激光加工多孔端面機械密封

摘　要：介紹了激光加工多孔端面機械密封的結構特點，闡述了激光加工多孔端面機械密封的工作原理，指出端面微孔產生的動壓效應可有效地提高機械密封的最大PV值。對各種加工方法進行比較可知，在機械密封端面上加工微孔，激光表面處理技術是惟一有效的加工方法。作者的試驗研究表明，與普通機械密封相比，激光加工多孔端面機械密封可明顯地降低密封面間的摩擦力矩，實現端面間的流體潤滑，因而延長密封壽命。
關鍵詞：激光；機械密封；動壓效應

普通機械密封是依靠密封端面間的微凸體緊密的接觸而將流體密封，因而這種密封在運轉中常常表現為混合摩擦狀態，個別表現為邊界摩擦狀態[1]。當工作條件或環境條件變化時，端面的過高溫升使端面間的流體汽化，造成嚴重泄漏，或者端面液體全部汽化而造成端面間的完全干摩擦，使端面磨損加劇而大大縮短密封的使用壽命。因此，傳統的接觸式機械密封在提高密封能力、減小摩擦和磨損等方面存在一定的局限性。

隨著節能問題的突出和環保意識的增強，如何降低能耗、提高密封的可靠性和延長密封壽命是人們普遍關注且日益重視的研究課題。可靠密封、長壽命的關鍵是保證兩密封端面間形成并保持一層極薄的穩定流體膜，且具有一定的承載能力。若流體產生的動壓效應使端面間不發生直接接觸，其摩擦狀態為純流體摩擦，這種密封稱為非接觸式動壓型機械密封。非接觸式動壓型機械密封通常是在密封端面上人為地開設一些規則的流槽，如螺旋槽[2]、圓弧槽[3]、直線槽[4]、雷列臺階槽[5]等，利用流體動壓效應來提高密封的承載能力，減少端面間的磨損和極大地延長密封壽命。激光加工多孔端面機械密封是機械密封領域中一項嶄露頭角的新技術。

圖1　多孔端面機械密封結構簡圖

多孔端面機械密封的結構多孔端面機械密封結構如圖1(a)所示。動環為平端面密封環，靜環平端面上均勻地布置著規則的微孔，形成多孔端面。微孔為圓孔、橢圓孔或圓錐孔，圖1(b)為端面上正方形分布的圓孔的情形?？讖綇膸孜⒚字翑蛋傥⒚?，孔深從幾微米到幾十微米，孔隙率(孔面積占整個端面面積的百分數)為5%～30%。多孔端面的表面粗糙度與靜環的表面粗糙度相同，Ｒa均為0.01～0.02μm[6]。

2　多孔端面機械密封的原理與應用

在停車時，即動環不旋轉時，在彈簧力作用下，靜環與動環構成靜止平面密封，使流體介質得以密封。當動環回轉時，由于靜環表面有很多微孔，動環的轉動使其表面與靜環表面上的微孔形成收斂縫隙流體膜層，使每一個孔都像一個微動力滑動軸承。也就是說，當另一個表面在多孔端面上滑動時，會在孔的上方及其周邊產生流體動壓力，這就是流體動壓效應。流體動壓力的承載能力取決于滑動的速度、介質的粘度和流體膜厚度[7]。這些孔產生動壓效應的共同作用的結果使得兩密封面分開。由于在兩密封面間存在流體膜，兩密封面不再直接接觸，密封面間的摩擦狀態為流體摩擦。試驗研究[8]表明，在端面載荷和轉速相同時，多孔端面機械密封環之間的間隙總是大于普通機械密封環之間的間隙。端面載荷增加時，普通機械密封環的端面間隙驟然減小，以至于端面直接接觸，液膜遭到破壞，使磨損加劇。對于多孔端面機械密封環，端面載荷增加時，端面間隙減小，液膜剛度增加，而很小的間隙又恰好將泄漏量降低到最小，從而滿足嚴格的機械密封泄漏要求，同時減少了密封面的磨損。因此，多孔端面機械密封可有效地延長密封壽命。

機械密封的最大PV值是評價機械密封運行安全性的重要指標，而多孔端面機械密封可有效地提高機械密封的最大PV值。對多孔端面的孔深與直徑比值進行優化，其最大PV值約是普通機械密封最大PV值的2.5倍[8]。因此，多孔端面機械密封可有效地提高密封參數，保證機械密封的安全運行。多孔端面機械密封已經應用于石油化工行業，如輕烴和甲苯密封介質，溫度為266～320℃，壓力為0.67MPa的多孔端面機械密封。經過6個月的實際運行，密封效果令人滿意[9]。

3　多孔端面機械密封的加工方法

在密封面上加工深度為微米級的流槽或微孔，常規的機械加工方法幾乎無能為力。因而人們探索了很多種加工方法，主要有以下幾種：光化學腐蝕加工(光刻法)、電火花加工(電蝕刻)、電化學加工和激光加工等方法。幾種加工方法的特點如表1所示。

表1　加工方法的比較

由表1可知，與傳統的加工技術相比，激光加工適用面廣，對不同材料、不同形狀的加工表面均適合，具有工件無機械變形、無污染、速度快、重復性好以及自動化程度高等特點。顯然，對于多孔端面機械密封環，其他的加工方法是無能為力的，只有采用激光加工方法才能獲得滿意的結果。

圖2為筆者利用深圳市大族激光科技股份有限公司的YAG D50S激光打標機加工而成的碳化硅密封環的多孔端面。

圖2　密封環的多孔端面

4 摩擦性能試驗

在不同端面載荷下分別對普通密封環和激光加工多孔端面密封環進行對比試驗，2種密封環的端面尺寸、表面粗糙度、端面載荷及轉速等試驗條件均完全相同，碳石墨材料制造的密封環與兩種試驗密封環配對運轉。圖3為在不同端面載荷下轉速變化時普通密封環和激光加工多孔端面密封環與碳石墨密封環端面間的摩擦系數值。由圖3可知，激光加工多孔端面機械密封的摩擦系數比普通機械密封的摩擦系數要低得多。從摩擦系數值來看，普通機械密封的摩擦系數值處于邊界摩擦狀態，而激光加工的多孔端面機械密封的摩擦系數值處于混合、甚至液體摩擦狀態，因此，激光加工多孔端面密封環比普通密封環具有更好的摩擦性能。

圖3　不同密封環端面間的摩擦系數

5　結語

激光加工多孔端面機械密封工藝簡單，密封液體介質具有良好的動壓效應，實現了密封端面間的流體潤滑，從而延長密封壽命。激光加工多孔端面機械密封具有較高的密封參數，因而密封性能良好。激光加工技術的應用為機械密封技術注入了新的活力。

參考文獻：
[1]　顧永泉．流體動密封[M]．東營：石油大學出版社， 1990．156．
[2]　LAIT. Development of Non Contacting，Non Leaking Spiral Groove Liquid Face Sealｓ[J]．LUbrication Engineering，1994，50(8)：625 631．
[3]　王建榮，顧永泉，陳　弘．圓弧槽氣體潤滑非接觸式機械密封的特性[J]．流體工程，1991，19(3)：16．
[4]　胡丹梅，吳宗祥．非接觸式氣體端面密封低速性能試驗研究[J]．流體機械，1998，26(9)：3 6．