多孔端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能
多孔端面機(jī)械密封(LST-MS) 是Etsion于1996 年提出的，在動(dòng)靜環(huán)的任一面上加工出不同分布形式的微孔，微孔不具有方向性，屬于雙向旋轉(zhuǎn)的非接觸機(jī)械密封，可用于氣體或液體密封。典型微孔端面密封常采用激光精密加工而成，如圖所示。本文主要講解了多孔端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能，揭示其密封機(jī)理與動(dòng)壓形成機(jī)制。
圖3 微孔端面密封的結(jié)構(gòu)示意圖
1999 年，Burstein和Ingman探討了隨機(jī)分布激光加工端面微孔尺寸對機(jī)械密封承載能力的影響。相比之下，Etsion 對端面微孔機(jī)械密封的研究更為深入。1999年至2006年期間，Etsion針對LST-MS提出了一種新的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了一系列理論及實(shí)驗(yàn)研究，建立靜壓多孔端面干氣密封理論，以一定泄漏量下的最大承載力為目標(biāo)，對多孔織構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的LST-MS摩擦力矩及產(chǎn)熱顯著減小，較普通光滑端面機(jī)械密封，其密封壽命延長3 倍以上; 可通過表面微孔化技術(shù)使得非平衡式機(jī)械密封具有較高的承載能力; 指出靜壓多孔端面干氣密封性能主要依賴微孔部分密度，與微孔直徑無關(guān)，微孔實(shí)際深度對密封性能影響甚小。
國內(nèi)，蔡永寧、于新奇、彭旭東對這類槽型研究較多。2003至2007年間，于新奇建立了LST-MS的計(jì)算模型，數(shù)值分析和理論計(jì)算結(jié)果表明：密封端面間的摩擦扭矩隨密封環(huán)轉(zhuǎn)速增加而增大，微孔深度和微孔密度有最佳參數(shù)，使密封端面間的摩擦扭矩最小。實(shí)驗(yàn)研究表明：與普通密封端面進(jìn)行比較，機(jī)械密封的微孔端面結(jié)構(gòu)可顯著改善密封環(huán)的摩擦性能，且端面溫升、摩擦扭矩和摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于普通機(jī)械密封的相應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論研究基本符合。
2007年，蔡永寧等建立了多孔端面機(jī)械密封理論分析模型，以獲得最大端面靜壓為目標(biāo)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次證明在部分密封端面上加工微孔可有效增大端面靜壓。同年，萬軼等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與光滑摩擦副相比，多孔端面密封可以將最大PV 值提高2.5倍。2010年，白少先、彭旭東等基于氣體潤滑理論的數(shù)值分析表明LST-MS由于軸向氣膜剛度較小，具有更小的擾動(dòng)振幅，密封端面開啟后有利于保持密封間隙的穩(wěn)定，減少密封端面的接觸摩擦。2011年，彭旭東等在收斂錐面密封和多孔端面機(jī)械密封研究的基礎(chǔ)上，提出了錐面-微孔組合端面新型機(jī)械密封，通過有限元法求解理論模型證明在低壓工況下，收斂錐面能提高機(jī)械密封的開啟特性。同年，彭旭東等又考慮了液體表面張力對LST-MS密封性能的影響，提出了疏水型面的幾何結(jié)構(gòu)模型，從理論上證明了LST-MS 疏水型面具有自密封性，有利于實(shí)現(xiàn)零泄漏。
微孔作為潤滑劑存儲器在摩擦過程中持續(xù)給接觸面間供油，同時(shí)可以捕捉摩擦面間的磨損粒子，減少犁溝的形成，從而延長了密封壽命。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為但由于密封開啟時(shí)容易發(fā)生接觸，進(jìn)而造成早期失效；同時(shí)由于磨屑在微孔中的沉積，也會減小其減摩效果；目前LST-MS 缺乏可供參考比較的系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
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