第一作者简介：杨博峰（1978-），男，甘肃会宁人，高工，硕士，主要从事流体动密封技术研究工作，工作于合肥通用机械研究院。
基金项目：国家重点研发计划资助（2018YFB2000800）；国机集团重大专项（SINOMAST-ZDZX-2017-01）
摘 要：随着社会发展，能源消费日渐攀升，能源的精细化管理和研究对于国家发展有着越来越重要的战略意义，特别是对于先前较少关注的能源消耗领域需要重点关注，机械密封就属于这一范畴。该文根据生产实践和理论计算，对于机械密封的功耗计算、特殊工况功耗进行了理论和试验研究，发现在部分工况下，机械密封实际运行功耗与理论计算值有着较大的差距，相关结果对于机械密封设计和工程实践有一定的指导意义。
关键词：机械密封；摩擦系数；功耗;试验研究
0 前言
我国能源消费总量早已跃居世界第一，2018年，我国一次能源消费量更是占全球总量的23.6%，并且还在不断增长中。这主要源于国民经济的蓬勃向上，但同时也不能排除能源利用效率较低所带来的消费虚高。国家统计局发布的2018年度国民经济和社会发展统计公报显示，中国能源和电力消费弹性系数上升到三年来的最高水平，对比分析近20年来的相关数据，发现这不是短期现象，而是长期趋势[1]，应引起全社会的高度关注，必须厉行能源节约，不断提高中国经济的发展质量。
国内石油、石化行业的装备最早是从前苏联引进，无论是在设计理念还是实际运行，都选取了比较大的安全系数，导致的结果就是能耗较大。近年来，随着节能需求的提升，工业产品的精细化设计越来越重要，而机械密封产品作为旋转设备中为数不多的动、静部件直接接触的元器件，其节能意义不言而喻。特别是在一些独立供电的特殊领域，如水下机器人、水下自巡航装备等，每一个元器件的能耗都将直接影响到装备整体的巡航里程，而隔离舱内外的机械密封设备的能耗高低，将对其产生重要的影响。因此，尽可能地降低生产设备中机械密封产品的能耗，对提高设备的能源利用率以及推行国家节能减排战略都具有重要的意义。
1 机械密封功耗理论分析计算
行业内上世纪已经有研究人员在试验室进行了功耗测试以及理论计算研究。1996年，顾永泉介绍了机械密封性能参数的计算方法及其机械密封功耗的计算依据[2]。2001年，李鲲等在试验的基础上，研究了机械密封功耗的构成，介绍了机械密封摩擦功耗的测量方法，对机械密封在不同工况下功率消耗的变化进行了分析，提出了降低机械密封功耗和改善密封性能，提高机械密封工作可靠性的途径[3]。2019年，李凤成对高压海水泵机械密封故障进行了分析，并且对实际功耗和理论功耗进行了分析比对[4]。机械密封端面摩擦特性是一个摩擦学系统的综合性能，它与密封环材料、磨损条件、断面滑动速度等密切相关[5]。机械密封的功耗主要包括两个部分，即搅拌功耗和摩擦功耗，前者主要指机械密封旋转环组件对被密封介质的搅拌做功，而后者主要指运转过程中密封环端面相互摩擦所产生的功耗[6]。
2 特殊状态对机械密封功耗影响的分析研究
1） 密封端面间吸合为了实现密封，机械密封端面都经过特殊精加工，具有极高的平面度和粗糙度。正常状态下，机械密封在运行中密封端面处于流体润滑或边界润滑状态，但在长时间放置或特定情况下，由于密封端面内部缺少流体，而密封端面内外侧边缘被流体封闭，从而出现了类“马德保半球”的真空现象，在机械密封开始运行的瞬间，密封端面间出现吸合，造成主机启动功耗瞬间大幅提升，进而导致出现干摩擦，造成机械密封的损坏[7]。这种情况无论是在生产实际还是试验室都偶有出现，特别是在开机时，如果存在润滑不良或转速瞬间提升的工况，由于润滑液体不能及时到达密封端面内部，极易出现类似现象，这一点需要在生产实践中予以重视，为了避免相关状况，一般在设备前可以进行辅助盘车，并且务必保证机械密封的有效润滑，另外建议采取软启动的方式。2） 低压工况，机械密封功耗偏大某规格产品应用于变压工况，其工作参数在0~0.5~2.0 MPa的压力下不断变化，介质为清水，密封摩擦副材料分别为碳化硅和硬质合金。我们对该机械密封开展了功耗研究。需要说明的 是，为了有效控制变量，确保理论和试验结果的准确性，我们本次研究中，选择了较低的试验转速，尽量忽略搅拌功耗的影响，而在通常实际计算中，由于机械密封转子通常本身为规则圆周结构，行业内习惯于忽略搅拌功耗。我们首先进行理论功耗计算，依据表1[6]，取摩擦系数f为0.02，经计算，在介质压力为0.5 MPa和2.0 MPa时，密封面比载荷分别为0.63 MPa和1.84 MPa，根据上文所给的摩擦功耗计算公式，我们得到其在0.5 MPa时的功耗为0.015 kW，在2.0 MPa时功耗为0.044 kW。
