摘 要：為了提高端面機械密封工作性能的可靠性并延長其使用壽命，以其主要影響因素磨損為切入點，對目前實際使用的端面機械密封從密封機理方面進行了分析。分析結果表明：端面機械密封的密封機理集動壓潤滑與泵送為一體;利用動壓效應和泵送效應是端面機械密封發展的趨勢，另外對于螺旋槽式機械密封，借助離心力作用實現了泄漏流體的反泵送，促進了機械密封向零泄漏的發展。在摩擦副接觸面形成楔形幾何空間是產生動壓效應和泵送效應的必要條件，使用微造型技術可獲得楔形幾何空間。
關鍵詞：密封;機理;微造型;動壓效應;磨損
1 引言
端面機械密封(以下簡稱機械密封) 是一種流體動密封裝置，被廣泛應用于過程工業(如石油、化工等)中。早期的機械密封結構比較簡單，以密封工作面緊密貼合的方式實現密封，構成密封面的材質以鐵碳合金為主，而密封工作面的光整加工則是磨削、研磨，使用壽命比較短。二十世紀五十年代之后，為滿足宇航、核電、石油化工等工業迅速發展的需要，對機械密封在使用性能(如密封性、使用壽命以及耐磨性等)方面提出了更高的要求，推動了機械密封技術的研究與發展，不僅使金屬石墨和增強型石墨等新型材料得到了應用，而且還涌現出諸如非接觸式機械密封等新形式，并形成了相對完善的機械密封理論體系。但印度博帕爾農藥廠因異氰酸甲酯儲罐發生泄漏以及美國“挑戰者”號航天飛機因 O 形密封圈失效導致的升空失事等事件，都從不同的側面說明密封技術雖然不是領先或核心技術，但它卻是相關裝備的關鍵裝置。
雖然經過一百多年的努力，機械密封無論是在密封機理還是在密封技術等方面都取得了可喜的成績，并在實際中得到了應用。但隨著能源問題的日益突出和環保意識的日益增強，如何提高機械密封的可靠性和延長其使用壽命仍是亟需研究的內容。為此國內外的相關學者和工程技術人員對機械密封從密封機理、加工方法、密封工作面材料等方面做了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，推動了機械密封技術的發展。
2 密封機理研究方面
2.1 傳統的端面機械密封
早期的機械密封裝置主要是由動環與靜環組成的平面摩擦副構成的，如圖 1 所示。其基本思想是利用緊密貼合的面，即依靠彈性構件和密封介質的壓力在動環或靜環上產生適當的壓緊力，使靜環與動環的接觸面緊密貼合，從而實現密封。對于標準的平衡型或是非平衡型機械密封，由于其摩擦副表面通常都處于邊界潤滑狀態，因此，在密封摩擦副之間或多或少地存在一定量的流體層，但該流體層也因表面微觀不平而呈現為非連續層并且沒有任何承載能力，其結果是使反映機械密封耐磨性以及耐熱性等的指標 PV 值偏低，或者說，靜環-動環摩擦副之間的相對運動產生的摩擦，使運動副磨損，導致了機械密封的使用性能下降，并影響了機械密封應用范圍。
由于磨損與摩擦力直接相關，而摩擦力與正壓力成正比關系。因此，減小正壓力是減少磨損的基本途徑之一。為此，文獻[1]提出并研究了在動環或靜環工作接觸面具有徑向槽的機械密封，如圖 2 所示。盡管在密封面上開設徑向槽因泄漏而具有一定的節流效果，但槽的作用并非完全局限于此，還有其他的功能。分析圖 2(a)所示的具有直槽的機械密封面結構表明：其基本出發點是利用壓差或靜壓與槽結構將流體介質引入到密封端面的間隙中，使摩擦副表面受到流體介質的作用，從而減小了靜-動環端面的正壓力(或者說，在一定程度上促使緊密貼合的密封工作面產生一種分離的趨勢)，其結果是使密封端面間的摩擦力減小，進而降低了磨損量，延長了使用壽命[2]。磨損不僅與摩擦力有關系，同時也與接觸面積有著密切的聯系。文獻[3]提出了具有徑向收斂直槽的密封面結構，如圖 2(b)所示。分析表明：該結構與直槽端面結構相比，利用減小端面的接觸面積，減小了端面間的摩擦力。因此，具有徑向收斂直槽的密封結構進一步減小了磨損，延長了使用壽命。
盡管具有槽端面結構的機械密封使密封面間的所受到的壓力以及接觸面積降低，但密封面上仍然存在磨損。為進一步減小密封接觸面間的摩擦力，有效利用被密封介質的壓力，文獻[3]提出并研究了具有端面徑向收斂錐度的密封面結構，如圖 3 所示。
