影响机械密封因素的研究

冀向阳 孙晗 刘宇

摘 要：机械密封的生命期定义中指出，其包括机械密封的设计、机械密封的制造、机械密封垫使用和维护、机械密封的失效四个部分。只有仔细全面地查找使机械密封产生失效的影响因素，才能够减低机械密封产生失效的可能性。因此，找到机械密封产生失效的因素集合就成为了最重要的任务之一。通过研究大量的失效样本，产生失效的影响因素、具体出现的次数以及失效因素的阶段属性被分析出来了，最终确认了失效的样本和三个生命阶段的关联性大小，并对影响的机制进行了分析，研究的成果提高了机械密封的生命期。

关键词：机械密封；影响的因素；失效；影响的机制

引言

对于大量的旋转机械，机械密封被作为其最重要的部分之一，如果机械密封一旦失效，那么机械设备必须停机进行维修，情况严重的会使机械设备毁损或者造成重大的事故。仅仅把目光局限在一个研究样本上，机械密封的失效原因是多种多样的，但是随着研究样本的增多，产生失效的因素集合就很容易被挖掘出来。找出机械密封的失效因素集合可以促进机械密封在生命期的质量的含义形成，改善其在生命期的质量问题，还可以帮助人们迅速找到失效的原因。

一、影响机械密封出现不好因素的区别与联系

机械密封的生命期定义指出，其可以分为机械密封的设计、机械密封的制造、机械密封的使用和维护、机械密封的失效四个重要阶段。产生失效的情况多种多样，有单一因素导致的，也有一个或者是多个阶段结合共同导致的。课题收集了108个样本进行研究统计数据分析，结果表明，108个样本中产生失效和三个阶段密切相关，关联性最强的是设计，其次是使用，再次是制造，关联性最强的设计达到88.9%。

二、生命期的各个阶段的影响因素

（一）机械密封的设计阶段

在108个样本中，有多达四十项的影响因素是属于机械密封的设计阶段。其中前十三项的影响次数高达一百六十九项次，占到了总项次的百分之八十，在剩余的影响因素中，影响项次最多的是端面的比压不适当，其次是密封件的选材不合适，再次是密封的端面和动静环的磨损，以及弹簧的失效等等。

1.端面的比压因素

端面的比压与机械机密的端面所含有的液膜相关，如果端面的比压值较大，则机械产生的摩擦热可以使液膜慢慢蒸发完，导致机械磨损严重；如果端面的比压值较小，那么机械密封很容易泄漏而导致失效。选择端面比压受到机械密封的形式、受摩擦的状态以及运送介质的相态的影响。比较容易挥发的介质，端面的比压值太小是不行的，太小容易使得端面之间存在的介质产生汽化现象。

2.密封件的影响

摩擦副的密封面配对材料根据需要被密封的介质特性进行选择，摩擦副的密封面配对材料是影响机械密封性能的直接因素。辅助的密封圈具有较好的弹性可以保证机械密封的性能，同时密封圈的材料也要根据需要被密封的介质性质选择。

某一艘船是采用离心泵工作，其摩擦副的密封面配对材料使用硬质的碳石墨合金和硬质的青铜合金，因为海水中含有泥沙等等其他的颗粒性的介质，然而这两种摩擦副的密封面配对材料不耐颗粒的磨损，所以有人将其改为硬质合金，虽然使用起来较理想，但是泵是间歇运作的，偶尔会有长时间的停机，硬質合金就会有咬合卡死的状态，导致密封面产生拉伤，从而使密封性能失效。经研究，选取镍基的硬质合金和碳化硅进行配对之后，作用效果明显改善。

3.密封的端面和动静环的影响

密封的端面和动静环会因为颗粒的存在、密封液的汽化现象、液膜厚度较薄、同轴度差异或者是轴刚度不够等导致磨损情况严重，其中出现频率最高的是颗粒造成的磨损，占所有样本的百分之七十二，固态颗粒的主要来源是一些结晶物质、腐蚀性物质、具有催化性的颗粒以及泥沙等物质。经过对样本的研究表明，设计阶段一定要考虑机械使用的环境条件。

