1密封技術(shù)現(xiàn)狀

    1.1橡塑密封[3-10]

    1.1.1新材料和新工藝的應(yīng)用

    新材料和新工藝的應(yīng)用推動(dòng)了橡塑密封技術(shù)的快速發(fā)展，不僅使橡膠材料擁有了良好的低摩擦性能，而且還使橡膠材料具有高強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)。如，20世紀(jì)70年代美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)了氟彈性體Kalrez（稱(chēng)為全氟醚橡膠），日本大金公司和前蘇聯(lián)也開(kāi)發(fā)出此類(lèi)產(chǎn)品。該橡膠具有聚四氟乙烯的耐熱、耐化學(xué)穩(wěn)定，能耐氟溶劑以外的一切溶劑，由全氟醚橡膠加工的密封制品可以在260~290℃下長(zhǎng)期使用，間斷使用溫度可達(dá)到315℃，是目前耐熱性能最好的氟橡膠。特種工程彈性體（ACM、ECO、FKM、HNBR等）在特殊工況下取代NBR等低性能耐油橡膠；對(duì)橡膠表面進(jìn)行低摩擦化改性處理，如噴涂PTFE氟塑料涂層或采用FEP（氟化丙烯）和PFA（全氟化合物）等氟塑料包覆橡膠來(lái)制造低摩擦、高耐磨橡膠，提高產(chǎn)品耐介質(zhì)性能（溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿）以及抗壓和耐溫等級(jí)；橡塑材料的極限化改性和納米技術(shù)改性，可提升橡塑材料力學(xué)性能和賦予一些特殊功能。由杜邦公司研發(fā)生產(chǎn)的高性能全氟橡膠FFKM具有耐高溫、耐燃?xì)夂蛷?qiáng)烈的化學(xué)腐蝕，彈性好，壓縮永久變形低，彈性好等優(yōu)點(diǎn)，在化工、食品、印刷、半導(dǎo)體等行業(yè)應(yīng)用。

    與此同時(shí)，新材料和新工藝的應(yīng)用也使工程塑料具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐溫性能，主要包括：

    (1)聚氨酯（PU）材料的高性能化：一是提高其高低溫性能、壓縮永久變形性能以及耐介質(zhì)性能，如Parker公司的改性PU可長(zhǎng)期耐溫120℃。二是對(duì)PU進(jìn)行低摩擦化改性，如Simrit公司獨(dú)家推出用自潤(rùn)滑材料浸潤(rùn)獲得的PU92AU21100，具良好的潤(rùn)滑性，耐超低溫性能達(dá)到了20K（-253℃）。

    (2)聚四氟乙烯（PTFE）復(fù)合改性與應(yīng)用：為了克服PTFE的某些物理性能方面的缺陷，采用PTFE材料為基體與各種有機(jī)或無(wú)機(jī)填料復(fù)合，如石墨、銅粉、碳纖維（CF）、聚酰亞胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚甲醛（POM）和聚苯硫醚（PPS）等材料復(fù)合，開(kāi)發(fā)出適用于不同應(yīng)用情況下的產(chǎn)品。膨體聚四氟乙烯是將聚四氟乙烯經(jīng)拉伸、膨化后形成的具有強(qiáng)韌而多孔型、高度纖維化的新材料，不但保持了聚四氟乙烯本身獨(dú)特的化學(xué)穩(wěn)定性、極低的摩擦系數(shù)、廣闊的操作溫度，而且它的微纖維化內(nèi)部結(jié)構(gòu)更使其制品具有超乎想象的堅(jiān)韌性。

    (3)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的應(yīng)用：UHMWPE具有自潤(rùn)滑、耐磨損、耐沖擊、耐溶劑、耐低溫、不粘、憎水和衛(wèi)生等優(yōu)異性能，制造耐磨運(yùn)輸、設(shè)備襯里、機(jī)械零件，如推土機(jī)刮板、挖土機(jī)的內(nèi)襯，自卸船貨倉(cāng)內(nèi)襯板，用途十分廣泛。

