封基本性能研究进展_於秋萍
机械密封技术的研究与应用
机械密封技术的研究与应用1. 前言机械密封技术是一门涉及密封件，动力传输和密封效果等诸多因素的复杂学科。
其研究与应用对于现代工业的发展有着重要的意义。
本文将探讨机械密封技术的研究进展以及在各个领域中的应用。
2. 机械密封技术的研究与发展机械密封技术作为一种传统且重要的密封方式，近几十年来得到了广泛的研究和发展。
通过对材料学，热力学和流体力学等知识的深入研究，科学家们不断改进机械密封的设计和制造工艺。
例如，引入了新型材料，如高强度聚合物和陶瓷，来提高密封件的耐腐蚀性和耐磨性。
此外，利用计算机模拟技术和数值分析方法，也为机械密封技术的研究提供了新的思路和手段。
3. 机械密封技术在轴封领域的应用轴封是机械密封技术的一个重要应用领域。
在各种旋转机械设备中，轴封的效果直接影响到设备的运行效率和寿命。
近年来，科学家们通过改进密封材料和结构设计，成功地提高了轴封的可靠性和密封效果。
例如，引入了双端面密封结构和气体静压密封技术，大大降低了泄漏率和摩擦热。
同时，利用纳米涂层技术也可以增强轴封的耐磨损性能，延长设备的使用寿命。
4. 机械密封技术在化工行业的应用化工行业是机械密封技术的重要应用领域之一。
由于化工设备在工作过程中常受到高温、高压和强腐蚀性介质的侵蚀，对机械密封的要求非常高。
近年来，科学家们通过引入新型材料和改进结构设计，成功地应用机械密封技术解决了化工设备的泄漏难题。
例如，采用金属波状弹簧和陶瓷材料，可以保证机械密封在高压环境下的可靠性。
此外，采用双金属密封结构，可以有效地应对温度变化引起的膨胀和收缩问题。
5. 机械密封技术在航空航天领域的应用机械密封技术在航空航天领域的应用也十分广泛。
在航天器的发射和运行过程中，润滑和密封是关键问题。
科学家们通过研究新型材料和改进结构设计，成功地开发了一系列高效的机械密封技术。
例如，利用气体静压密封技术，可以确保发射火箭的燃烧室和液氧箱之间的密封效果。
此外，引入陶瓷材料和纳米涂层技术，也可以提高航天器发动机等关键部件的密封性能和耐火性能。
应力松弛条件下O形圈的密封性能研究
应力松弛条件下O形圈的密封性能研究於秋萍; 孙见君; 马晨波【期刊名称】《《润滑与密封》》【年(卷),期】2019(044)011【总页数】6页(P17-22)【关键词】O形圈; 应力松弛; 密封性能; 接触压力; 泄漏率【作者】於秋萍; 孙见君; 马晨波【作者单位】南京林业大学机械电子工程学院江苏南京210037【正文语种】中文【中图分类】TH136由于结构紧凑、拆装方便、成本低廉，橡胶O形密封圈(简称O形圈)作为静密封被广泛应用于汽车、动力、机械及石油化工等过程工业领域。
然而，在工作过程中，O形圈由于长期处于压缩状态，会产生应力松弛现象，即O形圈上的载荷会随使用时间的增加而减小，导致其接触压力发生变化，可能造成O形圈与其配合面间的泄漏，影响装置的可靠性。
因此，掌握O形圈的应力松弛规律,研究其在应力松弛条件下的密封性能有着重要意义。
O形圈的应力松弛及载荷衰减与工作条件密切相关，一般通过实验获得。
王广振等[1]在试验基础上建立了一个能表示O形圈载荷衰减规律的模型。
贾恒涛和花荣[2]对O形圈进行压缩应力松弛试验，分析了几种条件下O形圈的衰减性能。
GILLEN等[3]将实验加速老化条件下与长期现场装置老化条件下的O形圈进行对比，通过预测平衡压缩形变和平衡密封力评估了一定条件下O形圈的寿命。
BERNSTEIN和GILLEN[4]利用烤箱加速老化和等温压缩应力松弛对氟O形圈在室温下的寿命进行了预测。
CLINTON和TURNER[5]对“挑战者”号固体火箭发动机的O形圈进行载荷衰减试验，指出当O形圈的压缩率在15%以上时，O形圈的寿命至少可以达到6个月。
BOWER[6]通过长期的O形圈压缩载荷衰减试验，得出压缩率越大，O形圈的载荷衰减越慢的结论。
ANJA等[7]通过试验发现，材料、尺寸、时间和温度对氢化丁腈橡胶O形圈和三元乙丙橡胶O形圈的异构老化有重要影响。
LIU等[8]通过试验得到三元乙丙橡胶O形圈在30 ℃的条件下可以工作46.4年的结论。
接触式机械密封基本性能及发展趋势分析