4.弹簧因素

弹簧这个部件在机械的密封中起到的是补偿、及时预紧和缓冲的效果，只有自始至终保证弹簧的弹性功能才可使端面的摩擦副能够较紧密的贴合以及动环的补偿。弹性功能和在高温条件下的稳定性能直接影响着端面密封的比压值大小。如果比压值较大，则使密封面间的起润滑作用的液膜的厚度显著减小，受磨损的程度加剧，产生摩擦热，进而导致静动环的端面材料性能遭到破环，最终形成热裂。如果比压值较小，密封的端面是一种液体间摩擦的状态，然而弹簧弹力在高温下的降低，以至于弹性完全消失，端面的摩擦副的贴合效果降低，因此密封性就没办法得到保证。所以根据实际的工况，以及对工况中使用弹簧的讲究，选择特定的材料，对于机械密封性能要着重要的作用。

（二）机械密封的制造阶段

在108个样本中，有十四项是受制造的影响因素造成的，其中有五项是占所有项次百分之八十三，这五项一次是：第一机械密封的装配质量；第二加工过程中精度的不足；第三机械振动或者轴的径向产生的跳动太大；第四端面的比压值较大或者较小；第五静动环端面的平面度存在过大的误差。

1.机械密封的装配质量因素

108个样本中，由于装配质量问题产生失效现象较多的为以下的几种情况：

（1）弹簧的压缩量太大致使摩擦副受到严重的损伤乃至于在一瞬之间被烧毁，调节动环能力丧失。动环的密封圈发生变形，密封的效果受到影响。

（2）动环的密封圈太紧密封圈和轴套之间的摩擦损伤加剧，同时使得动环轴向的调整和移动的阻力大大增大，且其无法根据工况的实时变化调整。

（3）静环的密封圈在配合过程中太紧易使得静环的密封产生大变形，从而影响到密封的效果。

（4）动环和静环装配过程中发生倾斜在压力下工作会使得动环和静环装配过程中发生倾斜和磨损，磨损的速度显著加快。

2.加工过程中精度的因素

机械密封的端面上流动的流体膜厚度和固体表面的粗糙度是在同一数量级的，固体表面的粗糙度、较低频率下的波度与整体的形状误差会对机械的密封性能产生重大的影响。固体表面的粗糙度变大，则机械密封的端面间的间隙就越大，那么泄漏也就越大。

（三）机械密封的使用阶段

在108个样本中，有十八项是受使用的影响因素造成的，其中前八项是占所有项次百分之八十，影响较为显著的因素为不适当的操作步骤、泵的抽空、介质冷却后的结垢和淤积、泵的振动或者是径轴向的大幅度跳动。

1.不适当的操作步骤因素

机械设备在使用与维护过程中，没有按照规定的操作步骤成为密封失效的一个重要的原因。例如所用的泵运行过程中如果发生了故障，则需要启动备用的泵，不严格按照规定的操作进行启动泵之前的盘车以及灌泵等程序，而仅是按下按钮启动，管线当中的气体还没有彻底排干净，机械密封还没有得到润滑与冷却，机械密封的端面温度迅速升高造成烧毁。

2.泵的抽空因素

在正压进行抽空时，工作泵内的介质的压力明显高于正常的大气压，然而密封箱中的介质的压力或者机械密封的端面上流动的流体膜的压力较介质在输送的温度下的饱和的蒸汽压力低，因此在密封箱中或者是在机械密封的端面间介质会发生汽化现象。

三、结论

影响机械密封的失效因素集的研究已经基本建立，此研究可以帮助机械工程中技术人员更好地理解影响机械密封的各种因素，进一步提高其设计和制造等水平，改善机械密封的生命期的质量问题。

参考文献：

[1]尹金峰.针对机械密封失效的影响因素研究[J].装备制造技术.2017（07）.

[2]唐雨飞.机械密封失效的影响因素分析[J].科技视界.2017（04）.

[3]杜鹏宇.机械密封端面比压影响因素分析[J].北石化学报.2016（01）.

[4]魏龙.接触式机械密封端面研究[J].摩擦学学报.2016（05）.