從幾何結構并結合工作原理進一步分析表明：對圖 2 所示的機械密封結構而言，由于槽的介入以及對壓差的有效利用，使得機械密封與靜壓型止推滑動軸承發生了聯系，不僅體現著止推滑動靜壓型軸承在密封領域中的應用，而且也為滑動軸承相關理論在密封領域中的應用搭建了橋梁;而圖 3 所示的具有端面徑向收斂錐度的機械密封結構，其實質則是強化了靜壓效應的靜壓型止推滑動軸承。因此，從某種意義上講，機械密封本質上可視為是滑動軸承，是滑動軸承在密封領域中的應用。
無論是圖 2 還是圖 3 所示的機械密封結構，當動環旋轉后，受流體介質粘度、表面微觀幾何形貌不平度(表面粗糙度)以及表面波度等因素的影響[4]，在密封堰處形成流體介質的收斂區和發散區，如圖 4 所示。并為在收斂區形成流體動壓效應提供了客觀條件，但受密封堰幾何尺度和槽的幾何結構的影響，形成的動壓效應并不顯著。因此，減少摩擦進而降低磨損且迫使密封面可能完全分離并實現密封面由接觸式轉化為非接觸式的作用，主要依賴壓差流產生的靜壓效應，并伴隨有一定量的流體泄漏。
為減少磨損，機械密封的動環-靜環接觸面之間最為理想的是存在一層完整的、極薄的流體膜，同時，借助該流體膜所具有的阻尼和剛度特性實現密封。這種理念，促進了摩擦學、摩擦技術尤其是潤滑理論等相關概念與技術在機械密封領域中的應用，涌現出諸如流體動壓型、流體泵送型等機械密封，促進了密封技術的發展[5]。
2.2 流體動壓型與泵送型端面密封
雖然機械密封環面因開槽將整個密封端面劃分為槽區、堰區以及壩區三個部分，如圖 2 所示。而槽區的存在以及密封堰區的表面波度等為密封過程中形成的收斂區和發散區進而建立動壓效應提供了客觀條件，如圖 4 所示。但動壓效應的建立也受開槽的方位、幾何形狀以及流體粘性等因素的影響。如，為解決高速離心式壓縮機軸端密封問題提出的干氣密封結構就是基于機械密封是滑動軸承在密封領域中應用的理念的體現，是氣體動壓滑動軸承的基本原理在機械密封領域中的具體應用，其典型代表是 T型槽機械密封、圓弧槽機械密封以及螺旋槽機械密封。這些機械密封雖然都是對動壓效應及其強化的有效利用，但更重要的是實現了接觸式端面機械密封與非接觸式端面機械密封的相互轉換。
T 型槽和圓弧槽機械密封端面幾何結構示意圖[6]，如圖 5 所示。分析表明：與徑向直槽和徑向收斂直槽相比，表面上 T 型槽與圓弧槽增加了槽的面積，減少了密封接觸面積，提高了靜壓效應的作用，但進一步的分析表明：(1)由于密封摩擦副面積的減小以及流體的粘性，使單位密封接觸面積上的流體供給量增加，或者說，在壓差的作用下，有更多的流體介質進入到由接觸面表面波度和表面微觀不平形成的收斂區和發散區內，在同等條件下強化了流體的動壓效應;(2)由于摩擦作用，使密封摩擦副之間的流體被加熱，同時也加熱了摩擦副表面，不僅使之受熱膨脹，而且使流體介質的粘度和密度等都發生變化，其結果導致密封摩擦副變形不均勻，使摩擦副表面產生一定程度的傾斜，間隙變為收斂間隙，并伴隨附加的流體動壓效應產生;此外，槽面積的增加，也使得靜壓效應增強，迫使密封摩擦副在力的作用下產生更大變形的同時助于提高密封對動壓效應波動的穩定性。由于氣體介質的可壓縮性強，因此，與圖 5(a)所示的 T 型槽結構相比，圖 5(b)所示的圓弧型結構不僅可以減弱或消除槽內流體介質滯留，而且因具有入口角和流體介質的可壓縮性使得圓弧槽可以吸入流體介質，在冷卻密封環的邊緣的同時，借助摩擦副內外側的溫差，槽內流體介質(尤其是液體)的體積膨脹，使密封面產生力變形和熱變形，強化了流體動壓效應，提高密封的穩定性。
