时间：2023-09-15 17:41:41
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机械密封的基本原理，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】水泵；密封；问题；对策
【中图分类号】U464.138+. 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2012）08—0129-01
1.机械密封装置的原理
机械密封是靠一对相对运动的环的端面A（一个固定，另一个与轴一起旋转）相互贴合形成的微小轴向间隙起密封作用，这种装置称为机械密封机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副，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。压紧元件产生压力，可使中开泵在不运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。密封元件起密封动环与轴的间隙B、静环与压盖的间隙c的作用，同时对中开泵的振动、冲击起缓冲作用。机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与中开泵的其它零部件一起组合起来运行的，同时通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的，例如：泵轴的窜量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压；机械密封处的中开泵轴不能有太大的挠度，否则端面比压会不均匀等等。只有满足类似这样的外部条件，再加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。
2.水泵密封存在的问题
2.1 机械密封装置管系的焊接质量差严重影响给水泵的安全，当运行中管系轻微泄漏使机械密封液温度缓慢升高（由于经热交换器的机械密封液减少，或机械密封液得不到良好的冷却）；当管系严重泄漏使机械密封液温度急剧升高。这些都使机械密封动环和静环及贴和面得不到很好的冷却，使动静环过热而损坏。运行中多次发生由于机械密封管系泄漏导致给水泵跳闸，也加重了机械密封的磨损。因此对机械密封装置管系的焊接质量提出了更高的要求。
2.2 给水水质对机械密封装置的影响。由于机械密封装置对水质的要求较高，当水质恶化时，由于机械密封装置的循环管系比较细，使机械密封装置急易堵塞造成机械密封液温度升高；当给水泵在低转速运行时，当水质恶化时，由于高鲁皮夫（Golubiev）反向螺旋槽的提升压力较低，使杂质不能被水及时带走，导致杂质沉积在机械密封贴和面处，划伤机械密封动静环的贴和面，使机械密封泄漏。因此必须加强机组启停机和正常运行的水质的监督。
2.3 运行方式对机械密封装置的影响。
2.3.1 当机组处于经常性的负荷调整，使给水泵处于变工况状态或给水泵经常处于启停状态时，导致给水泵泵轴的瞬间窜动，使给水泵动静环间的贴和面间隙过小，不足以形成流动膜，而造成动静环的干摩擦，使机械密封装置损坏。
2.3.2 当给水泵处于正常备用状态时，此时该泵静止。由于泵备用时必须投入暖泵装置，这时虽然投入了机械密封装置的冷却水，但由于泵组未转动，因此机械密封装置中的水不可能流动，所以机械密封装置的石墨环（静环）处于100℃以上的高温中，而当备用泵联启立即带负荷时，100℃以上水突然流动起来经过冷却器后变成30℃以上的回水流过机械密封装置的石墨环，使石墨环骤冷而产生裂纹，导致机械密封装置泄漏。因此在泵组正常备用时可加一个小的循环泵使机械密封装置的水流动起来，避免上述现象的发生。
3.水泵密封存在问题的成因分析
3.1 泵轴的轴向窜量大
