现代密封技术概述_许振石

第24卷第4期2010年12月传 动 技 术

DRI VE SY ST EM T ECHN IQ U E V ol. 24 N o. 4December 2010

文章编号:1006-8244(2010) 04-38-04

现代密封技术概述

Modern Seal Technology Introduction

许振石 樊 军

(新疆大学机械工程学院, 乌鲁木齐830008)

X U Zhenshi FA N J un

(X inj iang Univ ersity S chool of Mechanical Engineering ,

Wulumuqi 830008, China)

[摘要]随着密封技术的发展, 传统的密封技术不断得到改进, 新密封技术也不断推陈出新, 本文就几种密封技术(如磁流体密封、干气密封、蜂窝密封、刷式密封) 作简要的概述及密封技术在软件开发上发展。

[Abstract]In this paper, the some seal technology such as magnetic fluid seal, dry gas seal, honecomb seal brush seal etc. are pr esented. Development on soft w ir e for seal technologyare intr oduced. 关键词:磁流体密封 干气密封 蜂窝密封 刷式密封

Key words:Seal magnetic fluid Dry Gas Seal honeycomb seal brush seal

中图分类号:T H 117 文献标识码:B

1 引言

密封技术是一门结合多个学科应用的综合技术, 具体涉及了与流体力学、材料力学和弹性力学、摩擦学、化学、物理化学以及热力学等学科。密封技术被广泛应用于航空航天、核能发电等高新技术领域, 以及石油、化工等国民经济各行业, 如火箭的液氧透平泵、核能发电站中的主冷泵、高压聚乙烯的高压压缩机和聚丙烯的反应釜等许多机器设备的方案就取决于密封技术。密封技术虽然不是领先性技术, 但往往却是决定性关键技术, 它决定了机器设备运行的安全性、可靠性和耐久性[1]。密封技术水平还远远满足不了生产发展的要求, 某些场合泄漏问题还没有解决, 所以密封技术有待进一步深入研究。本文主要对几种新型密封技术及其应用进行介绍, 为我国密封技术的开发及应用做一定铺垫作用。

-7]

2 磁流体密封[2

度弥散到基载液(水、机油) 中而成的一种高稳定性固液相混的胶体溶液, 即使在重力场、磁场作用下也能长期稳定的存在, 不产生沉淀和分离。

磁性液体密封是一种以磁性液体为功能液体, 并采用聚磁结构实现非均匀磁场分布, 将磁性液体约束在密封间隙中而实现密封目的的液体密封形式。其密封原理如图1(a, b) 所示。它由两个环形磁极和夹于磁极中间的环形永久磁铁组成, 磁板和旋转轴都具有导磁性, 通过永久磁铁形成环形磁路, 磁性流体在磁场中受到磁场力的作用形成油膜屏障, 在无外力作用时, 磁性流体将保持在磁场最强的区域内。在外力作用下, 磁性流体的位置和形状将发生变化, 引起磁场力的变化, 磁场力与外力相平衡, 使磁性流体处于新的平衡状态, 始终把磁流体保留在 O 密封间隙内, 起到密封作用。

磁流体密封作为是近年来发展一门新兴技术, 一种新型的、有独特优势的密封方式。其主要包括:旋转轴磁性液体密封、组合式磁性液体密封、端面磁性液体密封以及往复轴磁性液体密封等。其主要的特点是它的密封能力不依靠密封表面间的压紧力, 在密封表面之间存在相对运动的情况下, 它的摩擦力极小, 仅表现为铁磁性流体内部的剪切应力。磁

磁流体, 或称铁磁流体, 是一种对磁场敏感又可

流动的由直径约为10 m 的纳米级铁磁性或亚铁磁性固体微粒在特定的表面活性剂的作用下均匀高

作者简介:许振石(1983-) , 男, 硕士研究生。研究方向:机械制造及自动化。樊 军, 男, 副教授。研究方向:机械制造及自动化。

密封的动环和静环的密封面靠弹簧的弹力贴合在一起。运转时随着动环的旋转, 由于其端面沟槽(如图3) 外深内浅, 且末端无通路, 以及动环上密封堰的共同作用, 生产泵吸效应, 形成厚度约3~5 m 的气膜[14], 该气膜有一定的刚度, 使得开启力与端面闭合力相平衡, 此时密封端面存在一个很小的间隙即保证泄漏量不至超标, 又使动、静环端面实现非接触

