一、概述
发动机附件机匣的作用是安装并传动附件。在发动机工作状态，高压转子将转动转矩传递给安装在附件机匣上的附件；在起动状态，起动机按相反路线将起动转矩传递给发动机。
附件机匣主要由壳体、齿轮、轴承及轴端密封等部件组成，属于齿轮传动。具有转速高、温度高等特点。因此良好的机械密封是保证齿轮传动系统安全可靠工作的基础。
机械密封是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件，是依靠弹性元件对静、动环端面密封的预紧和介质压力与弹性元件的压紧而达到密封的轴向端面密封装置。它对整台附件机匣甚至整个发动机的安全工作都尤为重要。本文介绍了机械密封装置的结构组成，对应用于某型机匣中的机械密封装置进行了详细的理论计算，并以此讨论了该装置设计的合理性。
二、机械密封常用材料及选择
2.1密封副材料及选择
密封副材料是指动环与静环的端面材料。根据统计，机械密封的泄露大约有80%~95%是由于密封副造成的，除了要保证密封面平行之外，主要是密封副材料问题。因此，正确选用密封副材料，可以保证机械密封长寿命地、稳定地运转。
在大多数场合，对于一般介质采用密封副材料软对硬组合。只有对于特别的含硬固体颗粒介质，才采用密封副材料硬对硬组合。于是密封副材料主要分两种基本类型：
1）密封面软材料主要有石墨、树脂、铜合金等。石墨是密封面软材料中应用最普遍的，它具有化学惰性、回弹性、尺寸稳定性、气液不透性且耐温、质轻。树脂类材料主要包括聚四氟乙烯、填充聚四氟乙烯和酚醛树脂。铜合金主要包括青铜、磷青铜、铝青铜、铅青铜等的铸品。
2）密封面硬材料主要有硬质合金、金属材料、工程陶瓷和新型陶瓷等。硬质合金主要包括碳化钨、碳化钛、碳化钽，一直是机械密封中常用的密封面硬材料，具有韧性和刚性特别大、耐磨性很好、机械强度高、抗弯性好等优点。
2.2辅助密封材料及选择
辅助密封包括动、静环的辅助密封圈，大多做成O形圈、V形圈、矩形圈、楔形圈或梯形圈，其作用主要是防止动环与转轴和静与压盖之间的泄漏，补偿密封面的偏斜和振动，保证动、静环紧密接合具有浮动性，保证动、静环端面良好的贴合，保证密封可靠，延长使用寿命。
三、结构分析
机械端面密封组件主要应用于旋转机械的轴端密封。它的主要结构元件是动环、磁性静环和二次密封环（O形橡胶圈）。它通过磁性静环与动环间的磁性吸引力保证密封面的贴合力，二者组成摩擦副，实现转、静子间的密封。动环与轴之间以及静环与壳体之间通过O形橡胶圈传递扭矩并实现二次密封。O形橡胶圈在轴上通过自身的弹性扭转和角向浮动自动补偿密封面的磨损，并适应轴的窜动
四、设计合理性计算与分析
机械密封装置由动环、静环密封胶圈等组成，组成结构相对复杂，且在不同工况条件下对机械密封装置的设计要求也各有不同。合理的密封设计将考虑诸多方面要求，本文将对机械密封装置设计要求的合理性做详细的计算与分析。
4.1平衡系数
质压力作用在补偿环上，使之对非补偿环区域闭合的有效面积与密封端面面积之比称为平衡系数K。
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式中：d1——密封端面内径，mm；d2——密封端面外径，mm； db——密封直径，mm。
根据被密封介质压力在主封严截面上引起的接触压力的卸荷情况，可将端面密封分为平衡型和非平衡型两种。K≥1称为非平衡型，K≤1称为平衡型。
4.2端面比压
密封端面单位面积上所受的力称为端面比压。用Pc表示，它是影响密封性能和寿命的主要因素之一。由磁力作用在密封端面单位面积上的压力称为磁力比压，用Ps表示。辅助密封所产生的摩擦力作用在密封端面单位面积上的压力称为摩擦比压，用Pf表示。端面比压可根据作用在补偿环上的力来确定。
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式中：.png)
