（安徽淮南平圩发电有限责任公司 安徽淮南 202089）
摘要：机械密封在旋转设备上的应用非常广泛，机械密封的密封效果将直接影响整机的运行，严重的还将出现重大安全事故。为保证机械密封长期可靠地运转，应对造成机械密封泄漏的各种因素进行分析，从而制定解决方案。本文针对弹簧对机械密封性能的影响进行一些探讨。
关键词：弹簧；机械密封；泄漏
一、前言
机械密封本身是一种要求较高的精密部件，对设计、机械加工、装配质量都有很高的要求。在使用机械密封时，应分析使用影响机械密封工作性能的各种因素，使机械密封适用于泵的技术要求和使用介质要求，这样才能保证密封长期可靠地运转。
机械密封因其密封性能可靠、泄漏量小、能耗低、寿命长等优点而广泛用于泵类设备的轴封，目前70%-80%工业水泵配备了机械密封。本文就是从弹簧对机械密封性能的影响方面进行一些探讨。
二、机械密封作原理
机械密封又叫端面密封，通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环随泵轴一起旋转，动环和静环紧密贴合组成密封面，以防止介质泄漏。动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。
三、机械密封泄漏点分析
如图所示，机械密封可能泄漏途径主要有6处：
1.密封副密封面处泄露a处泄露
2.静环与压盖的辅助密封件b处泄露
3.动环与轴（或轴套）的辅助密封c处泄露
4.压盖与密封箱体之间静密封d处泄露
5.轴套与轴静密封e处泄露
6.动环镶嵌结构配合f处泄露
其中，a、b、c三处为动密封，a处密封面是主要密封面，是决定机械密封摩擦、磨损和密封性能的关键，同时也决定机械密封的工作寿命。据统计，机械密封的泄露约有80%-95%是由于密封端面密封副造成的；b、c处是辅助密封面，是决定机械密封密封性和动环追随性的关键，特别是c处密封面，首先要防止因锈蚀、水垢、结焦等原因而造成的动环无法动弹；d、e、f处为静密封，应根据介质选用相容材料的密封垫或相应的配合。
四、机械密封弹簧的分类及外观要求
1.弹簧表面外观应光滑，不应有肉眼可见的有害缺陷，但允许有深度不大于直径径公差一半的个别小伤痕存在。弹簧的结构形式分类
五、弹簧影响机械密封性能的因素
弹簧对机械密封性能的影响因素主要有以下几点：
1.弹簧比压对机械密封性能的影响
机械密封的基本性能主要有密封特性（即泄漏量指标）和端面摩擦特性（即抵御摩擦、磨损的能力）。弹簧比压对机械密封特性和端面摩擦特性具有重要的影响。
作用在机械密封动环端面上的力有闭合力和开启力。在稳定工况下，闭合力和开启力是平衡的，弹簧比压是端面密封比压的重要组成部分。为保证有足够的端面密封比压以减小泄漏，必须增大弹簧比压，而过大的弹簧比压又将产生较大的磨损，影响密封装置的使用寿命。
实际上，密封间隙是很小的，而动、静环表面又是粗糙不平的。动、静环表面粗糙度的大小将直接影响着密封间隙的大小。由于粗糙度的存在，动、静环之间的密封间隙实际上是粗糙深度中间点间的距离。
在机械密封结构和工况参数一定的情况下，机械密封工作参数中唯一可调节的只有弹簧力，它的大小直接影响端面密封比压，在研究端面比压对密封性能影响时，一般都采用空载下调节弹簧的压缩量，使机械密封在加入介质后处于某一端面密封比压，再开机运行测量泄漏量和功耗。调节弹簧压缩量是为了满足弹簧比压，而不是为压缩量而压缩量，不管它是单弹簧还是多弹簧。通常，机械密封的弹簧比压大致控制在1.3~2..8kgf/cm2左右。
