矩形截面弹性密封圈在剖分式机械密封上的应用

有很多机械密封设计方面的文献[1-3]，包括设计手册[4]，可以满足常规机械密封的设计需要，在一些大型的反应釜上使用的机械密封，考虑到其易损件维修更换时因为环形部件的安装需要拆卸轴上的其他部件，这会带来维修周期、成本和劳动强度的很多问题，为此人们一直致力于剖分式机械密封的设计研究以求获得有效的解决办法。已有的工作取得了一些进展[5-7]，但弹性密封圈实现密封所要求的各处连续性、弹性变形量一致性和其具有的伸缩性都没能得到相应的理想处理方案，本文介绍的采用矩形截面弹性密封条通过端部搭接形成弹性密封圈的方案简单易行，效果良好。

1 剖分式机械密封的关键是弹性密封圈的剖分

解决机械密封独立可拆性和独立安装性而不对轴上其他部件产生影响，唯一的办法是对机械密封的易损环形部件进行对开设计或剖分设计，从而能够在现场安装过程中使其依旧成环实现密封效果。密封的关键部件是弹性密封圈，剖分式机械密封的关键设计同样是弹性密封圈的剖分设计。此前的众多研究都是以O形弹性密封圈为前提进行剖分设计，无论是对接，还是搭接、或是粘结，由于弹性体形状尺寸的不确定性，O形弹性密封圈连接部位是无法保证形成的弹性密封圈各处的连续性、变形量的一致性和要求的可伸缩性，如果用矩形截面弹性密封条通过端部合理的搭接设计形成弹性密封圈，那么上述的弹性密封圈的各处连续性、变形量的一致性和要求的可伸缩性问题都迎刃而解。

2 矩形截面弹性密封圈的工作状态分析

矩形截面弹性密封圈是采用矩形截面弹性密封条通过端部搭接结构形成，以轴向密封的动环弹性密封圈或静环弹性密封圈为例，利用图1所示的两种设计结构说明。

图1a是楔形端部搭接结构，图1b是台阶形端部搭接结构。

图1 端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈轴向密封示意
Fig.1 Sketch map of axial seal for lap joint rectangular section elastic seal ring

在轴向密封工作状态，压力方向正好使得搭接重叠的楔形端部或台阶形端部互相紧密贴靠，压力越高，贴靠力也随之增加；设计弹性密封圈的弹性变形量是在径向，而端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈在径向各处尺寸均等，显而易见，这种端部搭接设计允许密封圈存在少量伸缩，搭接面的少量滑动不会产生异常影响，所以这种设计方案同时满足了弹性密封圈各处连续性、变形量一致性以及允许少量伸缩性的存在。

如果剖分设计需要径向密封工作状态，则将是图2所示的两种设计结构。图2a是楔形端部搭接结构，图2b是台阶形端部搭接结构。

同样的道理，在径向密封工作状态，压力方向正好使得搭接重叠的楔形端部或台阶端部互相紧密贴靠，压力越高，贴靠力也随之增加；设计弹性密封圈的弹性变形量是在轴向，而端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈在轴向各处尺寸均等，显而易见，这种端部搭接设计允许密封圈存在少量伸缩，所以这种设计方案同时满足了弹性密封圈各处连续性、变形量一致性以及允许少量伸缩性的存在。

图2 端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈径向密封示意
Fig.2 Sketch map of radial seal for lap joint rectangular section elastic seal ring

图3 示意表达楔形端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈安装在动环和静环上轴向密封的情形，图3a直观表达了动环密封圈在动环中的搭接状态，图3b直观表达了静环密封圈在静环中的搭接状态。

图3 楔形端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈安装在动环和静环上轴向密封示意
Fig.3 Sketch map of axial seal for wedge-shaped lap joint rectangular section elastic seal ring installed on rotary or stationary ring

3 采用上述矩形截面弹性密封圈应注意的几个问题

3.1 弹簧比压

机械密封端面比压Pc等于弹簧比压Ps加上载荷系数作用在端面上的作用力Pb减去端面液膜静压力Pm，如下式：

Pc=Ps-Pm+Pb

端面比压Pc的合理范围0.2～0.6 MPa，而弹簧比压Ps的常规范围是0.2±0.05 MPa，一般情况下对于上述结构设计仅在釜内常压或负压时能够满足。当釜内为正压，加之剖分式机械密封的轴径通常都较大，而且矩形截面弹性密封圈相对于O形弹性密封圈的浮动阻力会有所增加，弹簧比压要高于上面的常规范围，应该在设计时专门计算确定。

3.2 搭接部分长度

矩形截面弹性密封圈是采用矩形截面弹性密封条通过端部搭接结构形成，无论采用楔形端部搭接还是台阶形端部搭接，搭接部分的长度需要综合考虑，应该允许其存在少量滑动的余地，合理的长度也是保证贴合面需要的压力和有效弥合的需要；过长会降低矩形截面弹性密封圈搭接部分的径向变形量的稳定性，加之材料本身的差异，在实际应用中还要根据具体情况确定。

3.3 表面润滑

安装过程中，在矩形截面弹性密封圈上涂敷润滑液是必不可少的。

3.4 矩形槽尺寸

O形弹性密封圈在使用时常常要求其截面积占矩形槽截面积的85%以上，这是出于减少过大窜动，延长寿命的考虑。对于端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈，其密封设计变形量方向尺寸按照变形量要求确定数值，变形量取值范围可以等同于O形密封圈标准或习惯，而在压力方向的矩形槽尺寸应该与实际矩形截面密封圈的该尺寸接近，这是为了保证搭接面的初始贴合。

3.5 搭接密封圈的优点

端面搭接形成的矩形截面弹性密封圈，由于其存在的自然伸缩平衡状态，该状态下其内径处变形量和外径处变形量δ1和δ2相等，这是密封作用的一个有利因素。

3.6 密封圈材料

和O形弹性密封圈一样，仍然需要根据工况合理选材，一般说来，耐油用丁腈橡胶，耐天候和臭氧用氯丁橡胶，耐热用丙烯酸酯橡胶或氟橡胶，耐高压耐磨用聚氨酯橡胶，更多信息可参考有关专业文献资料。

4 试验

对台阶形端部搭接形成的矩形截面弹性密封圈应用在动环和静环上按照上述设计原则对样品φ50规格机械密封在FST釜用机械密封试验台上依照HG/T 2099—2003《釜用机械密封试验规范》进行试验，符合HG/T 2269《釜用机械密封技术条件》关于泄漏量的要求。

5 结论

采用矩形截面弹性密封条，通过端部搭接结构形成各处连续的、变形量一致的、允许少量伸缩的弹性密封圈应用于剖分式机械密封比以往采用的O形弹性密封圈剖分设计简单易行，效果良好，具有推广价值。