行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
智慧型機械軸封研究(I)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2212-E-151-015- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學機械工程系 計畫主持人： 張國明 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 17 日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
智慧型機械軸封研究(I)
計畫編號：NSC 94-2212-E-151-015 執行期限：94年8月1日至95年7月31日 主持人：張國明 國立高雄應用科技大學 機械系 計畫參與人員：李文仁、吳嘉容、翁志維 一、中文摘要 本計畫為二年期研究計劃，執行智慧 型機械軸封研究。第一年探討最佳封面間 隙以作為智慧型機械軸封封面間隙控制 之參考值。透過電腦模擬，在不同的軸轉 速下，封面間隙愈大造成的流體洩漏量也 愈大。封面粗糙度方向角為 45 度時，所 產生的洩漏量較小；一平滑面與一固定粗 糙面所產生的洩漏量最小。 關鍵詞：機械軸封、封面間隙、洩漏量Abstract: This project is a two-year research
on the smart mechanical seal. In the first year, the research goal is to obtain the optimal face gap, which will be taken as the reference gap on the face gap control of smart mechanical seal. Through the computer simulations, it is shown that the more face gap will result in the more fluid leakage under the different axle rotation speed. It is also given that 45-degree face roughness orientation and one smooth face with one fixed roughness face yield relatively small fluid leakages.
Keywords: mechanical seal, face gap, leakage.
二、緣由與目的 工廠中流體輸送機械為了防止流體 自傳動軸與機械外殼間之間隙外洩，目前 大 多 數 皆 採 用 機 械 軸 封(Mechanical seal)[1]來達到止洩目的。機械軸封依據軸 封面接觸情況區分為接觸型機械軸封及 非接觸型機械軸封兩種。接觸型機械軸封 被設計為操作時兩封面保持緊密接觸，在 高摩擦及高磨耗代價下降低流體洩漏；非 接觸型機械軸封則被設計為操作時兩封 面保持微小的分離，在些許洩漏下降低摩 擦熱的產生及磨耗。當要密封在高壓或高 速下進行長時間運轉時，可把非接觸型機 械軸封視為接觸型機械軸封的一個可能 的替代品。 避免封面接觸是排除機械軸封故障 主要之務，不管是從軸封設計參數的選定 或操作狀態的監測可說是避免封面接觸 消極性、被動性所採取的措施。Dayan 等 人[2]從實驗上的成果「封面間隙的調整可 以減小封面間的相對不對位量與消除封 面接觸」建構一主動控制消除封面接觸之 彈性鑲嵌轉子型機械軸封，設計二迴路控 制結構。經由渦電流近接探針量測封面間 隙，內迴路透過調節旋轉封環封廂內壓力 大小以控制維持設定之封面間隙。當封面 接觸情況被檢測到時，外迴路依據探針量 測信號的變化差異予以調整設定封面間 隙之值。Dayan 等人對機械軸封提出主動 控制封面間隙方法為機械軸封研究開啟 了嶄新的研究方向。 鑒於近年來由於油壓系統及裝置性 能提高而趨向高速化、高壓化、密度化及 智慧化，更由於環保法規日益嚴謹，加上 工業衛生安全的重視，對於低洩漏甚至零 洩漏機械軸封的需求愈來愈高，致力於開