运转。

图1 磁流体密封原理图Fig. 1 T he magnetic fluid seal sketch

性流体密封具有以下优点:不可测量的泄漏率; 高可靠性, 使用寿命长达10年以上, 具有自我恢复的能力; 能承受高转速, 允许轴有一定的偏心度和径向跳动; 最佳的扭矩传递, 无需加预紧力, 避免了变形; 低的黏性摩擦。

现阶段磁流体密封装置按用途主要分为防尘、真空、压力密封。广泛应用于超导发电机, 发酵罐的搅拌, 半导体制造, 真空蒸发, 质谱仪, 人工心脏, 贮能飞轮等众多领域。目前, 磁流体的密封耐压能力可达3. 5M Pa, 真空度达10. 8托, 极限转速为30000r/min 。

图3 端面沟槽示意图F ig. 3 F ace fur row sket ch

3 干气密封

[8-12]

干气密封, 即干运转、气体润滑、非接触式机械

密封, 采用 以气封气 或 以气封液 的思想来实现工艺介质的零泄漏。干气密封的结构示意图[13]如图2所示, 主要元件有:静环1、动环2、弹性元件(弹簧4) 、辅助密封(O 形环8、9) 、传动件(传动销3或者传动螺钉7) 、防转件(防转销10) 、紧固件(弹簧座5、压环12、压盖11和紧定螺钉6) 与轴套13

。

实际应用中, 干气密封主要有三种布置形

式[15]:单端面密封结构、串联式密封结构和双端面密封结构。

干气密封最初是用在透平压缩机、膨胀机等高速旋转机械上, 到目前为止, 己在化工、炼油、化肥、乙烯、化纤、天然气输送等行业获得广泛的应用。上世纪90年代国外开始在中低速旋转机械如离心泵、搅拌釜中采用干气密封。

-20]

4 金属蜂窝密封[17

图2 干气密封的结构示意图

Fig. 2 T he dry gas seal constructio n sketch

金属蜂窝密封可以看是作一种复合式迷宫密封, 金属蜂窝密封是指将封严用的静子外环制成由金属薄片组成的正六边形疏松多孔结构, 利用其易磨合的特点, 与转子轴/转子叶片/转轴和叶片上的封严篦齿所形成的可接触式的迷宫密封, 普遍认为蜂窝密封为粗糙的静子密封环内孔表面即可以降低流体的圆滚滚击流动速度而减小密封的交叉刚度, 从而达到抑制转子振动的目的阻尼转子件封严齿或不带冠叶片在蜂窝芯上磨出的沟槽, 相当于又增加了一道参差型迷宫结构, 达到良好密封效果。

蜂窝密封作为一种成熟的先进密封技术已在石化, 电力等行业内取得了广泛的应用。金属蜂窝密封技术在国外许多先进的航空燃气轮机(如V2500, CFM 56, PW200等) 上得到了广泛应用。近年来, 国

干气密封基本工作原理在非运转状态下, 干气

内一些在役和新研制的航空燃气轮机也陆续采用该技术。以减少泄漏损失, 提高了压气机或涡轮部件效率。

蜂窝密封结构如图4。蜂窝的芯尺寸为3. 2mm 蜂窝孔深度为3. 0mm, 蜂窝厚度为0. 1mm 。蜂窝密封环内径为150mm, 宽度为50mm

。

度, 刷丝直径0. 05-0. 07mm; 刷丝的初始干涉量0. 05-0. 15mm; 下游环保护高度为1. 1-1. 5mm; 刷丝束在轴圆周方向上的密集度90-180根/mm; 刷丝束厚度一般不超过2mm

。

图4 蜂窝密封结构图

F ig. 4 Ho neg comb seal co nstr uct ion diagr am

与传统的梳齿密封相比, 蜂窝密封最大的特点

是可以最大限度地缩小密封间隙, 而基本上不会导致转子件的磨损及与封严静子件的干涉, 易磨合; 可以抑制密封流体激振, 改善转子的稳定性, 使转子运行平稳, 具有一定厚度的蜂窝芯格本身就是一种细密的迷宫密封。

图5 刷式密封的结构图

Fig. 5 Brush seat constractio n diag ram

-27]

6 密封技术的现代设计[25

5 刷式密封

[21-24]

