高速动压机械密封静环辅助O形圈密封和微动补偿性能分析_黄柏淇.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期高速动压机械密封静环辅助O形圈密封和微动补偿性能分析黄柏淇，李双喜，闫欣欣，古彦飞，刘兴华，宋子锋（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）摘要：动压机械密封静环需要具备轴向滑移、角向摆动的能力，其中的O形圈在滑移界面起密封和补偿作用，其设计的优劣对密封的稳定运转至关重要。为此本文建立微动补偿结构的有限元模型，分别分析了O形圈整体槽和分体槽两种典型补偿结构在平滑微动补偿工况和受振动干扰微动补偿工况下预压缩量、介质压力以及线径大小对O形圈密封性能及补偿特性的影响，并进行了试验验证。分析结果表明：影响静环补偿性能最主要的因素是O形圈压缩量和界面摩擦系数；分体槽补偿结构在补偿过程具有更好的追随性，更适用于高速、强振动工况，表现为具有更小的摩擦力且波动程度小。通过试验验证了分析结果，得到了O形圈优化补偿结构参数，在动压机械密封启动阶段，O形圈摩擦力最大，减小压缩量、改善补偿界面润滑状态可以有效降低摩擦力的波动量提高补偿性能，其中良好的润滑能有效降低摩擦力波动量20%以上。研究结果为高速动压机械密封微动补偿结构设计提供了参考。关键词：动压机械密封；静环；O形辅助密封圈；密封性能；微动补偿中图分类号：TH117.1 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1206-11Performance analysis of stator secondary O-ring seal and compensation for micro-motion of high-speed dynamic pressure mechanical sealHUANG Baiqi，LI Shuangxi，YAN Xinxin，GU Yanfei，LIU Xinghua，SONG Zifeng(College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract:The dynamic pressure mechanical seal stator needs the ability of axial sliding and angular swing.The O-ring in the sliding interface plays the role of sealing and compensation.The quality of its design is very important to the stable operation of the seal.Therefore,the finite element model of the fretting compensation structure was established,and the pre-compression amount of the two typical compensation structures of the O-ring integral groove and the split groove in the smooth micro compensation condition and the vibration disturbance micro compensation condition were analyzed respectively.The effects of medium pressure and wire diameter on the sealing performance and compensation characteristics of O-rings were tested and verified.The analysis results showed that the most important factors affecting the compensation performance of the static ring were the compression amount of the O-ring and the interface friction coefficient.The split groove compensation structure had better followability in the compensation process,more suitable for high-speed,and stronger vibration conditions.The friction force and the degree of fluctuation was smaller.The analysis results were verified 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0975收稿日期：2022-05-26；修改稿日期：2022-08-15。基金项目：基础加强计划技术领域基金（2021-JCJQ-JJ-0223）。第一作者：黄柏淇（1996），男，硕士研究生，研究方向为流体密封技术。E-mail：HBQ。通信作者：李双喜，博士，教授，研究方向为流体密封技术。E-mail：。引用本文：黄柏淇,李双喜,闫欣欣,等.高速动压机械密封静环辅助O形圈密封和微动补偿性能分析J.