摘 要：为了提高端面机械密封工作性能的可靠性并延长其使用寿命，以其主要影响因素磨损为切入点，对目前实际使用的端面机械密封从密封机理方面进行了分析。分析结果表明：端面机械密封的密封机理集动压润滑与泵送为一体;利用动压效应和泵送效应是端面机械密封发展的趋势，另外对于螺旋槽式机械密封，借助离心力作用实现了泄漏流体的反泵送，促进了机械密封向零泄漏的发展。在摩擦副接触面形成楔形几何空间是产生动压效应和泵送效应的必要条件，使用微造型技术可获得楔形几何空间。
关键词：密封;机理;微造型;动压效应;磨损
1 引言
端面机械密封(以下简称机械密封) 是一种流体动密封装置，被广泛应用于过程工业(如石油、化工等)中。早期的机械密封结构比较简单，以密封工作面紧密贴合的方式实现密封，构成密封面的材质以铁碳合金为主，而密封工作面的光整加工则是磨削、研磨，使用寿命比较短。二十世纪五十年代之后，为满足宇航、核电、石油化工等工业迅速发展的需要，对机械密封在使用性能(如密封性、使用寿命以及耐磨性等)方面提出了更高的要求，推动了机械密封技术的研究与发展，不仅使金属石墨和增强型石墨等新型材料得到了应用，而且还涌现出诸如非接触式机械密封等新形式，并形成了相对完善的机械密封理论体系。但印度博帕尔农药厂因异氰酸甲酯储罐发生泄漏以及美国“挑战者”号航天飞机因 O 形密封圈失效导致的升空失事等事件，都从不同的侧面说明密封技术虽然不是领先或核心技术，但它却是相关装备的关键装置。
虽然经过一百多年的努力，机械密封无论是在密封机理还是在密封技术等方面都取得了可喜的成绩，并在实际中得到了应用。但随着能源问题的日益突出和环保意识的日益增强，如何提高机械密封的可靠性和延长其使用寿命仍是亟需研究的内容。为此国内外的相关学者和工程技术人员对机械密封从密封机理、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，推动了机械密封技术的发展。
2 密封机理研究方面
2.1 传统的端面机械密封
早期的机械密封装置主要是由动环与静环组成的平面摩擦副构成的，如图 1 所示。其基本思想是利用紧密贴合的面，即依靠弹性构件和密封介质的压力在动环或静环上产生适当的压紧力，使静环与动环的接触面紧密贴合，从而实现密封。对于标准的平衡型或是非平衡型机械密封，由于其摩擦副表面通常都处于边界润滑状态，因此，在密封摩擦副之间或多或少地存在一定量的流体层，但该流体层也因表面微观不平而呈现为非连续层并且没有任何承载能力，其结果是使反映机械密封耐磨性以及耐热性等的指标 PV 值偏低，或者说，静环-动环摩擦副之间的相对运动产生的摩擦，使运动副磨损，导致了机械密封的使用性能下降，并影响了机械密封应用范围。
由于磨损与摩擦力直接相关，而摩擦力与正压力成正比关系。因此，减小正压力是减少磨损的基本途径之一。为此，文献[1]提出并研究了在动环或静环工作接触面具有径向槽的机械密封，如图 2 所示。尽管在密封面上开设径向槽因泄漏而具有一定的节流效果，但槽的作用并非完全局限于此，还有其他的功能。分析图 2(a)所示的具有直槽的机械密封面结构表明：其基本出发点是利用压差或静压与槽结构将流体介质引入到密封端面的间隙中，使摩擦副表面受到流体介质的作用，从而减小了静-动环端面的正压力(或者说，在一定程度上促使紧密贴合的密封工作面产生一种分离的趋势)，其结果是使密封端面间的摩擦力减小，进而降低了磨损量，延长了使用寿命[2]。磨损不仅与摩擦力有关系，同时也与接触面积有着密切的联系。文献[3]提出了具有径向收敛直槽的密封面结构，如图 2(b)所示。分析表明：该结构与直槽端面结构相比，利用减小端面的接触面积，减小了端面间的摩擦力。因此，具有径向收敛直槽的密封结构进一步减小了磨损，延长了使用寿命。
尽管具有槽端面结构的机械密封使密封面间的所受到的压力以及接触面积降低，但密封面上仍然存在磨损。为进一步减小密封接触面间的摩擦力，有效利用被密封介质的压力，文献[3]提出并研究了具有端面径向收敛锥度的密封面结构，如图 3 所示。
