[摘 要] 本文基于GSB-W5型臥式高速離心泵開展油機械密封工作環境的試驗研究，在保證潤滑油路流量相同的情況下，觀察在不同轉速下油機械密封腔的壓力及溫度變化情況，并在額定轉速下分析油機械密封腔溫度與徑向滑動軸承處的溫度隨時間變化的關系。研究結果表明，油機械密封腔的壓力隨著轉速的提高而逐漸減小，油機械密封腔的溫度則隨著轉速的提高而逐漸升高;在額定轉速下，油機械密封腔與徑向滑動軸承處的溫度均隨著時間的變化而逐漸升高，并分別穩定在45.0℃和52.6℃。
[關鍵詞] 高速離心泵;油機械密封;徑向滑動軸承;溫度
低比轉速高速離心泵(簡稱“高速泵”)一般指比轉速在30~60之間的離心泵，它具有揚程高、流量小的特點，在航空航天、石油化工和輕工等領域有著廣闊的應用前景[1]。低比轉速高速離心泵小流量、高揚程的特點決定了其結構與水力特性異于一般離心泵，高速泵通常采用徑向放射式直葉片開式葉輪，通過齒輪增速箱增速后葉輪轉速可達30000rpm，揚程可達2000m以上[2]。近年來，高速泵為追求高的比功率，轉速越來越高，外形越來越緊湊，從而要求各零部件在有限空間內的功能性更高、適應性更強，但高度集成性極易造成高速泵齒輪箱各零部件磨損嚴重。油機械密封是高速泵的核心零部件之一，通過彈性元件對靜、動環端面密封副的預緊和介質壓力與彈性元件壓力的壓緊而起到密封的效果，是保證機組可靠運行的關鍵因素[3]。油機械密封在高速泵中安裝在高速輸出軸側，主要作用是防止在正常運轉過程中齒輪箱的潤滑油發生泄漏，減少摩擦損失，提高運轉效率[4]。由于油機械密封工作環境的特殊性，在溫度較高的情況下同時承受一定的壓力，在溫度場、壓力場的共同作用下油機械密封極易發生失效，從而導致滑動軸承燒瓦、齒輪軸系燒蝕，影響機組的正常運行[5]。
國內學者對機械密封的研究主要集中在密封原理探討、機械結構設計等方面，關于分析機械密封工作環境方面的文獻甚少，其實機械密封的失效主要由于其工作環境的特殊性[6-8]。因此，為了掌握機械密封的工作環境特性，深入分析故障發生的原因，為高速泵用油機械密封的合理化結 構設計提供理論參考，本文基于GSB-W5型臥式高速離心泵開展油機械密封工作環境的試驗研究，在保證潤滑油路流量相同的情況下，觀察在不同轉速下油機械密封腔的壓力及溫度變化情況，并在額定轉速下分析油機械密封腔溫度與徑向滑動軸承處的溫度隨時間變化的關系。
1 試驗設備及試驗方法
1.1 試驗設備
本文以GSB-W5型臥式高速離心泵為研究對象，如圖1所示。 GSB-W5型高速泵為單吸、懸臂、臥置、后拉式、中心線安裝、一級齒輪增速單級離心泵，主要由泵殼、齒輪增速箱、潤滑系統、電機、底座及其附件組成，泵的入口為水平軸線方向，出口為垂直向上。 GSB-W5型高速泵水力部件主要由誘導輪、葉輪、導葉、后隔板、泵體、泵蓋等組成，在裝置汽蝕余量較低的情況下，可選配誘導輪以提高抗汽蝕性能。誘導輪、葉輪通過螺紋及花鍵安裝在高速軸上，在旋轉葉輪的作用下，將入口處的低能量液體，加速成高能量液體，將機械能轉變為介質的勢能。
1.2 試驗方法
為了研究油機械密封的工作環境，專門設計GSB-W5型高速泵試驗裝置，試驗裝置空載運行，不考慮高速泵的葉輪、導葉擴壓器、泵殼等過流部件，齒輪增速箱通過聯軸器與主電機輸出軸連接，齒輪增速箱、主電機、油冷卻器、油過濾器等零部件布置在公用底座上，并在潤滑油管路上設置流量計、溫度計、壓力表等測量儀表實時監測潤滑油的工作狀態。為了更直觀地反映油機械密封的溫度、壓力變化情況，在油機械密封上加工測溫孔、測壓孔;為了觀察徑向滑動軸承處的溫度變化情況，在徑向滑動軸承上加工測溫孔，使用溫度傳感器( WZP-240，安徽天康)和測溫模塊( 644HAI1J5M5，羅斯蒙特)在線采集溫度變化信號，如圖2所示。
2 結果與分析
2.1 油機械密封工作環境的試驗研究
機械密封工作環境的特殊性是影響其工作特性和使用壽命的關鍵因素，日常機泵設備的維修工作中機械密封的更換、維修工作量占50%。油機械密封的工作環境溫度通常較高，并存在一定的壓力，高速旋轉的摩擦副長期暴露在這種工作環境下容易發生熱變形和壓力變形，最終導致機械密封失效。機械密封摩擦副的密封環除了受到力和溫度方面的應力導致變形外，還會由于熱應力過大導致端面產生熱應力裂紋，而熱應力裂紋產生的主要原因是摩擦副的溫度分布不均勻造成的[9]。因此，油機械密封工作環境的穩定性決定了油機械密封的工作特性和使用壽命，如何借助試驗的手段直觀地反映油機械密封的工作環境是本文研究的重點。為了對比不同轉速對油機械密封腔的溫度及壓力變化的影響，在保證潤滑油路流量相同的條件下依次改變高速泵的轉速( 8357 rpm、11143 rpm、 13928 rpm、 16157 rpm)，借助溫度變送器、壓力變送器等試驗設備實時采集油機械密封腔的溫度及壓力數據，為了保證試驗結果的準確性，待試驗過程中所有儀表的測量結果穩定后記錄數據，如表1所示。