平衡盘平衡轴向力的工作原理平衡盘工作时自动改变平衡盘与平衡环之间的轴向间隙b，从而改变平衡盘前后两侧的压差，产生一个与轴向力方向相反的作用力来平衡轴向力。由于转子窜动的惯性作用和瞬态中开泵工况的波动，运转的转子不会静止在某一轴向平衡位置。平衡盘始终处在左右窜动的状态。平衡盘在正常工作中的轴向窜量只有0105～011mm，满足机械密封的允许轴向窜量015mm的要求，但平衡盘在泵启动、停机、工况剧变时的轴向窜量可能大大超过机械密封允许的轴向窜量。泵经过长时间运行后，平衡盘与平衡环摩擦磨损，间隙b随着增大，机械密封轴向窜量不断增加。由于轴向力的作用，吸入侧的密封面的压紧力增加，密封面磨损加剧，直至密封面损坏，失去密封作用。吐出侧的机械密封，随着平衡盘的磨损，转子部件的轴向窜量大于密封要求的轴向窜量，密封面的压紧力减小，达不到密封要求，最终使泵两侧的机械密封全部失去密封作用。
3.2 中开泵轴的挠度偏大
机械密封又称端面密封，是一种旋转轴向的接触式动密封，它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴心线的密封端面紧密贴合、相对旋转，从而达到密封效果，因此要求两个密封之间要受力均匀。但由于泵产品设计的不合理，泵轴运转时，在机械密封安装处产生的挠度较大，使密封面之间的受力不均匀，导致密封效果不好。
3.3 没有辅助冲洗系统或辅助冲洗系统设置不合理
机械密封的辅助冲洗系统是非常重要的，它可以有效地保护密封面，起到冷却、、冲走杂物等作用。有时设计员没有合理地配置辅助冲洗系统，达不到密封效果；有时虽然设计人员设计了辅助系统，但由于冲洗液中有杂质，冲洗液的流量、压力不够，冲洗口位置设计不合理等原因，也同样达不到密封效果。
4.解决对策
4.1 消除泵轴窜量大的对策
合理地设计轴向力的平衡装置，消除轴向窜量。为了满足这一要求，对于多级离心中开泵，比较理想的设计方案有两个：一个是平衡盘加轴向止推轴承，由平衡盘平衡轴向力，由轴向止推轴承对中开泵轴进行轴向限位；另一个是平衡鼓加轴向止推轴承，由平衡鼓平衡掉大部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承承担，同时轴向止推轴承对中开泵轴进行轴向限位。第二种方案的关键是合理地设计平衡鼓，使之能够真正平衡掉大部分轴向力。对于其它单级中开泵、中开中开泵等产品，在设计时采取一些措施保证中开泵轴的窜量在机械密封所要求的范围之内。
4.2 消除中开泵轴挠度偏大的对策
首先，减少两端轴承之间的距离。中开泵叶轮的级数不要太多，在中开泵总扬程要求较高的情况下，尽量提高每级叶轮的扬程，减少级数；其次，增加中开泵轴的直径。在设计中开泵轴直径的时候，不要简单地仅考虑传递功率的大小，而要考虑机械密封、轴挠度、起动方法和有关惯性负荷、径向力等因素。很多设计员没有充分认识到这一点。
4.3 增加辅助冲洗系统
[关键词]污水泵 填料密封 机械密封 改造
污水处理工程是环境保护的重要项目,而污水泵作为污水处理工程的主要配套设备被广泛应用于城市排污、矿山、冶金、电力以及石化等污水处理作业,发展前景广阔。污水泵产品除了要求技术性能好之外,密封是污水泵的关键,必须可靠性高,污水泵无故障运行时间长。污水泵在工作中,密封一旦失效,外部介质或油室中的油便会进入电机腔,引起潜水电机缺相、短路、漏电、烧坏电机,甚至影响人身安全。因此,为了进一步提高污水泵使用的安全性、运行可靠性以及提高污水泵无故障运行时间,有必要对污水泵通常使用的机械密封进行结构分析,实行改进。
一、常用的密封形式及不足
目前,污水泵产品常用的密封形式有两种:填料密封和机械密封。填料密封,如图1所示,是最古老的一种密封结构,发源于工业革命之前的传统密封装置,有着100年的材料工艺、剂系统和制造方法,并保持持续进步,目前很多的应用场合。经分析,该软填料密封结构存在如下缺陷:
图1 填料密封的结构示意图1.密封介质含有的杂质严重影响密封性能。杂质进入软填料密封内部,进一步增大了填料密封和轴套之间的摩擦、磨损。虽然材料耐磨性较好,但是使用效果仍然不佳,泄漏频繁。另外由于没有采用封液对填料密封进行冷却,也加剧了填料与轴套之间的磨损。
