机械密封覆层密封环端面性能分析

引言

机械密封覆层密封环的应用正在逐渐推广，在密封结构无法改变的情况下，对密封环材料提出了更高的要求。密封环材料尤其是硬环材料，要求摩擦系数小，具有一定的耐磨性；热膨胀系数小；有适当的机械性能和硬度，可加工性能好；致密性好等特点。覆层端面性能的研究从未中断。密封环材料对密封端面的各项性能有重要影响，有很高的耐磨性，但抗拉强度低；硬质合金的抗拉强度高，但耐腐蚀性较差。有的高脆性特点使其在工程应用中极易磕毁。在金属表面制备耐磨覆层，可以结合覆层材料的耐磨性和基体材料良好的韧性及可加工性。对于大尺寸密封环或结构复杂的密封环，表面覆层技术不仅节约了硬质材料，而且使得加工工艺可行。

一、机械密封原理概述

机械密封环对材料的苛刻要求，使得单一材料很难满足要求，然而表面覆层技术的发展为密封环材料提供了新的选择。机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力 (或磁力)作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。常用机械密封结构由动环、静环、弹性元件弹簧座、紧定螺钉、动环密封圈和静环密封圈等元件组成，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。机械密封希望发挥理想效果必须在使用时跟泵的其他部件进行配合使用，这就不仅需要机械密封本身性能优异，同时还需要与泵的其它部件彼此相适应。任何一个问题，无论是机械密封本身的问题还是机械密封外部条件的问题，都会对机械密封效果产生重要的影响。

二、覆层端面数值分析模型

建立包括覆层密封环、静环和动环在内完整的数值分析模型。根据密封介质和阻封液的物性,为保证密封的使用寿命，动环覆层采用具有优异耐磨、耐蚀、耐热的氧化铬陶瓷。该密封环结构及其载荷具有中心对称的特点，为减少计算量，划分网格，并进行网格无关性验证，网格无关性验证结果。

1.力边界条件

为了更准确的分析覆层端面的性能，将考虑覆层端面变形及其与密封端面的液膜反压分布和温度分布之间的相互影响，通过迭代求解方式，逐次修正因密封端面接触压力改变引起密封端面热流密度的变化和因密封环覆层端面变形引起密封端。机械密封动环和覆层、覆层和静环、静环和静环座之间设置为热传导，并在材料属性中定义其热导率。密封端面的热流密度受到密封端面接触压力和线速度的影响。根据密封的实际接触表面，对模型不同表面施加压力边界条件。接触式机械密封多半处于混合摩擦状态下工作，根据成膜理论，密封端面之间的流体流动属于窄缝粘性流体流动，因此对于平行平面间隙、收敛型间隙和发散型间隙。密封端面内径侧接触应力大，外径侧接触应力小，端面接触应力不均匀，导致摩擦产生的热量分布不均。数值计算和试验测试得到摩擦扭矩和静环温度。密封端面的摩擦扭矩与接触压力直接相关。

2.覆层端面性能

覆层的结构其主要包括四个面，即覆层表面、覆层主界面、内侧界面和外侧界面表面的应力水平。直接反应覆层端面的磨损状态。覆层表面开裂的根源是覆层表面的径向拉应力和环向拉应力的作用。由于主界面的法向拉应力值很小，可以忽略，可能引起主界面损坏的只有最大切应力。覆层侧界面的最大切应力和侧界面的最大法向拉应力是引起覆层从基体上脱落的重要影响因素。

3.覆层厚度的变化影响

最大的是覆层表面最大拉应力，覆层表面最大拉应力趋于稳定。覆层厚度对覆层端面各薄弱环节受力状况的影响表现在覆层表面：覆层越厚，覆层表面的受力状态越好；随着覆层厚度的持续增大，覆层表面受力状况改善的幅度会减小。覆层宽度对覆层端面的各项评定指标几乎没有影响，覆层宽度对覆层端面性能的影响可以忽略。覆层相对于基体很薄，覆层结构在一定范围内变动时，对密封环及其覆层端面的传热和变形的影响程度相当有限。实际制备覆层端面时，覆层宽度只需满足与配对密封环接触端面贴合即可。

三、覆层端面性能的影响因素研究

覆层表面最大拉应力趋于稳定。覆层厚度对覆层端面各薄弱环节受力状况的影响表现在覆层表面：覆层越厚，覆层表面的受力状态越好；随着覆层厚度的持续增大，覆层表面受力状况改善的幅度会减小。

1.覆层与基体材料物性对覆层端面性能的影响。随着热膨胀系数比的增大，温度作用下覆层与基体热膨胀量的差值减小。覆层与基体材料物性的巨大差异是导致覆层应力明显大于基体的主要原因。工程上常以陶瓷、硬质合金等作为机械密封复合密封环覆层端面的硬质耐磨层，钢、铜等作为其基体。根据覆层制备过程中常用材料的物性参数，各项参数的取值。覆层端面各薄弱环节的最大应力，均是随热膨胀系数比的增大而线性减小。覆层与基体的热膨胀系数比越大，各薄弱环节的承载状况越良好。导致基体对覆层的拉伸作用减弱，覆层部分的受力状态趋于良好。覆层与基体材料选择中，在满足密封端面耐磨的情况下，应尽可能选择覆层与基体热膨胀系数比大的材料组合。

2.覆层与基体的覆层端面各薄弱环节的最大应力，都是随覆层与基体的弹性模量比的增大而增大，增大速率放缓。弹性模量比越大，各薄弱环节承载状况越恶劣。随着覆层与基体的弹性模量比增大，热膨胀作用下基体对覆层起相同量的拉伸作用时，覆层的受力会线性增大。覆层弹性模量的增大，基体对覆层拉伸作用的难度也会增大，所以各薄弱环节最大应力增大的速率会减缓。由于覆层很薄，覆层与基体热导率差别不大或者覆层热导率大于基体时，覆层部分的总热阻很小，相对于覆层密封环总的导热热阻可以忽略，这使覆层热导率的增大对覆层受热状态没有影响。多数情况下，覆层与基体材料选择中，覆层与基体的热导率比可以不予考虑。

四、结语

以机械密封复合密封环覆层端面的评定指标为依据，研究了覆层端面结构和材料组合对覆层端面性能的影响。覆层厚度主要影响覆层表面最大拉应力；喷涂角度主要影响主界面最大切应力、侧界面最大法向拉应力和侧界面最大切应力；开槽宽度对覆层性能的影响较小。覆层与基体的热膨胀系数比越大，覆层与基体的弹性模量比越小，有利于降低覆层各薄弱环节的应力；覆层与基体的热导率对覆层性能的影响一般不予考虑。为了提高机械密封的使用寿命及密封效果我们还需要充分考虑影响机械密封的外部因素，将两者结合在一起从而不断提高机械密封的效果，使得生产效益最大化。