    1.1.2密封系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)

    (1)新型油封[6]：該油封由Simrit公司獨(dú)家推出，配備有測(cè)試密封（旋轉(zhuǎn)密封）泄漏量的傳感器，可用于設(shè)備泄漏的在線(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)。

    (2)EVD智能密封[7]：該密封由Hunger公司獨(dú)家推出。液壓缸密封件磨損和變形后，通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用裝置，調(diào)節(jié)密封件（彈性體）的內(nèi)部壓力，自動(dòng)調(diào)整密封件的壓縮量，恢復(fù)密封功能。該結(jié)構(gòu)可用于可靠性要求非常高的裝備（如伺服液壓缸、水力液壓缸），已經(jīng)在大型水

    電站液壓系統(tǒng)、海洋鉆井平臺(tái)等密封件拆裝十分復(fù)雜的場(chǎng)合得到應(yīng)用。

    (3)SETCOAirShieldTM密封[8]：采用新型SETCOAirShieldTM密封的主軸集成了摩擦密封與迷宮式密封的優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣切向送入固定前軸承座的循環(huán)槽，與主軸一起構(gòu)成一個(gè)封閉的迷宮。當(dāng)空氣在槽內(nèi)環(huán)繞主軸流動(dòng)時(shí)，類(lèi)似于渦流的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生均勻的壓力，散發(fā)流量均勻的氣流。其與柔性密封唇結(jié)合，外泄汽流會(huì)將污物從主軸，主要是軸承處吹走。

    (4)聚四氟乙烯密封件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：PTFE密封件衍生出許多新結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于往復(fù)密封、旋轉(zhuǎn)密封和靜密封，如AQ封、PTFE-V型圈、泛塞封等。

    (5)流體動(dòng)力效應(yīng)結(jié)構(gòu)[9]：密封件的摩擦界面上開(kāi)設(shè)流體動(dòng)力螺旋槽，油膜將受到槽的泵汲作用，避免了泄漏。動(dòng)力槽不僅已經(jīng)應(yīng)用于油封，而且在往復(fù)密封件上也有應(yīng)用。如NOK-Freudenberg公司的新型低摩擦聚氨酯Y型圈LF300內(nèi)密封唇下部設(shè)計(jì)為波浪形摩擦界面，根部采用楔形倒角（見(jiàn)圖2），抗縫隙擠出能力強(qiáng)，具有儲(chǔ)油能力強(qiáng)、摩擦力小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和密封能力強(qiáng)等特點(diǎn)，壓力達(dá)到10MPa時(shí)的摩擦力較同類(lèi)Y形圈要小得多。    

圖2NOK-Freudenberg公司的新型LF300密封

    (6)計(jì)算機(jī)模擬仿真設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)[10,11]：通過(guò)采用有限元分析（FEA）和ANSYS等商業(yè)軟件，模擬應(yīng)用條件下密封件的接觸應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整消除邊緣應(yīng)力集中或應(yīng)力峰，使整體應(yīng)力分布均勻，摩擦界面上的潤(rùn)滑油膜更易形成且不易擠出，因此摩擦力降低，

    耐磨性能提高，使用壽命延長(zhǎng)。此外，計(jì)算機(jī)模擬仿真設(shè)計(jì)還可節(jié)省大量試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和人力、物力，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高可靠性。

    1.1.3制造工藝、設(shè)備及檢測(cè)技術(shù)

    目前，密封件生產(chǎn)裝備和檢測(cè)技術(shù)正朝著自動(dòng)化、低成本和高可靠性的方向發(fā)展。

    (1)高效混煉設(shè)備。全自動(dòng)控制的密煉機(jī)系統(tǒng)結(jié)合轉(zhuǎn)子改型，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能高效，減少了對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)制造出了高品質(zhì)的混煉膠料。