接触式机械密封基本性能及发展趋势分析摘要：随着科学技术的不断发展，我国机械制造业呈现出跨越式发展，接触式机械密封有着密封性强、端面摩擦低性特点，这对机械的寿命有很大提高，而且基本不会因泄漏带来不必要的损失。
通过进行接触式机械基本性能的研究，有利于延长整个机械密封使用寿命，并有效减少因为泄露而造成的各项损失。
关键词：接触式机械密封；端面摩擦；泄漏特性1.对端面摩擦特性研究进展1.1摩擦特性参数机械密封断面的摩擦问题是主要影响机械密封寿命的重要原因，而对端面摩擦具有直接影响作用的就是摩擦特性的参数。
因为我们可以通过对摩擦参数的观察和分析，以此来解机械密封摩擦的规律，并且针对此类来规律选择合适的解决办法。
由于端面摩擦的摩擦系数以及磨损率都是和施工现场情况有着很大的关系，所以，在端面摩擦与水、柴油等接触的时候，我们可以研究出不同的摩擦变化规律，而且可以根据摩擦系数可以根据不同的工况而改变的特性，以及利用混合摩擦、边界摩擦等等综合各种影响端面摩擦的因素，并以此为研究对象，通过研究可以发现接触式机械密封的端面磨损率主要与端面的接触特性以及端面的材料特性有关系，同时温度，速度等，都对端面摩擦有一定的影响。
1.2端面摩擦的表面形貌的影响由于机械密封是机体与转轴之间的密封装置，所以在一定程度上，机械密封的端面是不光滑的，所以需要两者之间的摩擦力来保证自身的密封性。
但是过多的微凸体会对端面造成很大的磨损程度。
所以，在保证密封性良好的情况下，合理的减少表面的微凸体，这样一来能够减少对端面的磨损，延长机械密封的使用寿命，另外也可以提高边界摩擦与抗磨损性能。
总之，我们需要根据不同的微凸体的形状为依据来判断哪一种微凸体能够有效的减少端面的磨损，并且具有提高性能和密封性的特点。
同时，还可以通过选择不同性质的涂料，改变端面摩擦力，提高机械密封的使用寿命。
1.3端面材料配对通过研究可以发现，接触式机械密封的磨损，主要和接触的材料以及微凸体的形状有关系。
3-1接触式机械密封技术
①平衡式和非平衡式 载荷系数K
H
3.2.2 机械密封的基本型式
①平衡式和非平衡式 载荷系数K
H
3.2.2 机械密封的基本型式
3）按结构型式分类：
②内置式和外置式 弹簧和动环安装在密封箱内与介质
接触的为内置式，弹簧和动环安装 在密封箱外不与介质接触的为外置 式。 内置式可利用密封箱内介质压力来 密封，元件均处于流体介质中，密 封端面的受力状态以及冷却和润滑 情况好，常用结构型式。 外置式大多数零件不与介质接触， 暴露在设备外，便于观察、安装及 维修。但介质压力与弹性元件的弹 力方向相反，当介质压力有波动， 而弹簧补偿量不大时，会导致密封 不稳定甚至严重泄漏。外置式仅用 于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以 及介质压力较低的场合。
H
3.2.2 机械密封的基本型式
3）按结构型式分类：
⑦接触式和非接触式
接触式机械密封是指密封面微凸体接触的机械密封。非接 触式机械密封是指密封面微凸体不接触的机械密封。
非接触式又可分为流体静压和流体动压两类。流体静压密 封系指利用外部引入的压力流体或被密封介质本身，通过 密封端面的压力降产生流体静压效应的机槭密封。流体动 压密封系指利用端面相对旋转自行产生流体动压效应的机 械密封，如螺旋槽端面机械密封。
状态为单级密封；处于二 种压力状态为双级密封。
前者与单端面密封相同， 后者二级密封串联布置， 介质压力依次递减，可用 于高压工况。如介质压力 很高，可以将多级密封串 联，成为多级机械密封。
H
3.2.2 机械密封的基本型式
3）按结构型式分类：
⑨波纹管机械密封
• 按所用材料不同：金属、聚四氟 乙烯和橡胶波纹管机械密封。
H
机械密封膜压测量方法综述
（ ）静 环端 面上 测 压孔 的存在 会 使开 孔 部位 ２ 的流 体 膜 流 场 发 生 改变 ，在 测 量 结 果 中 引 入 了误
差。
１ 现有机械密封端面膜压 测量方法 １ 引压管压力 引出法 ． １
普 通 压 力 传 感 器 体 积 较 大 ，无 法 直 接 测 得 端 面 膜 压 。测 量 时可 在 机 械 密 封 静 环端 面 适 当位 置 处 开 设 引压 孔 ，通 过 引压 管 将 端 面流 体 膜 压 力 引 至 压 力传感 器 。引压 管 的安 装方 式见 图１ 。
动环 ～