2.工作状态不稳定需频繁调整和更换填料。由于软填料自身具有的粘弹特性,在工作状态下会出现明显的应力松弛。为保持其正常的密封功能,需不断地通过压紧压盖来增大填料与轴的径向接触力,同时也增大了软填料与轴的磨损,因此不得不经常更换(或添加)填料,维修工作量和费用大大增加。
3.磨损严重致使能耗量大。根据软填料密封的工作机理,填料密封与轴(或轴套)之间必须保持较大的径向接触压力以维持密封,因此填料和轴(或轴套)的摩擦、磨损都很严重,在密封很快失去工作能力的同时,造成相当大的能耗浪费。
机械密封具有摩擦功率损失小、寿命长、不泄漏等诸多优点,目前已在水泵上广泛应用。要把填料密封结构的水泵改造成机械密封结构需从设计、结构和加工几方面考虑。
文献讨论了污水泵工况时软填料密封的失效原因,并提出了改进的方案,有一定的借签和实用价值;机械密封亦称端面密封,其有一对垂直于旋转轴线的端面,该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下,依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合,并相对滑动,从而防止流体泄漏。
污水泵中常用的机械密封结构有两种形式:一种方案是在潜水污水泵的油室里安装一套双端面机械密封(见图2);另一种方案是在污水泵油室里设置一套单端面机械密封,而另一套设置在泵腔,使用在所抽送的污水介质中。
图2 机械密封的结构示意图
1―轴套;2―动环辅助密封圈;3―动环;4―密封垫片;5―静环;6―静环辅助密封圈图机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副,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。压紧元件产生压力,可使泵在不运转状态下,也保持端面贴合,保证密封介质不外漏,并防止杂质进入密封端面。图2所示为双端面机械密封,水泵侧与电机侧两道密封端面都是靠弹性构件-弹簧和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面上产生适当的压紧力,使这两个密封端面紧密贴合,端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。其中水泵侧密封端面与电机侧密封端面结合处B,是密封点,防止所抽介质进入油腔,防止油腔内的油进入电机腔;6为静环与压盖端面之间密封点, A处是动环与轴配合面之间的密封点,C是箱体间的密封。
图2中,A、B、C所示结构机械密封最容易出现泄露现象,由于使用介质的复杂性,易使抱轴橡胶老化,一旦出现老化就直接影响弹簧传动而使得密封失效,同时,两端面密封都得靠同一个弹簧产生压力,若其中一边端面接触失效,整套密封也就失效。因此,这种机械密封一直存在失效快、返修率高的不足之处,直接影响到泵使用寿命。
机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件,它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的,同时通过其基本原理可以看出,机械密封的正常运行是有条件的,例如:泵轴的窜量不能太大,否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压;机械密封处的泵轴不能有太大的挠度,否则端面比压会不均匀等等。只有满足类似这样的外部条件,再加上良好的机械密封自身性能,才能达到理想的密封效果。
因此,在实际应用中,以机械密封来代替填料密封的情况越来越多。
二、填料密封的机械密封改造
1.改装方法
污水泵填料筒的径向尺寸和轴向尺寸较小,影响了机械密封的安装。在满足强度的情况下,将填料筒的内径相应地扩大;若有轴套,可将轴套的外径相应地缩小或将轴套拆除。
2.主要尺寸确定