——密封压差，Pa；.png)
——反压系数。
反压系数与端面上的液膜有关，它表示密封端面间液膜平均压力与密封压差之比。根据经验，接触比压应为0.05~0.07MPa。
五、主要构件设计考虑
5.1密封环主要尺寸
为了有效地工作，密封端面的静止环与旋转环应相应的做成一窄一宽。软材料作窄环，硬材料做宽环，使窄环被均匀地磨损而不嵌入宽环中去。
端面宽度b在材料强度、刚度足够的条件下，尽可能取小值。过大的宽度将使端面的润滑和冷却效果降低，端面磨损泄漏，功率消耗增加，加工量增加。窄环高度h值主要根据材料的强度、以及耐磨损能力确定。
5.2辅助密封设计
辅助密封的设计，在温度低于200℃时，辅助密封大多采用O形圈。O形圈压缩量按下式计算：
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式中：.png)
——O形圈截面尺寸，m；H——O形圈沟槽深度，m。
对于航空发动机附件传动轴工作条件，可选用氟橡胶O型密封圈作为辅助密封。O型密封圈与轴的配合紧度要足够，以便防止转环相对轴转动。根据经验，O型密封圈的压缩量应控制在13%~18%范围内。
六、其它设计考虑
6.1磁力密封的主要技术要求
磁力密封的平面度不大于0.9um，金属材料密封端面粗糙度不低于0.2um，非金属材料密封端面的粗糙度不低于0.4um。静环和转环与辅助密封圈接触部位的表面粗糙度不低于3.2um，外圆与内孔尺寸公差为h8和H8。石墨环、填充聚四氟乙烯环及组装的转环、静环要检验。检验压力用于非平衡式端面密封的密封环为0.9807MPa；用于平衡式端面密封的密封环为2.3536MPa，持续10min不应有渗漏。
6.2磁力密封材料
摩擦副材料对密封性能影响很大，正确选择是保证密封正常工作的关键。摩擦副材料的选择应满足如下要求：
I.在防腐方面有较好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、溶解和溶胀；
II.在物理机械性能方面要有较高的弹性模量、强度和许用PV值，低的滑动摩擦系数、膨胀系数，优良的耐磨性和自润滑性以及良好的不渗透性；
III.在热力性能方面有很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐温度的急变性；
IV.材料来源方便，加工容易，成本低廉；
V.纯石墨的材料，一般导热系数和自润滑性都很好，且抗氧化性能也比较好，所以，在高温时，应优先选用。
6.3摩擦副环的变形和热烈问题
端面密封摩擦副的密封环（静、动环）在实际试验研究中发现端面磨损不均匀，有的靠近内径处磨损较大，有的靠近外径处磨损较大。出现这种现象的原因是由于温度场不均匀或作用在密封环上的应力降不均匀造成密封环变形。端面密封环变形有力变形、热变形和残余变形，影响端面密封变形的主要原因是轴向力、径向力、轴向温度梯度和径向温度梯度。为了改善端面密封的性能，尽可能保持密封面平直。减少密封端面变形，可以减少泄漏量，延长密封寿命。
七、结论
在高转速、大功率、强振动的工况下，合理设计机械密封的端面比压和O型密封圈压缩量，对防止密封泄漏问题的发生有着重要的意义。
参考文献：
[1]机械工程手册 第四卷 《机械设计》 沈鸿 机械工业出版社
[2]中国航空材料手册 第八卷 《橡胶 密封剂》 颜鸣皋 中国标准出版社
[3]航空发动机设计手册 第12册 《传动及润滑系统》 张洪彪航空工业出版社
论文作者:周玉莲,马长顺
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/3/16
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