（ ）引压 管通 常 为硬质 材 料 ， 安装过 程 中会 ３ 使 静 环 内部 产 生 应 力 ，使 密 封 端 面 产 生 变 形 ，破 坏密封 的正常运 转 。
（ ）流 体 进 入 密 封 端 面 间 隙后 流 速 增 大 ， ４ 当 流速 增 大 到 一 定 程度 时会 使 引压 管 内 的压 力 降 低 ，因 此压 力 传 感 器 测得 的 端面 膜 压 会 比 实 际膜 压 略 小 。 该压 力 差 值 可 以用 流 体 力 学 的方 法 计 算 出来 进行 修正 。
西德 的Ｍａ ｅ较 早采 用 该种 方法 对接 触 式机械 ｙｒ 密封 端面 膜 压 进 行 了测 试 …。班 耀 涛 、宋 鹏 云 【 】 等 也 采用 该方 法 测 量 出 了接触 式 机 械 密 封 端 面 膜 压 。中 国石 油 大 学 （ 东 ）流体 动 密 封 实 验 室 亦 华 采 用 该 方法 测 量 出 了螺 旋 槽 流体 动 压 液 膜 密 封 的 端面 膜压 【。 ４ ｌ
非接触式机械密封动力学研究进展
multi-frequency excitation, collision mechanism of rotating and stationary rings, non-linear identification
method of dynamic parameters, intelligence, significant influence factors analysis and research on noncontact seals performance test under high parameter conditions should be taken more efforts in the future.
damping of the fluid film, the natural frequencies and mode shapes of the system were discussed. The
shortcomings of the existing dynamics studies was found as well. It is pointed out that coupling response of
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化
工
通过给动环施以速度阶跃激励，分析传动件
（套筒、弹簧）、动环、静环的位移响应，得到了端
面间隙和开启力在正常运行时的 0.1% 范围内变化
时系统各部件均具有良好追随性的结论。Varney
析式，指出随着转轴转速的增加，动静环轴向位移
和工程经验，使得非接触式机械密封在稳定工况下
获得了良好的寿命和较低的泄漏率；然而，在动力
接触式机械密封存在的问题
①被密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染。
密封原理:在被密封流体与外界存在压力差（一般是被密封流体压力高于外界压力）的前提下，通过维持一定的端面接触压力，来尽可能减小密封摩擦副端面之间的轴向间隙以降低被密封流体的泄漏。
可见，接触式机械密封难以实现被密封流体的零泄漏，更不可能实现其零逸出。
随着现代环保要求的不断提高，普通接触式机械密封的应用将受到越来越多的限制。
②密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短。
密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，积累的结果必然是密封的使用寿命有限。
一般地，普通接触式机械密封的使用寿命不超过一年，而对一些润滑性差的密封流体或含一定量固体颗粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至数天。
③密封上作状态不稳定，失效概率大增。
密封端面之间的摩擦温升对密封摩擦副的工作状态有很大的影响，有可能使端面液膜发生汽化（即相变，尤其对易汽化类介质如高温油泵、热水泵、轻煌泵等），由单相润滑变为汽液混相润滑，使密封摩擦副处于不稳定的工作状态，产生‘‘鸣叫"、"汽喷〃现象等，失效的概率大大增加。