弹簧比压是形成端面密封比压的重要组成部分，它对平衡型机械密封的密封性能和摩擦特性有着重要的影响。对于平衡型机械密封，弹簧比压不仅使密封端面贴合，而且会使得粗糙端面的接触点产生变形，形成较小的密封间隙。对于平衡系数与膜压系数相近的机械密封，弹簧比压对泄漏量的影响明显增大。尽管弹簧比压的变化有时不足以改变机械密封的端面摩擦状态，但是随着弹簧比压的增大，摩擦副之间的润滑介质已经相对减少。若仅从改善密封性能的角度考虑，增大弹簧比压以提高端面密封比压是最为有效的措施。然而，过分增大端面密封比压又将破坏液膜，很有可能造成端面干摩擦，从而加剧磨损并且缩短机械密封寿命。若仅考虑机械密封的摩擦特性，减小弹簧比压可以使密封端面处于全液体摩擦状态，降低摩擦功耗，但此时机械密封的密封性能将无法保证。兼顾摩擦特性和密封性能两方面的要求，正确选择弹簧比压，从而使机械密封处于最佳工作状态是设计、制造以及安装机械密封的要点。
2.弹簧刚度对机械密封性能的影响
密封是由动环和静环组成，其中动环可随着转轴一起旋转，静环固定在壳体上，它通过其后的弹簧装置可以轴向浮动，当转轴旋转时，静环背后的介质压力和弹簧力一起构成机械密封的闭合力，阻止被密封介质通过密封端面，而密封端面间的液膜压力和接触力构成开启力，并与闭合力平衡。
图2为取4个不同刚度时密封环泄漏量的变化情况。在刚度取4个不同值时，初始阶段密封环泄漏量曲线变化非常剧烈，都是先迅速减小再迅速增大然后再迅速减小的，在 t =2 ms 附近开始缓慢减小，最终都稳定在一个值上。刚度从 3 × 10 N /m到 15 × 10N /m的变化过程中，密封环的泄漏量曲线波动由弱到强，刚度越大，曲线初期和中期变化越剧烈，随后曲线也都慢慢平稳，直到振动消失。
从图2 泄漏量曲线变化末期的放大图可看出，泄漏量的最终稳定值随刚度增大而减小，在一定取值范围内，刚度越大，泄漏量越小。并且在刚度增大过程中泄漏量曲线最终稳定值的变化越来越小。
在机械密封振动中，刚度取值越大，泄漏率曲线摆动幅度越大。在振动初始时刻，刚度值越大，泄漏量越小；当振动消失时，泄漏量随着刚度的增大而减小。
3.弹簧失效对机械密封性能的影响
典型的失效特征是弹簧剖面出现径向裂纹（特别是内径）和断裂，弹簧端部、轴套和传动轴颈磨损以及弹簧周围存在固体物质沉积。
造成弹簧失效的原因有多种，如腐蚀、应力腐蚀及疲劳等。在多数弹簧密封中，传动是单方向的，并且弹簧要卡紧装配件。对于这种密封，反向传动或弹簧装配失误就会造成弹簧松卷、滑脱、变形、裂纹甚至断裂。对于多弹簧密封，在弹簧周围的固体沉积物会使弹簧降低弹性，从而引起其它弹簧过载而失效。
4.弹簧材料对机械密封性能的影响
机械密封的运行工况各不相同，针对高温、高压或高冲击等工况，需要选取不同的材料，否则可能会引起弹簧失效。常用弹簧材料见表2，有必要时可使用表2所列以外的材料。
5.其它影响机械密封性能的因素
除以上几点主要影响因素外，还有其它几个影响机械密封性能的因素。
■弹簧直径：弹簧直径选取若不合适，则会造成弹簧与弹簧座之间卡涩，最终导致动环无法回位引起的泄漏；
■对于多弹簧机械密封，还要考虑弹簧长度，若弹簧长短相差较大，从而引起部分弹簧过载而失效最终导致机械密封泄漏。
六、总结
机械密封在水泵中应用广泛，但泄漏问题普遍存在，直接影响设备的安全稳定运行，以上从弹簧对机械密封性能影响进行了简要分析。其实机械密封渗漏的原因很多，也很复杂，在实际生产过程中，机械密封渗漏是由各种因素造成的，因此，要解决机封泄漏问题，首先要准确地找到渗漏点，正确分析渗漏的原因，再采取具体的措施加以解决，从而保证机械密封长期有效的运转，提高机械密封稳定性，节约能耗，最终提高经济效益。
论文作者:黄剑,胡涛涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/30
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