从几何结构并结合工作原理进一步分析表明：对图 2 所示的机械密封结构而言，由于槽的介入以及对压差的有效利用，使得机械密封与静压型止推滑动轴承发生了联系，不仅体现着止推滑动静压型轴承在密封领域中的应用，而且也为滑动轴承相关理论在密封领域中的应用搭建了桥梁;而图 3 所示的具有端面径向收敛锥度的机械密封结构，其实质则是强化了静压效应的静压型止推滑动轴承。因此，从某种意义上讲，机械密封本质上可视为是滑动轴承，是滑动轴承在密封领域中的应用。
无论是图 2 还是图 3 所示的机械密封结构，当动环旋转后，受流体介质粘度、表面微观几何形貌不平度(表面粗糙度)以及表面波度等因素的影响[4]，在密封堰处形成流体介质的收敛区和发散区，如图 4 所示。并为在收敛区形成流体动压效应提供了客观条件，但受密封堰几何尺度和槽的几何结构的影响，形成的动压效应并不显著。因此，减少摩擦进而降低磨损且迫使密封面可能完全分离并实现密封面由接触式转化为非接触式的作用，主要依赖压差流产生的静压效应，并伴随有一定量的流体泄漏。
为减少磨损，机械密封的动环-静环接触面之间最为理想的是存在一层完整的、极薄的流体膜，同时，借助该流体膜所具有的阻尼和刚度特性实现密封。这种理念，促进了摩擦学、摩擦技术尤其是润滑理论等相关概念与技术在机械密封领域中的应用，涌现出诸如流体动压型、流体泵送型等机械密封，促进了密封技术的发展[5]。
2.2 流体动压型与泵送型端面密封
虽然机械密封环面因开槽将整个密封端面划分为槽区、堰区以及坝区三个部分，如图 2 所示。而槽区的存在以及密封堰区的表面波度等为密封过程中形成的收敛区和发散区进而建立动压效应提供了客观条件，如图 4 所示。但动压效应的建立也受开槽的方位、几何形状以及流体粘性等因素的影响。如，为解决高速离心式压缩机轴端密封问题提出的干气密封结构就是基于机械密封是滑动轴承在密封领域中应用的理念的体现，是气体动压滑动轴承的基本原理在机械密封领域中的具体应用，其典型代表是 T型槽机械密封、圆弧槽机械密封以及螺旋槽机械密封。这些机械密封虽然都是对动压效应及其强化的有效利用，但更重要的是实现了接触式端面机械密封与非接触式端面机械密封的相互转换。
T 型槽和圆弧槽机械密封端面几何结构示意图[6]，如图 5 所示。分析表明：与径向直槽和径向收敛直槽相比，表面上 T 型槽与圆弧槽增加了槽的面积，减少了密封接触面积，提高了静压效应的作用，但进一步的分析表明：(1)由于密封摩擦副面积的减小以及流体的粘性，使单位密封接触面积上的流体供给量增加，或者说，在压差的作用下，有更多的流体介质进入到由接触面表面波度和表面微观不平形成的收敛区和发散区内，在同等条件下强化了流体的动压效应;(2)由于摩擦作用，使密封摩擦副之间的流体被加热，同时也加热了摩擦副表面，不仅使之受热膨胀，而且使流体介质的粘度和密度等都发生变化，其结果导致密封摩擦副变形不均匀，使摩擦副表面产生一定程度的倾斜，间隙变为收敛间隙，并伴随附加的流体动压效应产生;此外，槽面积的增加，也使得静压效应增强，迫使密封摩擦副在力的作用下产生更大变形的同时助于提高密封对动压效应波动的稳定性。由于气体介质的可压缩性强，因此，与图 5(a)所示的 T 型槽结构相比，图 5(b)所示的圆弧型结构不仅可以减弱或消除槽内流体介质滞留，而且因具有入口角和流体介质的可压缩性使得圆弧槽可以吸入流体介质，在冷却密封环的边缘的同时，借助摩擦副内外侧的温差，槽内流体介质(尤其是液体)的体积膨胀，使密封面产生力变形和热变形，强化了流体动压效应，提高密封的稳定性。