④密封件产生热变形、热裂、热涨而失效。
密封端面之问的急剧温升还有可r能导致因温升过高使密封环产生较大的热变形，摩擦磨损严重，使密封材料的机械性能降低。
容易使密封环（主要指硬环）产牛热裂、辅助密封圈产生热涨、老化等而使密封.早期失效二机械密封失效记录中发现有相当比例是由于密封端面温升过高造成的。
⑤密封适应变工况能力差。
当流体机械处于变工况（变压力、变转速、频繁开停等）下，密封始终处于不稳定的运行状态一磨合状态，极易出现早期失效。
⑥改变介质性能，影响产品质量。
密封摩擦副端面之间直接的固体摩擦磨损，必然产生一定量的固体磨粒，对工艺产品造成不同程度的污染，直接影响产品质童及其市场竞争力。
因此，随着对产品尤其是深加工食品、生物医药制品、精细化工产品等质量要求的日益苛刻，普通接触式机械密封的使用范围将不同程度的受到影响。
一种剖分式机械密封及其剖分接触界面的密封方法[发明专利]
![一种剖分式机械密封及其剖分接触界面的密封方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4c0dee1b700abb68a982fbf2.png)
专利名称：一种剖分式机械密封及其剖分接触界面的密封方法专利类型：发明专利
发明人：孙见君,倪兴雅,马晨波,於秋萍,苏徐辰,蔄志鹏,王琳娜
申请号：CN202010600117.9
申请日：20200628
公开号：CN111677864A
公开日：
20200918
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本专利公开了一种在受热或承压状态下密封环剖分界面产生间隙时仍然具有良好密封能力的剖分式机械密封及其密封方法。
该剖分式机械密封包括剖分式动环、剖分式静环，所述的剖分式动环与剖分式静环通过密封端面贴合构成端面动密封，其特征在于：所述的剖分式动环与剖分式静环各有2片半环，每片半环拥有的2个剖分面处于同一平面内即圆心角为180°，动环和静环各自的一片半环的2个剖分面上分别附着一薄层高分子材料，各自的另一片半环的2个剖分面为光滑基体剖分面。
该密封方法是使得2片半环施加载荷，使得动环和静环剖分接触界面的空隙率小于逾渗阈值0.3116，轴向单边高分子溢出量小于0.223μm，径向单边高分子溢出量小于0.447μm。
申请人：南京林业大学
地址：210037 江苏省南京市龙蟠路159号
国籍：CN
代理机构：南京科阔知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：王清义
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3 泄漏特性研究进展
虽然接触式机械密封的寿命和密封可靠性由于 材料科学和制造技术的不断进步而大大提高，但在 工业应用中其失效仍很普遍［42］，不仅导致了物料流
失、能源浪费，还引起了燃烧、爆炸等。泄漏是失效
用合适的参数表征密封端面的摩擦特性，可 以掌握其摩擦磨损过程中的变化规律，对于改善 其摩擦性能、减少磨损有重要意义。主要的表征 参数有摩擦系（ 因） 数、工况参数、磨损率（ 量） 等。
Summer-Smith 在第一届国际流体密封会议上 提出用轴承特性系数表示机械密封的摩擦特性， 并探讨了机械密封摩擦副的摩擦系数、磨损率与 工况参数的关系［3］。Mayer 根据多年研究成果， 总结出不同材料的机械密封在水、柴油和 MobriOil-Arctic 油中的摩擦、磨损曲线以及密封端面温 度的计算方法，并认为可以按照摩擦系数将机械 密封端面的摩擦分为边界摩擦、混合摩擦、流体摩 擦等［4］，Lang 的观点与此相似，只是划分摩擦状 态的摩擦系数值与 Mayer 不同［5］。陈 国 桓 则 认 为，应该以工况参数 G 值来划分机械密封端面的 摩擦状态： G ＞ 1 × 10 － 6 为流体摩擦； 2 × 10 － 8 ＜ G ＜ 5 × 10 － 8 为边界摩擦； 5 × 10 － 8 ＜ G ＜ 1 × 10 － 6 为 混合摩擦［6］。Lebeak 在讨论了混合摩擦区平行 面承载的理论和试验问题后，作出了具有明显转 折点的 f － G 曲线［7］，并于几年之年推导出了几种 混合摩擦模型的工况参数与摩擦系数的关系 式［8］。顾永泉在分析 f － G 关系后，提出了可供机 械密封设计计算使用的临界工况参数的新概 念［9］，指出采用临界工况参数确定机械密封的其 它参数，有利于实现机械密封的低摩擦磨损运行。