(1)确定传动套或弹簧座在轴套上的位置。如图3所示。为了防止传动套或弹簧座同填料内套端面碰,把安装机械密封的起点尺寸定为[H-K=5～15mm]。
(2)确定轴套总长度。轴套的总长度一般比原来的总长度稍稍长一点。因为考虑到轴套尾端部分要伸出密封压盖5～10mm左右,以利于安装方便。尺寸根据设计的密封压盖厚度而定。
(3)确定传动套或弹簧座在轴套上的定位尺寸D:D=L-[H-K-(5-10)+l]。
图3 填料箱结构尺寸简图
1.填料箱平面 2.填料箱壳体 3.填料内套 4.轴套 5.轴 6.密封圈 E.内套端面 H.填料箱深度 L.套筒长度
(4)轴套与轴的密封。轴套与的形圈轴的密封可采用聚四氟乙烯车制成直径为3mm的O形圈来进行密封。安装机械密封的轴套,要求具有良好的抗腐蚀性和耐磨性,对于放置动环密封圈的轴套表面要求镀铬处理,表面粗糙度为0.8。
(5)密封压盖结构尺寸的确定。机械密封的静环装在压盖上。压盖上安装静环的各种配合尺寸均按静环的几何尺寸进行设计,结构可参照机械密封有关资料。
3.改造技术要求
(1)安装机械密封部位的轴或套。轴或套的径向跳动0.04～0.06mm;表面粗糙度不低于0.8,轴或套外径尺寸公差为h7;密封轴套端部必须做倒角并修光滑。
(2)密封压盖。密封压盖应有足够的厚度,防止在液体压力作用下产生变形;密封压盖固定螺栓不少于3个;与静环密封圈接触部位的表面粗糙度不低1.6,其接触面对轴中心线跳动允差±0.04mm;安装静环密封圈的端部必须做倒角并修光滑。
(3)转子。瞬时轴向窜动量不超过±0.15mm;轴向游动量不超过±0.1mm轴振动量不超过±0.05mm。
(4)密封腔。密封腔与密封压盖配合的止口跳动允差为0.04～0.08mm;密封腔与密封压盖配合的端面跳动允差为 0.06～0.08mm。
三、机械密封结构改造
将图2中C处密封面是机械密封最容易发生泄露处,而锥面机械密封特别适合于含有固体悬浊物的泵送设备,因此将C处改为锥面密封,如图4所示。静环材料为填充聚四氟乙烯,动环材料为不锈钢,锥面喷涂碳化钨。其主要特点为:
1.锥面机械密封的动环为一锥环,其半锥角为α;静环的内径R1为定值,随着静环的磨损接触母线长度T增长,静环的外径R2也随之增大,R2=R1+2T sinα。
2.密封接触面母线长度很短(稳定运转初期为0.3～0.5mm),因此接触端面内外温差小,温升低,降低了粘着磨损的程度。静环具有较大的抗压截面,压力变形小。
3.密封套和动环都具有一定的浮动性,可使密封面始终保持良好的接触状态,介质中的悬浮颗粒不易进入密封面。
4.介质泄漏方向与其离心力方向成一定角度,对减少泄漏有利。
锥面机械密封的密封比压计算为:
pc=ps+p1(G-λ)在上式中:pc―密封比压,MPa;ps―弹簧比压,MPa;p1―介质压力,MPa;G―载荷系数;λ―反压系数(可根据文献中[5]推荐值选取)。
在设计中注意G与接触母线T的关系,当锥面机械密封的静环磨损后,接触母线长度T不断增加,使得载荷系数G不断减小。图5所示为接触母线长度T与载荷系数G的关系曲线,运转过程中,静环磨损和G值降低所造成的卸载,使密封比压pc降低。由此而产生泄漏时,必须通过调节弹簧压缩量(弹簧加载)来维持足够的密封比压。
机械密封在运转中,弹簧一般不再进行调整。弹簧在锥面机械密封中起着补偿密封环磨损卸载和G值降低卸载双重作用,设计中正确确定弹簧比压是保证密封性能和使用寿命的重要一环。
四、结束语
改造后的密封结构,密封可靠,泵在运转中基本不漏,调节维护方便。提高了密封性能,延长了运行周期,节省了检修费用。经过上述改造之后的污水泵运行良好,延长了设备的连续运行时间。
参考文献:
[1]郝木明,顾永泉.密封填料的粘弹特性及其对密封性能的影响[J].化工机械,1995, 22(5): 277 282.
[2] 赵丹峰.污水泵用软填料密封改造[J]. 化工机械, 2008,35(4):244-245.
[3]田应雄,徐德东.关于液下污水泵轴封结构的改造[J].通用机械, 2008.73-74.