    (2)高效、先進(jìn)、高品質(zhì)的橡膠注射成型加工技術(shù)。

    Parker公司生產(chǎn)O型圈，采用注射機(jī)做出飛邊很小的產(chǎn)品，配合液氮冷凍修邊、塑料粒修邊及水石洗這三道工序，產(chǎn)品外觀(guān)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。

    (3)先進(jìn)的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。Freudenberg等公司采用KMK公司開(kāi)發(fā)的第三代新型光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，完全取代了人工檢測(cè)，成功地將密封件的質(zhì)量檢測(cè)完全集成到生產(chǎn)過(guò)程中，這種圖像處理系統(tǒng)達(dá)到了極高的檢測(cè)速度和檢測(cè)精度，可檢測(cè)密封件表面最微小的缺陷，如裂縫、氣泡、雜質(zhì)和滑移線(xiàn)等。

    (4)國(guó)內(nèi)密封件企業(yè)也引進(jìn)了測(cè)量油封唇口張力為主要依據(jù)的油封檢測(cè)裝置，以檢測(cè)氣壓變化測(cè)量油封唇口密封性能的氣敏檢測(cè)儀，具有較高的檢測(cè)速率，每小時(shí)可檢測(cè)1200～1800個(gè)油封。

    1.1.4模具設(shè)計(jì)與加工工藝

    (1)模具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)：目前，模具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)正朝信息化、數(shù)字化、無(wú)圖化、精細(xì)化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，要求生產(chǎn)廠(chǎng)家既要重視設(shè)計(jì)軟件的二次開(kāi)發(fā)，還要具備模具型腔材料的加工流動(dòng)性分析能力。

    (2)加工制造與工藝：目前我國(guó)加工制造方面已普遍采用了數(shù)控裝備，專(zhuān)業(yè)模具制造公司已基本實(shí)現(xiàn)全數(shù)控化，模具精度、表觀(guān)質(zhì)量均達(dá)到相當(dāng)高的水平，大大提高了生產(chǎn)效率。

    (3)一體化加工：橡塑密封模具的加工目前已經(jīng)采用加工中心，這種中心集裝卡、粗/精加工于一體，具有高功率、高速、高精度和高效率的特點(diǎn)，可一次加工五面。

    1.2機(jī)械密封

    1.2.1泵軸端新型機(jī)械密封

    (1)潤(rùn)滑槽密封[12]：“潤(rùn)滑槽”（LubricationGroove）就是在密封面上沿切線(xiàn)方向刻出窄槽。當(dāng)流體流經(jīng)密封面時(shí)，這些槽能改善流體在密封面上的壓力分布，有助于保持端面間的液膜穩(wěn)定并防止液膜汽化。“潤(rùn)滑槽”型式密封是由Flowserve公司生產(chǎn)的。

    (2)流體動(dòng)壓墊/熱流體動(dòng)壓楔密封[13]：在動(dòng)靜環(huán)的任一密封面上從外緣沿徑向朝里開(kāi)出凹槽或企口，當(dāng)密封工作時(shí)，凹槽及其周邊因流體冷卻產(chǎn)生變形較小，而遠(yuǎn)離凹槽的端面因冷卻程度低而產(chǎn)生較大變形，因此在端面上產(chǎn)生周向波度而引起流體動(dòng)壓效應(yīng)，即流體動(dòng)壓墊（HydrodynamicPad）。凹槽深度可以從幾μm到3mm，一般為0.8～2.4mm。這種型式密封最初由Bergmann公司生產(chǎn)，已在循環(huán)水泵軸端密封上應(yīng)用長(zhǎng)達(dá)50年而經(jīng)久不衰。

    (3)上游泵送密封[14,15]：在動(dòng)靜環(huán)的任一密封面的下游或低壓側(cè)上加工出螺旋槽等型槽，當(dāng)密封工作時(shí)，受型槽動(dòng)壓效應(yīng)作用很少量流體從密封面下游被泵送至上游，若該剪切流完全抵消密封面的上下游壓差引起的流動(dòng)時(shí)，則密封可以達(dá)到零泄漏。這類(lèi)密封稱(chēng)為“上游泵送密封”（Up-streamPumpingSeals），由美國(guó)JohnCrane公司發(fā)明，常用于易燃、易爆、有毒和潤(rùn)滑性差的介質(zhì)密封。