在密封摩擦副之間形成楔形幾何空間是建立流體動壓效應并形成一層完整動壓膜的必要條件之一。盡管加工誤差的存在使密封摩擦副表面或多或少具有一定程度的表面波度(包括周向和徑向)以及表面微觀幾何不平，但由于機械密封的特殊性(如要求在徑向方向密封以及動環的旋轉運動等)，因此，希望在周向方向上產生楔形幾何空間，或者說，利用周向楔形幾何空間，并借助流體介質的粘性和動環的旋轉運動，在周向方向上形成完整的動壓膜。為此，文獻[7-8]提出了波浪型表面的機械密封，如圖 6 所示。分析表明：從幾何結構上講，這種波浪型表面是槽形表面(圖 6(b)所示)與徑向收斂型表面(圖 6(a)所示)疊加的結果;從密封機理的角度上講，這種波浪型表面不僅強化了靜壓效應，而且也強化了動壓效應，是動壓效應與靜壓效應共同作用的結果。
產生楔形幾何空間的另一個基本途徑是利用幾何不對稱結構，借助密封摩擦副間的靜壓效應來實現。如，圓弧槽型表面結構中，當圓弧槽的個數為偶數時，在幾何結構上是對稱分布的，而當圓弧槽的個數是奇數時，在幾何結構上是非對稱分布的。由于非對稱的幾何結構導致了密封摩擦副間的作用力(如靜壓效應和動壓效應)也是非對稱分布的，因而產生了楔形幾何空間，可以強化流體介質的動壓效應。就幾何構形而言，在密封摩擦副表面的楔形幾何空間既可以沿周向布置，如圖 6(c)所示的波浪型表面，也可以沿與徑向成一定角度來布置，其典型代表則是在密封摩擦副表面開設的螺旋槽結構[9-11]，如圖 7 所示。楔形幾何空間方位、布局的變化導致了機械密封的密封機理發生了本質的變化。在圖 7(b)所示的示意圖中的動環與靜環的相對運動方向條件下，流體介質不斷被輸送或吸入到螺旋槽內。由于螺旋槽內呈入口大，出口小的楔形幾何空間，進入槽內的流體因流體的可壓縮性不斷被壓縮，形成了動壓效應，迫使密封摩擦副分離并借助流體的粘性和表面波度及表面微觀不平沿密封環面形成一層完整的、具有一定厚度的流體膜，使接觸式機械密封轉化為非接觸式機械密封。
值得關注的是，在圖 7 所示的螺旋槽型機械密封結構中，盡管螺旋槽的開設為靜壓效應的有效利用提供了客觀條件，但因螺旋槽的旋向與相對運動方向滿足一定的關系時，產生了流體介質被輸送或吸入到螺旋槽內的現象。這種現象實際上反映了結合相對運動速度的方向合理地開設螺旋槽可使機械密封具有一定的泵送功能，尤其是當螺旋槽開設在密封環的內側，這種借助離心作用實現的泵送功能可將泄漏到低壓側的流體介質泵送到高壓側，實現上游泵送功能。若就實現泵送功能或效應而言，這種在密封環內側開設螺旋槽的機械密封本質上就是離心泵，或者說，是離心泵在密封領域中的應用，只是流量小甚至流量為 0。為充分發揮螺旋槽型機械密封對流體介質的輸送功能，在實現零泄漏的同時，實現密封摩擦副的非接觸，文獻[9]提出了分別在密封環外側和內側開設螺旋槽結構的密封結構，其本質是利用了高壓側(外側)的螺旋槽的輸送(吸入)功能和內側螺旋槽的泵送功能。
一激光加工多孔(盲孔)端面機械密封端面示意圖[12]，如圖 8(a)所示。這種密封結構同樣也具有良好的密封性能[13]。但就幾何構成而言，無論是直槽、徑向收斂槽、圓弧槽以及螺旋槽等都是一種特殊的型腔，而型腔又可被認為是異形盲孔，同時，因激光加工的特殊性使盲孔的底部呈現圓弧狀，如圖 8(b)所示。可構成具有收斂特性的楔形幾何空間，因此，多孔端面的機械密封可以認為是機械密封的楔形幾何空間沿端面法向方向的反方向布置的同時，楔形幾何空間微型化或微造型的結果，但這種楔形幾何空間布局、方位的變化，尤其是楔形幾何空間的微型化(微造型)對機械密封的密封機理的影響(如泵送效應、毛細管效應等)有待進一步研究。由上述典型的幾種密封結構的密封機理的分析可見，機械密封集滑動軸承和泵為一體，其密封機理是動壓效應、靜壓效應與泵送效應綜合作用的結果，而強化動壓效應，并借助靜壓效應穩定動壓效應的波動是機械密封的發展基礎;借助表面微造型技術實現幾何楔形和熱效應是強化動壓效應的基本措施。
3 結論
在端面機械密封的摩擦副間形成動壓效應和泵送機制并實現零泄漏是端面機械密封的發展趨勢，提高動滑膜的穩定性是研究的熱點，而有效利用幾何楔是形成動壓效應與泵送機制以及提高動滑膜穩定性的基礎，端面機械密封是集滑動軸承與泵類機械為一體的零流量的裝置。
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