從表1試驗數據可以看出，在潤滑油路流量一定的條件下，當高速泵轉速依次為8357r/min、11143r/min、 13928r/min、 16157r/min，對應的油機械密封腔溫度分別為34.4℃、 36.8℃、 40.4℃、44.3℃;密封腔壓力分別為13.38 kPa、 10.58 kPa、6.75 kPa、 1.86 kPa;徑向滑動軸承的溫度分別為38.7℃、 44.5℃、 49.0℃、 52.5℃。即隨著高速泵轉速的提高，油機械密封腔、徑向滑動軸承處的溫度逐漸升高，油機械密封腔的壓力逐漸減小。油機械密封摩擦副的密封環由于摩擦產生的熱量隨著旋轉速度的提高而迅速增大，齒輪箱內的潤滑油帶走摩擦面的熱量后溫度迅速升高。因此，油機械密封腔的溫度隨著轉速的提高而升高，泵機組工作過程中為了防止潤滑油溫度過高通常配置油冷卻器通過循環冷卻水進行油溫的控制。
為了保證油機械密封腔內部潤滑油的流動性，滑動軸承設計回油孔，防止滑動軸承、油機械密封密封環溫度過高發生失效。油機械密封腔內潤滑油的流量主要由兩部分組成，一部分通過滑動軸承的回油孔循環帶走滑動軸承工作過程中產生的熱量，另一部分則流經油機械密封的密封環摩擦面帶走密封面摩擦所產生的熱量。試驗過程中在不同的轉速下保證潤滑油量的流量相同，即油機械密封腔內潤滑油的總流量保持不變，而提高旋轉速度后滑動軸承回油孔的回油量增大，則造成流經密封環摩擦面的潤滑油量減少，因此隨著泵轉速的提高，油機械密封腔的壓力逐漸減小。高速泵設計過程中應充分考慮潤滑油總流量、滑動軸承回油量以及轉速的匹配關系，防止泵轉速過高造成滑動軸承、油機械密封等零件因潤滑油供油量分配不均勻而失效。
2.2 溫度—時間變化關系的試驗研究
滑動軸承溫度過高不利于軸瓦油膜的形成，從而加快軸承的磨損，油機械密封的密封摩擦面溫度過高也影響其使用壽命[10]。為了掌握正常工作過程中油機械密封腔的溫度變化情況，借助溫度傳感器和測溫模塊在線采集油機械密封腔、徑向滑動軸承處的溫度隨時間變化的關系曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，在額定轉速下，油機械密封腔、前徑向滑動軸承處的溫度均隨著時間的變化而逐漸升高，前徑向滑動軸承處的溫升速度明顯高于油機械密封腔的溫升速度，前徑向軸承處溫度場的迅速建立有利于滑動軸承軸瓦油膜的快速形成，減輕起泵過程中的剛性沖擊對零部件造成的傷害。從圖中還可以看出，起泵600s后，油機械密封腔、前徑向滑動軸承處的溫度逐漸趨于穩定，油機械密封腔與前徑向滑動軸承處的溫度分別穩定在45.0℃和52.6℃，穩定后前徑向滑動軸承處的溫度略高于油機械密封腔的溫度。
3 結論
本文基于GSB-W5型臥式高速離心泵開展油機械密封工作環境的試驗研究，在保證潤滑油路流量相同的情況下，觀察在不同轉速下油機械密封腔的壓力及溫度變化情況。研究結果表明，油機械密封腔的溫度則隨著轉速的提高而逐漸升高，油機械密封腔溫度過高直接影響機械密封的工作穩定性和使用壽命。油機械密封腔的壓力隨著轉速的提高而逐漸減小，因此在高速泵的設計過程中應充分考慮潤滑油總流量、滑動軸承回油量以及轉速的匹配關系，防止泵轉速過高造成滑動軸承、油機械密封因潤滑油供油量不足而損壞。此外，還研究了油機械密封腔溫度與徑向滑動軸承處的溫度隨時間變化的關系。試驗結果表明，在額定轉速下，油機械密封腔與徑向滑動軸承處的溫度均隨著時間的變化而逐漸升高，并分別穩定在45.0℃和52.6℃，前徑向軸承處溫度場的快速建立有利于滑動軸承軸瓦油膜的快速形成，防止起泵過程中的剛性沖擊造成零件損傷，該試驗間接驗證了徑向滑動軸承設計的合理性。本文通過試驗手段揭示了油機械密封在高速泵內部的工作環境，掌握油機械密封的工作環境不僅可以合理地分析油機械密封故障發生的原因，還可為高速泵用油機械密封的合理化結構設計提供理論參考。
◆參考文獻
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