    (4)干氣密封[16,17]：非接觸式干氣端面密封概念（Drygasfaceseal）的提出始于1969年，它是在氣體潤(rùn)滑軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其中以螺旋槽密封最為典型。

    干氣密封在結(jié)構(gòu)方面與普通機(jī)械密封的主要區(qū)別在于：干氣密封動(dòng)、靜環(huán)任一密封面上精加工有均勻分布的淺槽，槽深度一般小于20μm。由于干氣密封的非接觸、使用壽命長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)零泄漏，因此正在一些易汽化介質(zhì)泵軸封上成為主流。常見(jiàn)型槽形式如圖3所示。

    (a)JohnCrane公司干氣密封（左-單向螺旋槽，右-雙向螺旋槽）

    (b)JohnCrane-Timing公司干氣密封（上-單向雙列螺旋槽，下-雙向棕樹(shù)槽）

    (c)Flowsever公司干氣密封（上-單向螺旋槽，下-雙向T型槽）

圖3典型干氣密封的端面型槽多孔端面密封[18-22]

     多孔端面密封是在動(dòng)靜環(huán)的任一密封面上加工出不同分布形式的微孔，這些微孔的大小、深度和分布密度因密封介質(zhì)、泵操作條件的不同而不同。每一個(gè)微孔的作用就像一個(gè)微型軸承，因此產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)使端面保持近接觸或完全非接觸。試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，與普通機(jī)械密封相比具有低功耗、低磨耗、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，可用于氣體或液體。典型多孔端面密封常采用激光精密加工而成，如圖4所示。    

    (a)動(dòng)、靜環(huán)摩擦副

    (b)微孔在端面上的典型分布形式  

圖4多孔端面密封的結(jié)構(gòu)示意圖

    激光面密封[23]：激光臉密封（LaserFaceSeal）與傳統(tǒng)密封端面技術(shù)不同的是，其摩擦端面潤(rùn)滑得到強(qiáng)化，泄漏量得到了控制。密封面上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是回流結(jié)構(gòu)（“眼”）和入口流結(jié)構(gòu)（“鼻”）。由于回流結(jié)構(gòu)對(duì)加工精度要求極高，因此目前難以普及。

    1.2.2壓縮機(jī)軸端新型機(jī)械密封

    (1)油膜螺旋槽動(dòng)壓密封[24-26]：這種型式密封主要包括下游泵送和上游泵送兩大類(lèi)，前者技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以與包括浮環(huán)密封等其他軸封組合，密封面線(xiàn)速度可達(dá)到120m/s，內(nèi)泄漏量接近于零，該密封系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)工業(yè)用高速壓縮機(jī)上實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期、微泄漏、微磨

    損，其性能全面超過(guò)進(jìn)口的機(jī)械密封產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著；后者技術(shù)尚待完善，主要是端面最佳幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)和內(nèi)泄漏量大小的控制（確保端面潤(rùn)滑并防止結(jié)焦）。

    (2)干氣密封（DGS）：壓縮機(jī)用干氣密封在基本結(jié)構(gòu)上與泵用干氣密封類(lèi)似，但是也有根本區(qū)別。在選擇單向螺旋槽和雙向螺旋槽時(shí)，應(yīng)綜合考慮壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子兩端具體情況，端面氣體成膜能力、氣膜剛度和承載能力，壓縮機(jī)反向運(yùn)行可能性等。由于使用干氣密封的

    壓縮機(jī)完全不需要復(fù)雜的封油系統(tǒng)，從而顯著地減少了大型壓縮機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，因此目前正取代其他密封形式而成為石化、冶金等行業(yè)高參數(shù)壓縮機(jī)軸封的主流。