刷式密封属于接触式密封。刷式密封的主要部

件为刷丝, 其为一束捆扎在一起的刷式密封的刷丝具有柔性, 造成的轴表面磨损是很小, 在轴转动的瞬态径向跳动和偏心运动, 静偏心的条件下, 仍能保持良好的密封效果, 使得系统密封性能和寿命有了大幅度的提高, 有效提高了系统的效率。

可以认为, 刷式密封在航空工业和民用工业上的应用前景极其广阔。在20世纪末以来, 高温和高相对滑动速度的刷式密封研究取得很大进展, 可以承受的转子线速度己超过305m/s, 运行温度达690度。1995年, 安装于波音777的PW4084发动机, 在高压压气机出口处的密封应用刷式密封装置后, 使发动机的推力提高了2%, 相应的耗油率降低了约2%。

高密集度、按一定角度(30~60度) 规则排列的的圆截面弹性细金属丝, 刷毛束的宽度一般为0. 76mm, 其自由端与轴表面接, 初始干涉大约为0. 1mm 。初始干涉的作用是可以使由于制造误差造成密封和轴中心线不重合时也能保持较好的密封效果。刷毛另一端与左右两侧的圆环连接成一个整体。与刷毛接触的轴表明喷涂一层耐磨材料, 以减少磨损, 以减少刷毛的磨损。刷式密封的主要结构如图5参数一般为:刷丝角30~60度, 常取40或45

密封技术及其辅助系统的设计是一个复杂的过程, 是一个系统工程。该工程通过对已有知识的分析应用(如密封组件的热力学和动力学分析、端面摩擦状态分析和流体静动压分析、系统的传热分析等) , 依据确定的设计计算原则(常选择泄漏量为设计原则) , 运用计算机辅助设计(CAD) 技术。但目前CAD 软件仅仅是针对密封现有图形和尺寸、使用材料等所建立的数据库, 或至多是针对某种或几种介质密封的专用设计软件, 并不能完成给定操作条件下密封的动力学、热力非线性、液体质相平衡和摩擦学分析以及对密封结构和系统配置进行优化计算。因此提高并完善现有CAD 软件的功能还需引进国外的先进技术和软件, 开发出包括型槽端面密封件的CAD 系列软件、新型密封设计方法和加工制造技术、密封的管理系统及密封故障诊断专家系统等的成套技术, 从整体上提高我国密封技术的可靠性、安全性和耐久性, 实现同国际同类产品强的竞争力。

参考文献

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(下转第37页)

符号 N omenclature

A a, b [C]C s c cr d i E i e {F e x t }F s G h( ) h( ) I J 2zz

横截面积 Cross section area

椭圆轴尺寸 Dim ension s of th e elliptical footprint 阻尼矩阵 Damping matrix

摩擦同步转矩 Friction synch ronising torque 临界阻尼系数 Critical dampin g coefficient

两次连续碰撞之间历程 Dis tance travelled b etw een tw o cons ecu tive impatcs

第i 刚体的杨氏模量 Young s modulus of ith b ody 弹性恢复系数(牛顿定律) Restitution coefficient (New -ton s law )

处力矢量 Vector of the extern al forces 同步力 Synchronisation force 剪切模量 Shear modulus

从动件升程规律 Ris ing law of the follow er

当量传递方程 Equation of the equivalent tran slation path 横截面积惯性矩 M omen t of inertia of cross section area 轴的w. r. t 轴线齿轮的惯性矩 Gear m om ent of inertia w. r. t. axis of th e shaft

T imoshenko 梁单元刚度矩阵 Stiffness matrix of T imosh -en ko b eam element

基架单元长度刚度 Stiffness per unit length of the foun -f

q(x )

R c R ij R im R s s(t) s sliding t i {u}V A V 1v 1v sliding W i w y (x)

作用在销上分布负荷 Distrib uted load acting on the pin 凸轮半径 Can radius

体j 上主半径i Prin cipal radius i of body j

齿轮碰撞点和轴的轴线间的距离 Distance b etw een gear impact p oin t and th e axis of th e shaft 同步器半径 Synchroniser r adius

凸轮作用于销上运动矢量 Vector of translational movem ent imposed by the cam to th e pin 滑动距离 Sliding distance

