Page 141 - 摩擦学学报2025年第4期

第 4 期 赵祥, 等: 非接触式机械密封动特性中的辅助密封研究进展 629

弛豫数据移动到频域中，计算得到辅助密封的刚度和 5 结构优化
阻尼，如式(11~18)所示. 于焕光等 [14-111] 采用高频疲劳 辅助密封结构优化的主要目的是减小其产生的
试验机对O形圈开展了松弛试验，结果发现在一定范
摩擦阻尼，提升补偿环的追随性能，主要从辅助密封
围内，辅助密封刚度和阻尼随加载频率的增加而增
的结构和型式、安装沟槽结构以及摩擦学特性参数三
大，随位移幅值增加而减小. 转轴转速增加，动态刚度 方面展开. 影响辅助密封摩擦阻尼最关键的几何因素

逐渐增大而动态阻尼逐渐减小，到达某一临界值后，
为压缩率，在保证不泄漏的前提下适当减小压缩率，
两者均趋于稳定. 能够起到降低摩擦的作用，在解决核主泵机械密封补
时间域内松弛刚度的最简单表达为Prony级数： 偿环阻滞的问题上得到了应用 [113] .

k rel (t) = k 0 +k 1 e −αt (11) 聚四氟乙烯(PTFE)材料具有良好的耐磨性、较低
式中，t为时间；k 、k 和α由下式表达： 的摩擦系数和优良的自润滑性能 [114] . 常用与弹性元件
0
1
配合形成组合式密封圈. 弹簧蓄能密封圈常由C形的
k 0 +k 1 = k rel (0);k 0 = k rel (∞)
PTFE夹套和弹性元件组成，如图10所示，也常用于机
k 1
α = ∫ (12) [84,115–117]
∞ 械密封的辅助密封 . 由于PTFE和金属蓄能弹簧
[k rel (t)−k 0 ]dt
的优良的耐温性，使得弹簧蓄能密封圈能够在很宽的
0
Green和Szumsk指出，黏弹性材料的力-位移关系 温度范围内使用.
采用类似与应力-应变的本构关系来表达 [112] ：
∫ t
d
f (t) = k rel (τ)U (t −τ)dτ =
dt 0
∫ t (13) PTFE covering
d
k rel (t −τ)U (τ)dτ sleeve
dt 0
拉普拉斯变换有：
Energized spring
F (s) = sk rel (s)U (s) (14)
Fig. 10 Spring energy storage sealing ring [114]
式中，s为拉普拉斯参数. 将sk (s)定义为阻抗： 图 10 弹簧蓄能密封圈 [114]
rel

Z (s) = sk rel (s) (15)
辅助密封的安装沟槽也会影响密封圈的密封性
对式(11)进行拉普拉斯变化，并乘以系数s，有： [51]
能和摩擦阻尼. 黄柏淇等 设计了分体式沟槽，如图11
k 1 s
Z (s) = k 0 + (16) 所示，相比于整体式沟槽，分体槽补偿结构具有更小
s+α
的摩擦力和波动程度，在高速和强振动工况中追随性
在谐波激励下，阻抗变为
更优. 吴杰等 [118] 在弹簧蓄能密封圈的安装沟槽中增加
k 1 ω 2 k 1 α
( )
Z jω = k 0 + +j ω (17) 凸台，增大了BD距离，减缓了局部滑动到整体滑动的
α +ω 2 α +ω 2
2
2
突跳现象，为补偿环提供了比较平稳的摩擦力，这对
上式实部为O形圈的刚度，虚部与阻尼相关，有：
补偿环组件的浮动性和追随性是有利的，如图12所示.
k 1 ω 2
[ ( )]
k z (ω) = Re Z jω = k 0 + ;
α +ω 2
2
[ ( )] Stationary ring
Im Z jω k 1 α Spring seat
d z (ω) = = (18)
ω α +ω 2
2
基座激振响应质量法和松弛试验法为测量辅助
密封刚度和阻尼的常用测量方法. 但总体来看，试验
测量工作还比较欠缺，在辅助密封刚度和阻尼的研究
中，环境温度和蠕变松弛等因素的影响尚未考虑. 忽 O-ring
略外界振幅、频率和介质压力等因素变化对刚度和阻 Spring spacers
尼的非线性影响，不利于研究辅助密封引起的补偿环 Fig. 11 Splitting groove structure [51]
追随性问题. 图 11 分体槽结构 [51]