关键词：含能材料;固体推进剂;实验教学;燃速
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）06-0246-02
一、前言
随着高等教育体制改革的逐步深化，要求高校培养出来的人才在知识结构和能力上都具有较高的素质。实验教学是高等教育中培养具有创新能力、高素质人才的一个重要环节，越来越受大家的关注。
含能材料应用于陆、海、空及二炮各类武器系统，是完成发射、推进和毁伤的能源材料。随着现代战争对武器装备性能要求的进一步提高，对炸药、推进剂和发射药等含能材料的性能提出了更高的要求。国防科学技术大学军事化学与烟火技术专业开设了《含能材料及性能测试》课程，主要介绍含能材料的配方特点、性能测试的基本原理及测试方法，为硕士论文的研究工作及今后从事含能材料研制工作打下良好的基础。
实验教学作为学生创新意识和创新能力培养手段，已经越来越受到人们的关注[1，2]。固体推进剂燃速测试是《含能材料及性能测试》课程的实验教学内容之一，为提高教学效果，对实验教学方法进行了改革探索。
二、主体式实验教学方法
传统的实验教学是实验教师提前把实验所用的仪器设备准备好，由教师讲解实验目的、实验原理、实验步骤等内容。然后学生操作，得到实验数据，完成实验报告。在这种教学模式下学生思维只能跟教师走，学生虽然参与了实验教学活动，但实质上是处于被动接受的状态，这导致许多学生的实验技能和动手能力较差，而动手能力差又使学生畏惧实验课[3]。学生的主动性、积极性都受到一定的限制，创新能力和设计思想等各方面能力也无法得到训练。无法满足培养研究生的自主动手能力、实验方法设计能力和今后从事科研工作解决问题的能力的要求。
实验教学方法改革主要是改变不顾学生的个体差异，忽视学生的个性、能力、兴趣，按同一模式进行教学的方式。深化实验教学对学员动手能力、知识运用能力、分析解决问题能力和团队精神的培养，在实验教学过程中必须体现学员的主体地位，以此作为实验教学的出发点。
教学过程中进行分组，本组人员共同准备实验，并由担任组长的同学负责该实验设备的调试和实验过程讲解。教师对学生提实验要求、提供实验材料，负责实验设备调试指导、讲解要点补充和检查实验结果。使学生自己有目的、有步骤地去设计实验，完成实验任务，不再是简单、被动地验证基础知识，而是激发了学习的主动性，充分发挥了想象力和创造力，从而培养了学生的创新能力。
引导学生对实验过程的分析和处理能力，实验过程中可能会出现点火失败或测试数据错误的现象。此时，要鼓励学生通过讨论、分析实验中出现的现象，通过思考找出解决问题的方法。虽然实验过程中会出现许多问题，但正是这些问题的出现，提高了学生综合处理问题的能力。
三、固体推进剂燃速测试实验过程
燃速[4]是表征固体推进剂燃烧性能的一个重要参数，有两种表示方法，即线性燃速和质量燃速。线性燃速是指垂直于推进剂燃面的方向上，单位时间内推进剂被烧掉的长度。燃速压强指数是评定推进剂燃烧稳定性的重要指标之一，代表压强对推进剂燃速的影响程度。
靶线法测试原理是将包覆的试样钻孔穿入靶线，在规定的试验压强和温度下，记录试样在氮气中燃尽靶距长度所需的时间，计算出燃速。根据一定温度下不同压强下的燃速，可以计算出燃速压强指数。
首先由主讲教师在课堂上集中讲授固体推进剂靶线法燃速测试实验的目的、原理、注意事项，试样的制备方法和要求。根据研究生人数，分组，每组3～4人，分组轮流实验。