第i 次撞击时间 T ime of i th im pact

普通节点的位移矢量 Vector of generalised n odal dis -placem ent

套筒和齿轮由相对速度 Relative velocity betw een the sleeve and the gear

一般撞击后套筒的速度 Velocity of sleeve after generic impact

一般撞击前套筒的速度 Velocity of sleeve befor e ge -neric impact

滑动速度 Sliding velocity 一般功率 Generic pow er 已磨损的材料 Worn material

销中心线的变形 Defor mation of the centre line of the pin

同步环的半锥角 H alf cone angle of th e syn chronis ing ring

Arch ard 模型压力角 Pres sure angle for Archard model 档块齿的顶角 Angle at the top of dog teeth

在负荷P 作用下销的变形 Deflection of the pin under the load P

销和凸轮槽表面主曲率方向间角位移 An gular dis -placem ent betw een prin cipal cur vature direction of the su rfaces of pin and cam groove

[K ]k ei -

dation

接触体刚度(脚注i =1见凸轮, i =2见销) S tiffness of body in contact (sub script i =1refers to the cam, i =2re -fers to the pin)

弹簧阻尼器元件内弹簧刚度 Sprin g stiffness in th e s pr-i ngdamper elem ent

Archard 磨损常数 Archard w ear constant 基架长度 Length of foundation

套筒和齿轮齿的相对位置的偏心率 E ccentricity of the relative pos ition of teeth of sleeve and gear

T imoshenko 梁单元的长度 Len gth of T imosh enko b eam elem ent

T imoshenko 梁单元的质量矩阵 M ass matrix of T imosh -en ko b eam element

套筒质量 M ass of sleeve

作用在销上总力 Overall force acting on the pin

作用在销啮合节点上的负荷 Load acting on a nodes of the pin mesh

k i

k spring k w l l e l el [M ]m 1P p

m d i 2, ( 2)

机械效率 M echanical efficiency

凸轮的角位置 Angular position of th e cam 剪切系数 Shear foctor

静摩探系数 Static friction coefficient 动摩探系数 Dynamic friction coefficien t 密度 Density

第i 主曲率 i th principal cur vature

齿轮碰撞后(前) 的相对角速度 Relative angular veloc-i ty of gear after (b efore) impact

(上接第40页)

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(下接第47页)

图12示当变矩器输入速度重新升高, 以及变矩器速比e 超过0. 83时, 由于变矩器能力系数急剧下降, 不论变矩器输入速度随时间有所增加, 而变矩器的输入转矩下降。而且随下降后即增加(见图11, a, b 的(a) 点)

。

者的比较。计算和测量求出的啮合过程所吸收的功率十分一致, 即使其片表面温差响应滞后, 最大值表示十分接近。

图14在有关离合器压力下啮合时片最大表面温差, 在这种情况, 计算和测量也相当吻合。 (3) 实际测量结果概括

图15概述了片面温差 T 在有关离合器压力方面(另外参数是行驶阻力) 的特性, 见图14所示概括的结果, T 在离合器压力接近250kPa 时达到最大值。上述1-b 已经表明, 对行驶阻力的所有变化, T 响应甚少。而且, 甚至行驶阻力比正常工作增大4倍, 片表面将仅由20

稍微增大。

图12 变矩器性能

Fig. 12 T or que co nv erter per formance

又随变矩器输入速度上升而与发动机有关的相对速度下降(盘圆周速度降低) , 离合器转矩因图11-a, b 中(b) 点的摩擦系数的增加而开始增大。

因为上节所述两过程的多重影响, 变矩器输入速度再增加并发生啮合。

(2) 和实际测量结果比较

图13

示用计算数值和实际测量求得的结果两

图14 离合器液压和片表面温差间关系

Fig. 14 Relation betw een clutch hydraulic pr essure and plate

surface thermal differentials

6 功率分配器离合器控制系统

为功率分配器离合器控制目的, 我们把ECM V 采用于非高速公路的垃圾车的变速箱中, 已经受到用户的很高评价。

当车辆同时行驶和喷水时, 可用操纵功率分配器离合器踏板来控制车辆速度。如图16所示, 在响应操纵器踏板冲程方面, 控制器发出指令给ECM V 和离合器压力设置于所要求值。

由于ECM V 的引用, 使系统结构简化, 对指令响应更加灵敏, 再用空气活塞控制阀使机械连接更简便。

此外, 按照功率分配器离合器输入和输出温度

图13 计算和测量值比较

F ig. 13 Compariso n o f calculated and measur ed va lues

差以及片温度间关系, 使采用传感润滑油温来预测片温度成为可能。

(上接第37页)

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