激光加工多孔端面機械密封在離心泵應用分析

針對離心泵用激光加工多孔端面機械密封，通過采用有限元法求解雷諾方程獲得密封端面流體膜壓分布，計算了不同約束、不同結構動、靜密封環(huán)的力變形以及端面泄漏量、液膜剛度和剛漏比等密封性能參數(shù)，分析了變形對密封性能的影響。結果表明：端面變形對密封性能影響很大，將導致泄漏量增大，剛漏比減?。幻芊猸h(huán)的約束對變形起著重要作用，選擇合適的約束可以減小密封面轉角，提高液膜剛度，增強密封工作穩(wěn)定性。

    1 理論模型

圖1 LST-MS結構和開孔端面幾何示意圖

    圖1LST-MS的結構和端面幾何示意圖，其中的靜環(huán)端表面上采用激光加工出球形微孔，微孔沿徑向呈放射狀分布，沿周向呈等間距對稱分布。假設密封面不直接接觸，存在一定的厚度，且液膜壓力沿液膜厚度方向不變化，密封流體為牛頓流體且粘度保持不變，忽略密封面曲率的影響，則液膜壓力分布的穩(wěn)態(tài)控制方程，即雷諾方程為：

 

    2 計算結果與分析

    2.1結構/約束形式

 

圖2 靜環(huán)的結構及其約束示意圖

    選擇圖2所示靜環(huán)的4種結構來研究LST-MS的變形及其對密封性能的影響。

    結構1-3靜環(huán)尺寸與結構不變，僅約束和B形圈位置不同，以研究不同約束方式對密封環(huán)變形的影響，其中，圖2（a）中的B形圈位置與結構+、"不同，圖2（b）中的“/”邊軸向受約束，圖2（C）中的5-6邊軸向受約束。

    結構靜環(huán)截面為矩形（圖2（d），靜環(huán)背面軸向受約束，用于研究密封環(huán)結構不同時對環(huán)變形的影響，計算時忽略O形圈以及防轉銷和傳動銷孔的影響，彈簧力視為均布載荷，忽略重力和離心力的影響。

    2.2計算結果與分析

    規(guī)定壓縮變形為正，拉伸變形為負；動環(huán)端面產生順時針方向變形時轉角為負，產生逆時針方向變形時轉角為正；靜環(huán)端面轉角的正負規(guī)定與動環(huán)相反。圖"顯示了動環(huán)和靜環(huán)在P0=0.5MPa時的變形情況，動、靜環(huán)在不同P0下的變形值詳見表1和表2。可以看出，LST-MS端面變形后不再為平行平面，而且微孔的動壓效應產生的壓力，使端面形成了內凹曲面。由圖3還可以看出，具有同樣的結構和工況參數(shù)的動環(huán)，由于靜環(huán)結構和約束的不同，其變形的大小也是不一樣的，而且在不同的外徑壓力下，各結構之間的動環(huán)變形情況也是不一樣的。因為靜環(huán)的彈性模量比動環(huán)大，所以靜環(huán)的變形值要比動環(huán)小。從表1和表2中可以看出，4種結構中，與其它結構相比，結構3的動環(huán)軸向變形值較小，但其靜環(huán)變形值卻比其它結構的大得多，原因是結構3中受約束的5-6邊位于內徑處，而P0值高，這樣外徑處環(huán)的兩側所受壓力不平衡引起較大變形；同時，壓力P0形成的力矩隨著P0的增大而增大，因此結構3的轉角也由負值變?yōu)榱苏?。從表中還可以看出，結構2、3和4的靜環(huán)并沒有因為背面受到約束作用而使變形變小，而且約束的位置不一樣，變形的大小也是不一樣的。從表中還可以看出，隨壓力的增大，變形和轉角都在增大。

圖3 不同結構/約束密封環(huán)的力變形示意圖（動環(huán)*1000倍，靜環(huán)*10000倍）

表1 動環(huán)端面力變形 

表2 靜環(huán)端面變形

    受端面變形的影響，LST-MS的性能參數(shù)也發(fā)生了變化，如表3所示。可以看出，考慮端面變形后，泄漏量明顯增大，雖然結構2和4的液膜剛度有所增大，但從剛漏比的角度來考慮，考慮變形時，密封性能都在降低。綜合而言，結構2是4種結構中泄漏量較小但剛漏比最大的，因此，僅僅從考慮壓力變形的角度來看，擁有結構2的LST-MS其綜合密封性能最佳。據(jù)此可知，針對不同的材料配對和結構組合，通過選擇合適的約束對LST-MS進行優(yōu)化設計以提高密封的工作穩(wěn)定性，延長密封使用壽命，不僅必要而且可行。

表3 變形對LST-MS密封性能的影響

    3 結論
   
    （1）力變形對LST-MS密封性能具有重要影響，變形導致泄漏量增大、剛漏比降低，從而使密封性變差。
   
    （2）靜環(huán)的密封圈位置和背面的約束位置對動、靜環(huán)的變形均產生影響；選擇合適的約束和安放輔助密封圈的位置，可以控制變形力矩，減小密封面轉角，增大密封剛漏比值，提高其穩(wěn)定性。
   
    （3）密封變形值大小與其工作性能不存在必然的對應關系。即最小的密封環(huán)變形并不一定對應于最優(yōu)密封性能，應針對具體操作條件、結構和材料配對進行分析和優(yōu)化設計。