YU Qiu-ping，SUN Jian-jun，TU Qiao-an，MA Chen-bo
（ Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）
Abstract： Study on basic properties of contacting mechanical seal，including frictional characteristics of end face and sealing characteristics （ target leakage rate） ，will help to prolong the service life of mechanical seal and reduce its loss causing by leakage． Ｒesearches on friction characteristic parameters，the influence of surface topography and its characterization，models of leakage channel and flow characteristics of fluid within seal interface were reviewed to sum up the deficiencies of them． At last，it was pointed out that research trends for basic properties of contacting mechanical seal include comprehensive investigation of its friction and sealing characteristics，optimization of model for leakage channel and establishment of fluid flow model for sealing interface． Key words： contacting mechanical seal； friction of end face； seal interfsace； leakage； flow of fluid
接触式机械密封结构如图 1 所示。
收稿日期： 2014 － 06 － 20 修稿日期： 2014 － 09 － 02 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51375245）
图 1 接触式机械密封结构
42
FLUID MACHINEＲY
Vol. 43，No． 2，2015
动环和 静 环 紧 密 接 触，形 成 主 密 封 （ 摩 擦 副） ，动环与轴套之间、静环与设备壳体之间依靠 O 形圈进行二次密封。其基本性能包括端面摩擦 特性（ 即抵御摩擦磨损的能力） 和密封特性（ 即泄 漏指标、泄漏特性） 。
早在 1971 年，Nayak 就提出可以用一些统计 参数，如高度、坡度、半径的变化来表征表面的随 机变化过程［21］。温诗铸在其《摩擦学原理》一书 中也介绍了常用于表征表面形貌的粗糙度参数， 如 Ｒa 、Ｒq 等［22］。然而，Majumdar 等指出，上述参 数的精度在很大程度上取决于测量仪器，且不能 准确地描述运转过程中接触端面之间的端面形貌 信息，因而提出了用分形几何来描述表面形貌的 方法［23］。基于分形理论，通过将分形维数与尺度 参数联系在一起，葛世荣提出了特征粗糙度的概
密封端面有许多形状各异的微凸体，其形貌 对端面的摩擦磨损有着非常重要的影响。表面形 貌是怎样影响端面的、如何正确表征粗糙表面的 内在规律是研究的重点。