化工进展,2023,42(3):1206-1216.Citation：HUANG Baiqi,LI Shuangxi,YAN Xinxin,et al.Performance analysis of stator secondary O-ring seal and compensation for micro-motion of high-speed dynamic pressure mechanical sealJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1206-1216.12062023年3月黄柏淇等：高速动压机械密封静环辅助O形圈密封和微动补偿性能分析by experiments,and the optimal compensation structure parameters of the O-ring were obtained.During the start-up stage of the dynamic pressure mechanical seal,the friction of the O-ring was the largest.Reducing the compression amount and improving the lubrication state of the compensation interface can effectively reduce the fluctuation of the friction force.To improve the compensation performance,good lubrication can effectively reduce the frictional force fluctuation by more than 20%.The research results provide a reference for the design of the micro compensation structure of the high-speed dynamic pressure mechanical seal.Keywords:hydrodynamic mechanical seal;stator;secondary O-ring seal;sealing performance;micro compensation动压密封是一种非接触式机械密封1，相比传统的接触式机械密封具有非接触、长寿命、低泄漏等特点，被广泛用于石油化工领域的动设备轴端密封2。从低速到高速状态过渡阶段以及在受外界因素干扰条件下，O形圈会发生微动滑移补偿以实现静环组件的动态追随，O形圈在动压密封中起辅助密封和滑移补偿的作用，其结构设计不当、制造过程不可避免产生的误差或动静环装配轴线不对中等问题容易导致密封效果不理想甚至失效。静环与静环座之间的O形圈由于静环浮动的特点会产生微动滑移补偿，该状态下的最大接触应力以及摩擦力变化等参数决定了高速动压密封静环组件的动态微动补偿性能。国内外相关领域研究学者工作大多集中于O形圈分析模型与方法的研究，其成果为O形圈分析计算提供了有利的工具。国外学者Karaszkiewicz3-5推导了O形圈静密封接触宽度、平均应力等工程计算公式，并试验验证了动压油膜厚度与泄漏率的工程经验公式。国内学者索双富等6也搭建了O形圈摩擦性能试验台，讨论了工况参数对O形圈摩擦性能的影响关系。结合计算机技术的快速发展，研究人员提出了不同类型描述O形圈弹性体的材料数值模型，橡胶类材料压缩性能常采用Mooney-Rivlin超弹性材料7模型，黄建龙等8比较了Mooney-Rivlin与Yeoh模型的优劣势，得到Yeoh模型适合模拟炭黑填充的大变形行为，Mooney-Rivlin模型适合相对较小变形行为研究的结论。张仟等9提出了Mooney-Rivlin模型材料系数计算方法，试验验证了计算方法并提出了合理的材料系数。李强等10总结了各参数对静态O形圈性能的影响关系，提出了评价O形圈可靠性的方法。杨友胜等11研究了O形圈锥面密封特性，总结了减小剪切应力的方法。朱启惠等12-13采用试验研究方法，比较了不同材料O形圈摩擦磨损性能，提出了O形圈摩擦磨损迟滞特性。在O形圈槽结构设计方面，李峰等14提出了O形圈角密封槽的结构特点及压缩量的计算方法，刘二强等15考虑O形圈的结构松弛和O形圈槽间的摩擦损伤可能导致的浮动油封结构漏油失效，提出了一种包含聚四氟乙烯（PTFE）垫圈和恒压弹簧的浮动油封新结构。根据研究基础，密封工况以及O形圈槽结构的设计与其性能紧密关联，当高速动压密封的温度工况不涉及极端的低温或高温时，辅助密封点采用O形圈密封是最简易且经济性最好的密封方式，被广泛应用于各种动压密封结构中。本文对高速动压机械密封静环组件的O形圈整体槽、分体槽补偿结构进行了有限元分析和摩擦性能试验，阐明了影响O形圈摩擦力大小、密封性能和动态补偿性能的影响因素，对高速动压机械密封的设计有一定指导意义。1 工作原理和计算模型1.1 工作原理典型的高速动压机械密封补偿结构一般由弹性件和静环组成，O形圈于滑移面起辅助密封作用，如图1所示。图中为两种高速动压机械密封静环补偿结构，其差别在于整体槽结构O形圈槽的位置在静环座上，分体槽结构由石墨静环凹槽和垫圈组成，后者可跟随静环浮动。动环端面具有动压槽，在待机状态摩擦界面紧密贴合起静密封作用。随着转速升高，动压效应增强直至气膜动压力克服弹簧力和O形圈摩擦力后实现端面开启，最终在高速状态通过具有正刚度的气膜实现密封。在高速动压密封启停阶段、工况及外界干扰下O形圈均会发生微动补偿，以此达到静环对动环的追随效果，这也是密封端面气膜保证稳定密封效果的关键。1.2 计算模型为进一步分析微动补偿O形圈密封和静环补偿 化工进展，2023，42（3）性能规律，将三维模型导入ABAQUS软件。在建模过程中将静环底部内圆圆心处设置为模型的坐标原点，模型导入有限元软件时选择放置于笛卡尔坐标系原点，保证分析模型和导入模型具有一致的坐标原点。线径为2.65mm的O形圈沟槽结构尺寸见表1，在线径为3.55mm的O形圈计算模型中保持槽边圆角半径