我们又进行了试验研究，试验装置如图1所示，主要包括电机、轴承箱、试验腔体和扭矩传感器组成，试验台架运行时，功耗主要包括电机功耗、轴承箱功耗和机械密封功耗，我们在运行前进行了调零，去除了电机和轴承箱功耗，同时为了消除轴向力对于轴承箱运行功耗的影响，我们在密封腔体同时安装两套同样的试验样品进行试验，最终的功耗数据只要除以2即可。
图1 试验台架密封功耗曲线如图2所示，从图上可以看出，在0.5 MPa工况下，功耗均值为0.051 kW，并且机械密封运行状态不太稳定，而在2.0 MPa时，功耗均值为0.042 kW，除初始功耗偏高外，功耗数值均低于低压时（0.5 MPa）的功耗值，并且随着运转时间的增长，功耗逐渐呈下降趋势，而在低压（0.5 MPa）工况下，功耗曲线在试验时间段内没有呈现明显下降的趋势。
图2 时间-功耗曲线由于机械密封基本参数、结构和元器件配置都已确定，能够影响密封功耗的端面宽度、介质压力、弹性元件载荷和密封端面间比载荷、转速等参数已经确定，唯一能够对机械密封功耗造成直接影响的就是端面摩擦系数这一参数。从试验结果可以看出，当压力为0.5 MPa时，理论计算值明显小于试验实测值，这就意味着实际运行过程中端面间的摩擦系数值大于理论计算时的预估值。我们依据试验结果，对于理论计算时在0.5 MPa的摩擦系数进行修正。当介质压力为0.5 MPa 时，我们取摩擦系数为0.068，计算得摩擦功耗为0.052 kW，其基本接近试验值；而在高压工况下，取摩擦系数为0.019时，摩擦功耗理论值约为0.042 kW，其值相近于试验值，如表2所示。
通过试验研究可以得知，当机械密封在0.5 MPa工况下运行时，由于端面间开启力偏小，摩擦副端面间充入的流体不足，端面间处于边界润滑状态，摩擦系数增大导致摩擦功耗偏高；而当机械密封在2.0 MPa工况下运行时，由于密封环端面外部压力增高，端面间开启力增大，摩擦副端面间相对较多的流体进入，改善了端面间的润滑状态，摩擦系数降低，功耗减小，随着时间的推移，端面间的润滑状态越来越接近于流体润滑，功耗也随之呈下降趋势，当端面间完全处于润滑状态时，功耗达到最小值并呈现稳态。
3 机械密封功耗优化的意义
随着国家节能减排战略的推进，机械密封部位的接触能耗的影响越来越凸显，特别是对于一些高参数机械密封中，机械密封的能耗占比更高。在设计过程中，寻找摩擦系数、端面旋转速度、端面比载荷、端面面积、结构设计等之间的最优匹配，能够有效地降低机械密封功耗。而要降低摩擦系数，可以选择最佳配对的密封环材料，或对密封端面进行特殊工艺处理。然而，由于密封环材料的种类和选择目前已经趋于成熟，因此能够有效地降低摩擦系数的可行途径就是端面摩擦副的微处理，如端面硬质合金及金刚石涂层，端面微组织结构处理等。
4 结语
本文对机械密封功耗的特一些特殊情况进行了探讨，对于机械密封功耗的计算和性能优化提出了见解，对影响机械密封功耗的重要因素摩擦系数进行了理论和试验的比较研究，通过试验发现，就同一规格机械密封而言，在不同的压力条件下，对于影响机械密封功耗非常重要的一项指标——摩擦系数是会发生变化的，而不是一成不变的，这一点需要在理论计算中引起重视。本次研究没有对具有不同转速、压力、介质工况的机械密封展开系统研究，这也是下一步还要进一步完善的工作，本文对于理论设计和工程实践而言，具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 王庆一.中国的能源效率及国际比较［J］.节能与环保,2005,(6):10-13.
[2] 顾永泉.机械密封实用技术［M］.北京:机械工业出版社,2001.
[3] 李鲲，等.机械密封的功率消耗试验及测量方法［J］.润滑与密封,2001,(06):49-50.
[4] 李凤成，等.高压海水泵密封故障分析及解决方案研究［J］.液压气动与密封,2019,(5):92-95.
[5] 刘士国，等.不同材料配对机械密封的端面摩擦特性试验研究［J］.润滑与密封,2010,(12):91-94.
[6] 顾永泉.机械端面密封主要参数的计算（三）：性能参数（续）与计算示例［J］.流体机械,1996,(6):27-32.
[7] 刘杰,等.干摩擦工况下机械密封端面温度数值模拟［J］.液压气动与密封,2018,(5):8-11.
该文刊登于我刊2020年第8期
