綜述了近年來非接觸式機械密封中的發(fā)展概況，重點介紹了激光加工技術(shù)以及在機械密封端面改形及其表面處理的應(yīng)用。機械密封通過端面改形技術(shù)，端面被加工成規(guī)則的螺旋槽形、微凹坑、人字形等外形，改善密封性能，實現(xiàn)密封的非接觸，零泄露。激光技術(shù)的成熟與產(chǎn)品性能要求的進步是非接觸式動壓型機械密封發(fā)展的強大動力。盡管目前激光加工機械密封的研究應(yīng)用還存在很多不足，但激光加工無疑是2l世紀機械密封發(fā)展的一大趨勢。

　　1 前言

　　普通機械密封是依靠密封端面間的微凸體緊密接觸而將流體密封，因而這種密封在運轉(zhuǎn)中經(jīng)常表現(xiàn)為混合摩擦狀態(tài)，個別表現(xiàn)為邊界摩擦狀態(tài)。由于密封端面直接接觸，摩擦產(chǎn)生的熱量會使密封面溫度升高，密封面間介質(zhì)汽化，密封環(huán)變形，密封面磨損，甚至產(chǎn)生熱沖擊和熱裂等。盡管可以使用昂貴的冷卻和沖洗系統(tǒng)等輔助設(shè)施，但對于高速、高溫、低粘度等極端工況，往往不能從根本上解決題目。

　　非接觸式動壓型機械密封通常是在密封端面上人為地加工一些規(guī)則的流槽，如螺旋槽、圓弧槽、直線槽等。利用流體動壓效應(yīng)來進步密封的承載能力，減少端面問的磨損，極大地延長密封壽命。與傳統(tǒng)的機械加工相比，激光加工具有適用面廣，工件無機械變形、無污染、速度快、重復(fù)性好、自動化程度高等特點。激光加工端面改形及表面處理是機械密封領(lǐng)域中一項日趨成熟的新技術(shù)。利用脈沖激光束進行切割、打孔或者熱處理等，大大改良了機械密封的加工精度和密封性能。

　　2 非接觸動壓型機械密封

　　非接觸式機械密封經(jīng)過多年的發(fā)展，并形成了基于端面改形與表面處理而進步密封綜合性能的發(fā)展趨勢。目前，非接觸式機械密封種類很多，主要有各種槽壩型結(jié)構(gòu)的上游泵送機械密封，表面微凹坑結(jié)構(gòu)的非接觸式機械密封等密封。

　　2.1上游泵送機械密封

　　“上游泵送”機械密封的概念，最早是由JSedy受到螺旋槽氣體潤滑密封技術(shù)成功應(yīng)用的啟發(fā)而提出來的，他將這一技術(shù)應(yīng)用于流體介質(zhì)，從而開始形成了液體上游泵送密封技術(shù)。當端面外徑開設(shè)流體動壓槽的動環(huán)旋轉(zhuǎn)時，動壓槽把外徑側(cè)的高壓氣體在粘性剪切力的作用下“泵”進密封端面之間，使由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增加，而自槽徑至內(nèi)徑處氣膜壓力逐漸下降。當端面介質(zhì)壓力增加使所形成的開啟力大于作用在密封環(huán)上的閉協(xié)力時，迫使在靜止狀態(tài)下保持接觸的兩端面分離并處于穩(wěn)定的非接觸狀態(tài)。由于中間高壓介質(zhì)所形成的氣膜完全阻塞了密封介質(zhì)泄漏通道，從而實現(xiàn)了密封介質(zhì)的零泄漏或零逸出。上游泵送機械密封的端面形貌結(jié)構(gòu)多種多樣，回納起來主要有多圓葉臺階型、雷列臺階型、類螺旋槽型及組合式復(fù)雜槽型等四大類，其中尤以類螺旋槽機械密封的應(yīng)用最為普遍。

      2.2端面微凹坑機械密封

　　這個概念是由以色列教授Etsion最先提出來的，1994年他提出了在端面上加工很多孔(凹坑)能夠明顯進步機械密封性能的觀點。1996年又提出了環(huán)表面帶有規(guī)則微觀凹坑的機械密封，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　當兩環(huán)作相對轉(zhuǎn)動時，由于相對速度，流體粘度，液膜厚度變化等因素，會在凹坑及其四周區(qū)域產(chǎn)生流體動壓力，提供了使兩環(huán)分離的承載力，使兩環(huán)形成非接觸。1996年，他建立了評價這種機械密封的數(shù)學模型，通過假定公道的邊界條件，計算出了在不同幾何形貌的凹坑下密封的性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：根據(jù)密封工作狀況，選擇合適的凹坑大小和凹坑分布率，可以獲得優(yōu)異的密封性能，并確定了20％為凹坑的最佳分布率，同時也可以根據(jù)介質(zhì)粘性、密封壓力、凹坑比率等，來確定凹坑的大小。

　2.3端面改形機理

　　端面改形的機理是流體動壓效應(yīng)。基于流體消息壓潤滑理論，機械密封通過在一個密封環(huán)端面加工成一定外形的流體動壓槽，由這些槽產(chǎn)生分離兩密封端面的開啟力來達到非接觸，零泄露。但對于非接觸機械密封也存在著怎樣減小泄漏量，進步流體膜剛度和工作穩(wěn)定性等題目。同時，為了使加工出的流體槽最大程度的產(chǎn)生開啟力，要求加工時保證尺寸精度和表面粗糙度，這就給加工帶來了困難。近年來對不同槽型的特性進行了研究，這些槽型都具有外形復(fù)雜，結(jié)構(gòu)精細而精度高、粗糙度要求嚴格的特點。由于加工動壓槽的密封環(huán)多數(shù)是硬質(zhì)材料，所以加工有相當難度，機械加工方法幾乎無能為力。通過實踐摸索總結(jié)了一些方法，在密封端面上開各種槽型主要有光化學腐蝕法、電火花加工、電化學加工法、激光加工法等。

　　3 激光加工技術(shù)

　　自1960年美國科學家梅曼研制出第一臺紅寶石激光器，隨著世界科技與經(jīng)濟發(fā)展的需要，激光技術(shù)有了迅速發(fā)展，尤其近十幾年來的發(fā)展更為迅速，從而也極大地促進了激光加工技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。激光具有單色性、相干性、方向性和高光強特點。激光束易于傳輸，其時間特性和空間特性可以分別控制，經(jīng)聚焦后可得到極小的光斑，具有極高功率密度的激光光束可以熔化、氣化任何材料，也可進行局部區(qū)域的精密快速加工。

　　經(jīng)過多年來的研究開發(fā)和完善，當代的激光器和激光加工技術(shù)與設(shè)備已相當成熟，形成系列激光加工工藝。用于材料加工的激光器，主要有二氧化碳激光器、YAG激光器、準分子激光器和半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器以及飛秒激光器、光纖激光器等。