[摘 要] 本文基于GSB-W5型卧式高速离心泵开展油机械密封工作环境的试验研究，在保证润滑油路流量相同的情况下，观察在不同转速下油机械密封腔的压力及温度变化情况，并在额定转速下分析油机械密封腔温度与径向滑动轴承处的温度随时间变化的关系。研究结果表明，油机械密封腔的压力随着转速的提高而逐渐减小，油机械密封腔的温度则随着转速的提高而逐渐升高;在额定转速下，油机械密封腔与径向滑动轴承处的温度均随着时间的变化而逐渐升高，并分别稳定在45.0℃和52.6℃。
[关键词] 高速离心泵;油机械密封;径向滑动轴承;温度
低比转速高速离心泵(简称“高速泵”)一般指比转速在30~60之间的离心泵，它具有扬程高、流量小的特点，在航空航天、石油化工和轻工等领域有着广阔的应用前景[1]。低比转速高速离心泵小流量、高扬程的特点决定了其结构与水力特性异于一般离心泵，高速泵通常采用径向放射式直叶片开式叶轮，通过齿轮增速箱增速后叶轮转速可达30000rpm，扬程可达2000m以上[2]。近年来，高速泵为追求高的比功率，转速越来越高，外形越来越紧凑，从而要求各零部件在有限空间内的功能性更高、适应性更强，但高度集成性极易造成高速泵齿轮箱各零部件磨损严重。油机械密封是高速泵的核心零部件之一，通过弹性元件对静、动环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而起到密封的效果，是保证机组可靠运行的关键因素[3]。油机械密封在高速泵中安装在高速输出轴侧，主要作用是防止在正常运转过程中齿轮箱的润滑油发生泄漏，减少摩擦损失，提高运转效率[4]。由于油机械密封工作环境的特殊性，在温度较高的情况下同时承受一定的压力，在温度场、压力场的共同作用下油机械密封极易发生失效，从而导致滑动轴承烧瓦、齿轮轴系烧蚀，影响机组的正常运行[5]。
国内学者对机械密封的研究主要集中在密封原理探讨、机械结构设计等方面，关于分析机械密封工作环境方面的文献甚少，其实机械密封的失效主要由于其工作环境的特殊性[6-8]。因此，为了掌握机械密封的工作环境特性，深入分析故障发生的原因，为高速泵用油机械密封的合理化结 构设计提供理论参考，本文基于GSB-W5型卧式高速离心泵开展油机械密封工作环境的试验研究，在保证润滑油路流量相同的情况下，观察在不同转速下油机械密封腔的压力及温度变化情况，并在额定转速下分析油机械密封腔温度与径向滑动轴承处的温度随时间变化的关系。
1 试验设备及试验方法
1.1 试验设备
本文以GSB-W5型卧式高速离心泵为研究对象，如图1所示。 GSB-W5型高速泵为单吸、悬臂、卧置、后拉式、中心线安装、一级齿轮增速单级离心泵，主要由泵壳、齿轮增速箱、润滑系统、电机、底座及其附件组成，泵的入口为水平轴线方向，出口为垂直向上。 GSB-W5型高速泵水力部件主要由诱导轮、叶轮、导叶、后隔板、泵体、泵盖等组成，在装置汽蚀余量较低的情况下，可选配诱导轮以提高抗汽蚀性能。诱导轮、叶轮通过螺纹及花键安装在高速轴上，在旋转叶轮的作用下，将入口处的低能量液体，加速成高能量液体，将机械能转变为介质的势能。
1.2 试验方法
为了研究油机械密封的工作环境，专门设计GSB-W5型高速泵试验装置，试验装置空载运行，不考虑高速泵的叶轮、导叶扩压器、泵壳等过流部件，齿轮增速箱通过联轴器与主电机输出轴连接，齿轮增速箱、主电机、油冷却器、油过滤器等零部件布置在公用底座上，并在润滑油管路上设置流量计、温度计、压力表等测量仪表实时监测润滑油的工作状态。为了更直观地反映油机械密封的温度、压力变化情况，在油机械密封上加工测温孔、测压孔;为了观察径向滑动轴承处的温度变化情况，在径向滑动轴承上加工测温孔，使用温度传感器( WZP-240，安徽天康)和测温模块( 644HAI1J5M5，罗斯蒙特)在线采集温度变化信号，如图2所示。
2 结果与分析
2.1 油机械密封工作环境的试验研究
机械密封工作环境的特殊性是影响其工作特性和使用寿命的关键因素，日常机泵设备的维修工作中机械密封的更换、维修工作量占50%。油机械密封的工作环境温度通常较高，并存在一定的压力，高速旋转的摩擦副长期暴露在这种工作环境下容易发生热变形和压力变形，最终导致机械密封失效。机械密封摩擦副的密封环除了受到力和温度方面的应力导致变形外，还会由于热应力过大导致端面产生热应力裂纹，而热应力裂纹产生的主要原因是摩擦副的温度分布不均匀造成的[9]。因此，油机械密封工作环境的稳定性决定了油机械密封的工作特性和使用寿命，如何借助试验的手段直观地反映油机械密封的工作环境是本文研究的重点。为了对比不同转速对油机械密封腔的温度及压力变化的影响，在保证润滑油路流量相同的条件下依次改变高速泵的转速( 8357 rpm、11143 rpm、 13928 rpm、 16157 rpm)，借助温度变送器、压力变送器等试验设备实时采集油机械密封腔的温度及压力数据，为了保证试验结果的准确性，待试验过程中所有仪表的测量结果稳定后记录数据，如表1所示。