    1.2.3表面強(qiáng)化[27-29]

    表面新型物理（含機(jī)械）、化學(xué)處理方法的涌現(xiàn)，使機(jī)械密封端面的表面強(qiáng)化獲得新生，如表面噴涂類(lèi)金剛石（diamond-likecarbon-DLC）膜等。研究表明，DLC膜是一種新型的硬質(zhì)潤(rùn)滑功能薄膜材料，其應(yīng)用的主要缺點(diǎn)在于制備過(guò)程中產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力使膜基結(jié)合較差，膜厚受到限制，在油潤(rùn)滑下不能體現(xiàn)出獨(dú)特的潤(rùn)滑性能，嚴(yán)重影響了薄膜的實(shí)用化。DLC多層膜（multiplayer）、納米復(fù)合膜（nanoscalecomposite）、制備膜基緩沖層（bufferlayer）、梯度膜（compositegraded）以及摻入金屬粒子（Me-DLC）是常用的減少內(nèi)應(yīng)力、改善膜基結(jié)合的方法。其中，Me-DLC膜不僅在緩解薄膜應(yīng)力方面具有良好的效果，不同的金屬粒子及制備工藝手段還顯著改變著薄膜的力學(xué)、摩擦磨損以及各種物理化學(xué)性能，在不同領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。

    另外，對(duì)滑動(dòng)性能和耐久性有強(qiáng)烈要求的O形圈密封環(huán)，近年來(lái)也開(kāi)始采用DLC。用于橡膠的DLC與用于金屬和陶瓷材料的DLC相比，對(duì)柔軟性的要求高。

    因此，對(duì)于橡膠、樹(shù)脂用的DLC，力求能嵌藏裂紋和褶皺、吸收伸縮，以便迎合基底的伸縮[30]。

    1.2.4輔助密封圈的新設(shè)計(jì)

    輔助密封圈的性能除與密封圈材料直接有關(guān)外，還與密封圈的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。最近，JohnCrane公司提出了一種主動(dòng)柔性控制（ADC）輔助密封，可以實(shí)現(xiàn)低載荷，補(bǔ)償可靠，已經(jīng)成功應(yīng)用于壓縮機(jī)用干氣密封中。在某種程度上避免了輔助密封圈因長(zhǎng)期儲(chǔ)存或備用時(shí)與

    軸/軸套產(chǎn)生的黏著，以及黏著引起的端面開(kāi)啟性能下降等問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，特點(diǎn)如下：

    (1)回形彈簧設(shè)計(jì)；

    (2)不需要額外的壓板；

    (3)低摩擦力，滿(mǎn)足低速滑動(dòng)/降速要求。

圖5主動(dòng)柔性控制(ADC)輔助密

     1.2.5推力型式新技術(shù)

    常規(guī)機(jī)械密封的補(bǔ)償環(huán)推力機(jī)構(gòu)一般采用彈簧、波紋管和磁力，為克服上述機(jī)構(gòu)對(duì)軸向尺寸的高要求，滿(mǎn)足密封向高參數(shù)發(fā)展面臨的追隨性和穩(wěn)定性需求，人們發(fā)明了波片彈簧，并為滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需要加工制造出了各種規(guī)格和型式。

    1.2.6密封結(jié)構(gòu)新材料及其生產(chǎn)新工藝

    (1)軟環(huán)材料：機(jī)械密封用軟環(huán)材料已由原來(lái)的普通浸漬樹(shù)脂/金屬石墨等增強(qiáng)型石墨發(fā)展為硅化石墨、氣相沉積碳石墨、BN增強(qiáng)石墨、碳-碳復(fù)合材料等[31]。