Cogdell 等指出，在一定范围内降低表面粗糙 度可提高摩擦副的边界摩擦与磨损性能，但若表 面达到超光洁，摩擦副的边界摩擦与耐磨性能反 而会 下 降［15］。通 过 试 验，Shimomura 和 Hirabayashi 探讨了不同表面形貌参数下密封端面的磨 损量、摩擦系数及工况参数的变化情况，指出微凸 体的曲率半径对端面的摩擦磨损有重要影响，并 推导出了其表达式［16］。Zhou 等建立了磨损预测 的分形模型，得到了磨损量最小时的最优分形维 数，并指出该分形维数受接触面积、材料特性及尺 度大 小 的 影 响，提 出 了 磨 损 预 测 及 控 制 的 思 路［17］。Kleemann 及 Woydt 通过试验得出了这样 的结论： 在摩擦系数较稳定的条件下，改善端面配 对材 料 的 粗 糙 度，可 以 减 少 端 面 的 磨 损 率［18］。 Wizne 等也发现，可以利用涂料技术控制摩擦副 间凹痕的大小、形状，密度等，从而减少接触表面 间的 磨 损 量［19］。通 过 建 模，Fang Gui fang 等 发 现，密封端面存在一个最优分形维数，在该分形维 数下，密封面的弹性接触面积最大，可以有效地减 少端面的磨损［20］。
由于磨损率（ 量） 可以直观地表现端面的磨损 情况，顾永泉将其作为机械密封端面的性能参数之 一，并给出了计算公式［10］。Goilkar 及 Hirani 以磨
损率及摩擦力矩为参数，对碳 － 石墨机械密封端面 进行试验研究，得到了不同压力及平衡比对二者的 影响［11］。魏龙、房桂芳等引入特征工况参数的新 概念［12，13］，建立了机械密封端面黏着磨损分形模 型，获得了机械密封端面磨损率与端面接触特性、 材料特性等参数之间的关系，为端面的磨损预测奠 定了基础。Kim Yeon Wook 等通过磨损试验得到 了速度、载荷及温度对石墨磨损率的影响，并建立 了相应的数学模型来预测石墨的磨损率［14］。 2． 2 表面形貌的影响及其表征
正确选择密封端面配对材料，在一定程度上 可以保证机械密封的稳定性、延长其使用寿命。
Johnson 与 Schoenheer 通过实验，获得了不同 温度下不同材料组合的磨损数据［32］，顾永泉也给 出了部分机械密封面材料配对的磨损系数［33］，为 密封端面的配对提供了参考。Jones 对机械密封 用石墨、陶瓷、金刚石微粉和金刚砂 － 石墨在无润 滑状态下的干摩擦性能进行了比较，并建立了优 选模型［34］。Degrange 等将价格低廉的聚四氟乙 烯和尼龙纤维用来制作静环的密封面，不仅获得 了较为理想的机械性能与摩擦性能，也拓宽了静 环密封面 设 计 与 制 造 的 思 路［35］。 为 了 提 高 密 封 面的耐磨性，Vila 研制出了碳化钨 － 石墨 － 氧化 铝涂层，并提出应从涂层的耐磨性、颗粒磨损和滑 动摩擦来 评 价 材 料 的 性 能［36］。 胡 亚 非 等 将 淬 火 45 钢分别与浸渍金属锑石墨、浸渍树脂石墨和人 造石墨配对进行摩擦磨损实验，得到了有膜摩擦 耐磨损性能最好，贫膜摩擦耐磨损性能不稳定，无 膜摩擦磨 损 严 重 的 结 论［37］。 刘 士 国 等 对 几 种 不 同材料配对的密封端面的摩擦磨损特性进行了试 验研究，希望找出最佳的材料配对［38］。由于端面 材料及配对对于提高机械密封的摩擦性能有显著 作用，有关这方面的研究仍在继续［39 ～ 41］。
2015 年第 43 卷第 2 期
流体机械
43
念，并给出了计算定义［24］，之后，又对该定义进行 了修正、优化［25］，为 机 械 密 封 端 面 形 貌 参 数 的 动 态表征提供了有效方法。分形理论的提出使得密 封端面的分形表征获得了迅速发展［26 ～ 29］。尽管 如此，Persson 等认为，微凸体对密封表面粘着及 摩擦特性的影响主要取决于功率谱密度，因而功 率谱密度能更精确地描述表面的微观形貌，并且 通过实验证明了功率谱密度对密封接触表面的影 响［30］。Christophe Minet 等 相 信，均 方 根 粗 糙 度 值、偏斜系数、峰态系数等统计参数可以较好地表 征密封端面的形貌状态，并建立了相关数学模型， 模拟数值与测量结果较吻合［31］。 2． 3 端面材料配对
命，减少因泄漏带来的损失。通过对前人在机械密封端面摩擦特性及泄漏特性方面的研究成果包括摩擦特性参数、表面
形貌的影响及其表征、端面材料配对、泄漏通道模型及界面流体流动特性的综述，分析了现有研究存在的不足，指出了机
械密封基本性能研究的后续方向： 全面考察机械密封的摩擦及泄漏特性，优化密封界面泄漏通道模型，建立密封界面流