采用开放实验室方式，对定时、定人、定内容的实验教学进行改革。学生分组后，可以与教师预约实验室，利用课余时间到实验室进行实验准备，实验准备工作包括推进剂试样的包覆、压强传感器的标定、燃速仪燃烧室气密性的调试、燃速仪控制系统的操作等。这些工作需要运用多种课程知识，如推进剂试样的包覆涉及高分子化学的知识，压强传感器的标定涉及机械、控制相关知识，燃烧室气密性调试涉及机械知识，控制系统的操作涉及计算机软件、自动控制的相关知识，可以培养学生动手能力、集成和测试能力。
在实验准备过程中，教师按照GJB770B-2005《火药试验方法》的要求指导，培养了学生严谨的科学精神。教师设计一些科研活动中与实验相关的内容，引导学生在实验过程中对这些问题进行思考，使学生通过实验达到对基本知识、技能的系统化和完整化。
实验时，由各组学生负责介绍实验的基本原理、操作步骤、注意事项等内容，对于学生介绍不全面的内容或介绍有错误的内容，教师进行补充。教师指导学生的操作，发现问题及时给予原理性或方法性的引导。提倡同组学生间的沟通与合作，解决遇到的问题和难题。例如采用靶线法测试富燃料推进剂的燃速时，第一靶线和第二靶线的低熔点丝同时熔断，可能是由于燃烧后的残渣掉落，造成实验测试失败。针对这一实验现象，引导学生分析原因。学生通过小组讨论，认为由于富燃料推进剂中氧化剂含量低，金属含量高，燃烧后有大量炽热的金属残渣，金属残渣可能同时熔断两个靶线;另外，燃烧产物具有较强的导电性，造成测试系统采集的信号有干扰。采用绝缘胶布保护第一靶线和第二靶线的低熔点丝，有效防止了金属残渣同时熔断两个靶线，提高了实验的成功率。通过这种主体式实验教学，不仅锻炼了学生的专业技能，也提高了学生团队合作、理论联系实际的能力，从而提高了学生的综合素质。
实验结束后，由实验小组同学共同完成实验报告。实验报告的评定除了考核具体的诸如实验目的、实验原理、实验步骤和实验结论是否准确，重点放在实验的思考与讨论上，因为这部分最能体现学生对相关知识的理解，体现学生分析和解决问题的能力。每一小组实验方案不完全相同，最终的实验报告也会有所不同，这就避免了实验报告的雷同现象。实践表明，这种考核方式能明显地调动学生学习的积极性，增强思考和团队合作的能力。
四、主体式实验教学的优势
以能力培养为核心的主体式实验教学是创新的教学方式，学生能够亲自动手操作，现场亲身感受;进一步加深了学生对固体推进剂燃速测试知识的理解与掌握，较好地巩固了专业理论课程的教学效果;实验综合性强，很好地锻炼了学生综合利用知识解决实际问题的能力;扩大了学生自主实验的空间和想象，激发了学生的自主思考与创新意识;实验需要多人共同协作完成，培养了学生的团队协作能力。主体式实验教学具有以下优势。
1.教学与科研实践密切结合。通过科研项目中涉及的不同燃烧性能的固体推进剂药条燃速测试，加深学生对固体推进剂燃烧性能测试基本原理和概念的认识与理解，培养理论和实际相结合的良好作风，在锻炼学员动手能力的同时，训练其科研思路。
2.促进学员主动探索和分析问题。不同配方固体推进剂在相同压强下的燃速不同，同一配方固体推进剂在不同压强下的燃速也不同，促使学生进一步深入思考引起燃速差异的原因，激发他们进行深入研究和进一步探索的积极性。提高他们独立分析、归纳、总结的能力，激发他们继续探索的热情，培养各方面分析问题的能力。
3.实验设计的拓展性强。此实验教学可起到启发的作用，学生可以通过自学或交流，更深入地了解与燃烧性能测试相关的知识，如压强传感器的标定原理、靶线计时原理、恒压原理和机械密封原理。极大地拓宽了学生的知识面。
深入研究和大力推广主体式实验教学有利于提高研究生课程实验的教学效果。
参考文献：
[1]陈德碧，杨帆.应用型人才培养的实验教学改革实践[J].实验科学与技术，2010，8（4）：42-43，133.
[2]易昆南，于菲菲.在综合性、设计性实验中培养学生的创新能力[J].实验技术与管理，2007，24（8）：8-9.