    (2)硬環(huán)材料[32-34]：機(jī)械密封用硬環(huán)材料已由原來(lái)的鑄鐵、Al2O3陶瓷、硬質(zhì)合金發(fā)展為綜合性能優(yōu)異的SiC、CrC，并采用物理/化學(xué)沉積法在硬環(huán)摩擦表面沉積耐磨層（如DLC膜），激光溶覆、熱噴涂陶瓷、熱噴熔鎳基自熔合金/熱噴熔鐵基自熔合金、熱噴涂陶瓷/熱噴熔鐵基涂等技術(shù)來(lái)降低成本，獲得高性?xún)r(jià)比的機(jī)械密封基礎(chǔ)件。

    (3)輔助密封圈材料：輔助密封圈材料除了傳統(tǒng)的橡膠類(lèi)材料、普通增強(qiáng)型PTFE復(fù)合材料和柔性石墨外，最近20年人們通過(guò)在上述基體材料中填充各種微納尺度的粒子、纖維和新型樹(shù)脂，并通過(guò)應(yīng)用新的表面處理技術(shù)與方法對(duì)填料表面進(jìn)行處理，大大提高了填料與基體材料之間的相容性，從而提高了傳統(tǒng)橡塑材料的力學(xué)性能、熱性能和摩擦性能，使密封圈的性能穩(wěn)定性、耐磨性和耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了原有的橡塑輔助密封圈[35,36]。另外，聚醚醚酮（PEEK）、超高分子聚乙烯（UHWPE）、聚苯硫醚（PPS）、聚甲醛（POM）等樹(shù)脂材料以及全氟橡膠（FFKM）和氟塑料包覆橡膠作為密封新材料，已經(jīng)得到成功應(yīng)用[37,38]。

    1.2.7其他機(jī)械式軸封進(jìn)展

    (1)迷宮密封[39]：由簡(jiǎn)單的梳齒結(jié)構(gòu)發(fā)展為直筒密封和碳環(huán)密封。

    (2)浮環(huán)密封[40]：由簡(jiǎn)單的浮環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)展為螺旋浮環(huán)密封。該新型密封針對(duì)浮環(huán)密封和螺旋密封各自存在的問(wèn)題，創(chuàng)造性地將兩種密封型式有機(jī)組合，集中體現(xiàn)兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服兩者的缺點(diǎn)，使密封性能有了很大提高；其次，采用正、反向螺旋槽提高了密封的抗干擾能力；此外，應(yīng)用“直筒式密封及流量控制系統(tǒng)”于該密封裝置中，大大提高了防止工藝氣體反擴(kuò)散能力，降低了緩沖氣的耗量。經(jīng)高爐煤氣回收透平和高壓氫氣循環(huán)離心壓縮機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用表明，與進(jìn)口的傳統(tǒng)密封相比，密封油的內(nèi)泄漏量由原來(lái)的20L/天降至2L/天，封氣耗量由500Nm3/h降至75Nm3/h，工藝氣體的反擴(kuò)散劑量由50ppm以上降至6ppm。該成果獲得2005年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。該新型密封裝置的示意圖如圖6所示。

圖6螺旋式浮環(huán)密封裝置示意圖

    機(jī)械式密封中典型的非接觸式端面密封的型式及其特征如表1所示，常見(jiàn)的流體動(dòng)、靜壓及其組合密封型式如表2所示。

表1典型非接觸式流體密封的型式及其特征

    1.2.8機(jī)械式軸封設(shè)計(jì)理論與方法[41]

    機(jī)械密封及其輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，是一個(gè)系統(tǒng)工程，特別是對(duì)高參數(shù)（高溫、高壓、高速）機(jī)械密封更是如此。設(shè)計(jì)過(guò)程一般是通過(guò)對(duì)已知條件的分析，依據(jù)確定的設(shè)計(jì)計(jì)算原則（常常選擇泄漏量和流體膜剛度為設(shè)計(jì)原則），運(yùn)用CAD技術(shù)，完成對(duì)機(jī)械密封的現(xiàn)代設(shè)計(jì)。目前，國(guó)外著名的密封公司大多擁有自主開(kāi)發(fā)的機(jī)械密封設(shè)計(jì)軟件，如JohnCrane公司的軟件中包含了多個(gè)大型功能模塊，可對(duì)密封性能進(jìn)行模擬仿真，而我國(guó)在這方面的研究開(kāi)發(fā)工作還只是處于起步階段。