从表1试验数据可以看出，在润滑油路流量一定的条件下，当高速泵转速依次为8357r/min、11143r/min、 13928r/min、 16157r/min，对应的油机械密封腔温度分别为34.4℃、 36.8℃、 40.4℃、44.3℃;密封腔压力分别为13.38 kPa、 10.58 kPa、6.75 kPa、 1.86 kPa;径向滑动轴承的温度分别为38.7℃、 44.5℃、 49.0℃、 52.5℃。即随着高速泵转速的提高，油机械密封腔、径向滑动轴承处的温度逐渐升高，油机械密封腔的压力逐渐减小。油机械密封摩擦副的密封环由于摩擦产生的热量随着旋转速度的提高而迅速增大，齿轮箱内的润滑油带走摩擦面的热量后温度迅速升高。因此，油机械密封腔的温度随着转速的提高而升高，泵机组工作过程中为了防止润滑油温度过高通常配置油冷却器通过循环冷却水进行油温的控制。
为了保证油机械密封腔内部润滑油的流动性，滑动轴承设计回油孔，防止滑动轴承、油机械密封密封环温度过高发生失效。油机械密封腔内润滑油的流量主要由两部分组成，一部分通过滑动轴承的回油孔循环带走滑动轴承工作过程中产生的热量，另一部分则流经油机械密封的密封环摩擦面带走密封面摩擦所产生的热量。试验过程中在不同的转速下保证润滑油量的流量相同，即油机械密封腔内润滑油的总流量保持不变，而提高旋转速度后滑动轴承回油孔的回油量增大，则造成流经密封环摩擦面的润滑油量减少，因此随着泵转速的提高，油机械密封腔的压力逐渐减小。高速泵设计过程中应充分考虑润滑油总流量、滑动轴承回油量以及转速的匹配关系，防止泵转速过高造成滑动轴承、油机械密封等零件因润滑油供油量分配不均匀而失效。
2.2 温度—时间变化关系的试验研究
滑动轴承温度过高不利于轴瓦油膜的形成，从而加快轴承的磨损，油机械密封的密封摩擦面温度过高也影响其使用寿命[10]。为了掌握正常工作过程中油机械密封腔的温度变化情况，借助温度传感器和测温模块在线采集油机械密封腔、径向滑动轴承处的温度随时间变化的关系曲线，如图3所示。从图3可以看出，在额定转速下，油机械密封腔、前径向滑动轴承处的温度均随着时间的变化而逐渐升高，前径向滑动轴承处的温升速度明显高于油机械密封腔的温升速度，前径向轴承处温度场的迅速建立有利于滑动轴承轴瓦油膜的快速形成，减轻起泵过程中的刚性冲击对零部件造成的伤害。从图中还可以看出，起泵600s后，油机械密封腔、前径向滑动轴承处的温度逐渐趋于稳定，油机械密封腔与前径向滑动轴承处的温度分别稳定在45.0℃和52.6℃，稳定后前径向滑动轴承处的温度略高于油机械密封腔的温度。
3 结论
本文基于GSB-W5型卧式高速离心泵开展油机械密封工作环境的试验研究，在保证润滑油路流量相同的情况下，观察在不同转速下油机械密封腔的压力及温度变化情况。研究结果表明，油机械密封腔的温度则随着转速的提高而逐渐升高，油机械密封腔温度过高直接影响机械密封的工作稳定性和使用寿命。油机械密封腔的压力随着转速的提高而逐渐减小，因此在高速泵的设计过程中应充分考虑润滑油总流量、滑动轴承回油量以及转速的匹配关系，防止泵转速过高造成滑动轴承、油机械密封因润滑油供油量不足而损坏。此外，还研究了油机械密封腔温度与径向滑动轴承处的温度随时间变化的关系。试验结果表明，在额定转速下，油机械密封腔与径向滑动轴承处的温度均随着时间的变化而逐渐升高，并分别稳定在45.0℃和52.6℃，前径向轴承处温度场的快速建立有利于滑动轴承轴瓦油膜的快速形成，防止起泵过程中的刚性冲击造成零件损伤，该试验间接验证了径向滑动轴承设计的合理性。本文通过试验手段揭示了油机械密封在高速泵内部的工作环境，掌握油机械密封的工作环境不仅可以合理地分析油机械密封故障发生的原因，还可为高速泵用油机械密封的合理化结构设计提供理论参考。
◆参考文献
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[4] 潘强，徐卫忠，韩维涛，等. 液力透平机械密封泄漏的原因分析及改进[J].润滑与密封， 2015， (4)： 125-128.
[5] 图尔德胡勒•阿不都拉，阿达依•谢尔亚孜旦. 机械密封失效的影响因素与影响机制研究[J].现代制造技术与装备，2016， (6)： 21-22.
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[7] 单晓亮，胡欲立. 基于Ansys的机械密封环温度场分析[J].润滑与密封， 2006， (9)： 116-119.
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[9] 徐世君. 温度对机械密封的影响及分析方法[J].机械制造与自动化， 2007， (5)： 82-83.
[10] 孙泽刚，黄文权. 机械密封密封腔的流场及温度场[J].排灌机械， 2009， 27(3)： 200-203.
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