在密封摩擦副之间形成楔形几何空间是建立流体动压效应并形成一层完整动压膜的必要条件之一。尽管加工误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(包括周向和径向)以及表面微观几何不平，但由于机械密封的特殊性(如要求在径向方向密封以及动环的旋转运动等)，因此，希望在周向方向上产生楔形几何空间，或者说，利用周向楔形几何空间，并借助流体介质的粘性和动环的旋转运动，在周向方向上形成完整的动压膜。为此，文献[7-8]提出了波浪型表面的机械密封，如图 6 所示。分析表明：从几何结构上讲，这种波浪型表面是槽形表面(图 6(b)所示)与径向收敛型表面(图 6(a)所示)叠加的结果;从密封机理的角度上讲，这种波浪型表面不仅强化了静压效应，而且也强化了动压效应，是动压效应与静压效应共同作用的结果。
产生楔形几何空间的另一个基本途径是利用几何不对称结构，借助密封摩擦副间的静压效应来实现。如，圆弧槽型表面结构中，当圆弧槽的个数为偶数时，在几何结构上是对称分布的，而当圆弧槽的个数是奇数时，在几何结构上是非对称分布的。由于非对称的几何结构导致了密封摩擦副间的作用力(如静压效应和动压效应)也是非对称分布的，因而产生了楔形几何空间，可以强化流体介质的动压效应。就几何构形而言，在密封摩擦副表面的楔形几何空间既可以沿周向布置，如图 6(c)所示的波浪型表面，也可以沿与径向成一定角度来布置，其典型代表则是在密封摩擦副表面开设的螺旋槽结构[9-11]，如图 7 所示。楔形几何空间方位、布局的变化导致了机械密封的密封机理发生了本质的变化。在图 7(b)所示的示意图中的动环与静环的相对运动方向条件下，流体介质不断被输送或吸入到螺旋槽内。由于螺旋槽内呈入口大，出口小的楔形几何空间，进入槽内的流体因流体的可压缩性不断被压缩，形成了动压效应，迫使密封摩擦副分离并借助流体的粘性和表面波度及表面微观不平沿密封环面形成一层完整的、具有一定厚度的流体膜，使接触式机械密封转化为非接触式机械密封。
值得关注的是，在图 7 所示的螺旋槽型机械密封结构中，尽管螺旋槽的开设为静压效应的有效利用提供了客观条件，但因螺旋槽的旋向与相对运动方向满足一定的关系时，产生了流体介质被输送或吸入到螺旋槽内的现象。这种现象实际上反映了结合相对运动速度的方向合理地开设螺旋槽可使机械密封具有一定的泵送功能，尤其是当螺旋槽开设在密封环的内侧，这种借助离心作用实现的泵送功能可将泄漏到低压侧的流体介质泵送到高压侧，实现上游泵送功能。若就实现泵送功能或效应而言，这种在密封环内侧开设螺旋槽的机械密封本质上就是离心泵，或者说，是离心泵在密封领域中的应用，只是流量小甚至流量为 0。为充分发挥螺旋槽型机械密封对流体介质的输送功能，在实现零泄漏的同时，实现密封摩擦副的非接触，文献[9]提出了分别在密封环外侧和内侧开设螺旋槽结构的密封结构，其本质是利用了高压侧(外侧)的螺旋槽的输送(吸入)功能和内侧螺旋槽的泵送功能。
一激光加工多孔(盲孔)端面机械密封端面示意图[12]，如图 8(a)所示。这种密封结构同样也具有良好的密封性能[13]。但就几何构成而言，无论是直槽、径向收敛槽、圆弧槽以及螺旋槽等都是一种特殊的型腔，而型腔又可被认为是异形盲孔，同时，因激光加工的特殊性使盲孔的底部呈现圆弧状，如图 8(b)所示。可构成具有收敛特性的楔形几何空间，因此，多孔端面的机械密封可以认为是机械密封的楔形几何空间沿端面法向方向的反方向布置的同时，楔形几何空间微型化或微造型的结果，但这种楔形几何空间布局、方位的变化，尤其是楔形几何空间的微型化(微造型)对机械密封的密封机理的影响(如泵送效应、毛细管效应等)有待进一步研究。由上述典型的几种密封结构的密封机理的分析可见，机械密封集滑动轴承和泵为一体，其密封机理是动压效应、静压效应与泵送效应综合作用的结果，而强化动压效应，并借助静压效应稳定动压效应的波动是机械密封的发展基础;借助表面微造型技术实现几何楔形和热效应是强化动压效应的基本措施。
3 结论
在端面机械密封的摩擦副间形成动压效应和泵送机制并实现零泄漏是端面机械密封的发展趋势，提高动滑膜的稳定性是研究的热点，而有效利用几何楔是形成动压效应与泵送机制以及提高动滑膜稳定性的基础，端面机械密封是集滑动轴承与泵类机械为一体的零流量的装置。
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