    目前，國(guó)外對(duì)干式氣體端面密封的設(shè)計(jì)方法已日趨成熟，而濕式機(jī)械端面密封特別是液體潤(rùn)滑機(jī)械密封的性能預(yù)測(cè)以及設(shè)計(jì)理論與方法因涉及空化、相變、粘度等物性隨溫度和壓力的變化、熱力變形等諸多因素的耦合與解耦使研究難度更大。    

表2非接觸式端面密封的型式及其特征

    1.3填料密封

    1.3.1傳統(tǒng)硬鉻鍍層的替代

    目前，填料密封主要應(yīng)用于閥門(mén)、往復(fù)機(jī)械、液壓氣動(dòng)裝置、部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械和釜等設(shè)備，由于填料與設(shè)備的往復(fù)或旋轉(zhuǎn)桿件之間產(chǎn)生直接接觸和摩擦磨損，因此填料和桿件這對(duì)摩擦副成為影響填料密封工作可靠性、耐久性和穩(wěn)定性的主要因素。

    為提高桿件的耐磨耐蝕性能，以往一般采用硬鉻鍍層，強(qiáng)化與防護(hù)如柱塞/活塞表面、閥桿表面以及氣閥表面等機(jī)械部件的表面，提高填料密封的使用壽命。但是，鍍鉻所生成的廢水、廢渣和廢氣對(duì)環(huán)境有長(zhǎng)久破壞，同時(shí)對(duì)人體健康極其不利，長(zhǎng)期工作在電鍍環(huán)境中可導(dǎo)致人體腎功能衰竭、心率衰竭和白血病，因此目前人們?cè)谑褂没蛱剿餍允褂糜层t替代品。例如，通過(guò)在摩擦件表面沉積抗磨潤(rùn)滑Ni基納米/非晶合金等[42,43]，通過(guò)工藝條件的選擇與控制，在表面上形成功能梯度鍍層材料；通過(guò)物理/化學(xué)氣相沉積法（PVD/CVD），激光真空弧薄膜沉積技術(shù)（VLDT）[44]，超音速氧燃?xì)饣鹧鎳娡浚℉VOF）[45]，超音速等離子噴涂（HEPJet）[46]等技術(shù)與方法，在表面上獲得高致密涂層。鍍層粉料有CrN、CrAlN、CrTiN、NiCo和復(fù)合陶瓷。

    1.3.2填料結(jié)構(gòu)、材質(zhì)與組合

    確保填料密封有效工作，除了摩擦偶件表面達(dá)到一定力學(xué)指標(biāo)之外，填料函形式和填料也是非常重要的因素。

    (1)填料函：為避免結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致相鄰密封產(chǎn)生微動(dòng)磨損和劇烈溫升，要求填料函結(jié)構(gòu)上要采用圓角過(guò)渡形式。

    (2)填料材質(zhì)：以往的填料材質(zhì)主要選用聚四氟乙烯、柔性石墨和石棉石墨盤(pán)根等，限于環(huán)保要求，石棉產(chǎn)品逐漸退出市場(chǎng)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了一些性能優(yōu)異的材料作為填料。比如，氟硅氧烷（FSR）在低溫下具有良好彈性和延展性，而在高溫下性能保持力強(qiáng)；納 米顆粒填充PTFE賦予PTFE良好的綜合摩擦性能；超高分子量聚乙烯UHWPE具有很強(qiáng)的抗磨能力，填充改性可以提高其耐熱性；PEEK是一種很不錯(cuò)的密封材料，既耐磨損、耐熱，又具有抗蠕變性能。

    (3)填料組合：實(shí)踐證明，在同一密封腔內(nèi)填充單一填料的使用壽命一般比填充多種填料短，填料的組合形式對(duì)密封的耐磨性能、密封性產(chǎn)生大的影響。

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