2 發新型機械軸封以因應此嚴苛操作條件 為一迫切重要之務。目前機械軸封或多或 少仍具有下列缺失： (A) 有時靜止待機的幫浦，其洩漏量甚至 遠高於運轉中的幫浦； (B) 機械軸封在某些操作條件下，雖然是 呈現由液膜(或潤滑液膜)分離封面的 狀況，但是大多數的操作，仍會產生 封面互相接觸或邊界潤滑的現象； (C) 縱使處於正常操作狀況時，可以保持 液膜(或潤滑液膜)分離封面的狀況， 但是在啟動、停機，與產生操作壓力 波動的時，封面的接觸仍會產生； (D) 封面壓力與封面相對速度的組合因 素，也影響到封面於操作時，因摩擦 所產生的熱量，如果此熱量無法有效 的消散於周圍的環境，將會使封面間 的液膜蒸發，破壞液膜的形成； (E) 液膜太薄，將會造成封面增快摩耗而 增加洩漏量；液膜太厚，將增加洩漏 量。 基於非接觸軸封仍存在多項缺失，本 研究計劃對於非接觸機械軸封作深入且 實務性的研究，研究建構一智慧型機械軸 封，達成減少洩漏量與封面摩耗之效果， 進而延長軸封之使用壽命。 三、機械軸封數學模型 考慮一非接觸機械軸封，其示意圖如 圖一所示。 圖一、機械軸封示意圖 含粗糙度效應的廣義平均潤滑方程式(經 由無因次化處理) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ Y P Q X P Q X PH p xy p p xx pφ φ 3
( )
PH T Y P Q X P Q Y PH p yy p p yx p ∂ ∂ ΛΓ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ + 3 φ φ 2(
so Y)
s xy X so s xx X PH Rn PH Rn PHRn X 1 1 − − + + ∂ ∂ Λ + φ φ(
so Y)
s yy X so s yx Y PH Rn PH Rn PHRn Y 1 1 − − + + ∂ ∂ Λ + φ φ 式中RnX =−Y，RnY =X， ijs p ij φ φ , 為流量因子， 2 0 2 0 6 h P r a Ω = Λ µ 是一軸承數 (Ω:軸轉速(rad s)、r0: 外半徑(m)、h0:非槽區氣膜厚度(m)、Pa: 大氣壓力(Pa)、µ:流體黏滯係數) ，( )
( )
c p D a D b D Q =1+3 π +6 ⋅ (D:反Knuders 數、a,b,c為稀薄氣體係數)。有關流量因 子之詳細分析可參考文獻[3]；在軸封分析 上對封面之粗糙度亦加於考慮，粗糙度參 數定義其粗糙度方向角可參考文獻[4]。在 連續性條件下，氣體沿徑向在任何一個圓 周截面上流量都相等，所以只考慮氣體在 內徑處的洩漏量。即qx和qy沿著內徑邊界 線進行積分。(
)
y ds y p h x x p h ds yq xq Q s y x∫
∫
⎟⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ − = + = s 3 3 12 12µ µ 採用無因次量 0 0 0 0 , , , r y Y r x X p p p h h H = = = = 可得洩漏量的無因次化∫
⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ − = s ds r y r r y r p p p h h h r x r r x r p p p h h h Q 0 0 0 0 0 0 3 0 3 3 0 0 0 0 0 0 0 3 0 3 3 0 12 12µ µ rY ds Y r P p H h X r X r P p H h s∫
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ − = 0 0 0 3 3 0 0 0 0 3 3 0 12 12µ µ3 µ0 3 0 3 3 12 12 p h ds X X P H X X P H s × ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ − =
∫
上式中的負號，表示氣體流出控制體積， 為了方便起見，可以取絕對值。令無因次 化的洩漏量為Q，則(
0 µ)
3 0p h Q Q= ，因此 洩漏量 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ h m3 =無因次洩漏量 0 3600 3 0 × × µ p h 四、模擬 在電腦模擬分析上，封面溝槽假設為 螺旋槽型式，其螺旋槽方程式[5]為( )
g e r r= i θtanα ， 螺旋角 =1600 g α 四條剖面線所產生的壓力分佈，如圖二所 示。 圖二、四條剖面線示意圖 第1 條剖面線：（0.7727，0.2071）到 （0.9659，0.2588）。 第 2 條剖面線：（-0.2071，0.7727）到 （-0.2588，0.9659）。 電腦模擬分析結果如下： (1) 壓力分布： (A) 第 1 條剖面線 圖三、壓力分布(粗糙度方向角=0 度) 圖四、壓力分布(粗糙度方向角=45 度) 圖五、壓力分布(粗糙度方向角=90 度)4 (A) 第 2 條剖面線 圖六、壓力分布(粗糙度方向角=0 度) 圖七、壓力分布(粗糙度方向角=45 度) 圖八、壓力分布(粗糙度方向角=90 度) (2) 洩漏量： 不同粗糙方向角在不同氣膜厚度下所產生的洩漏量變化 (轉速=3000rpm) 0.00035 0.00235 0.00435 0.00635 0.00835 0.01035 0.01235 0.01435 0.01635 0.01835 0.02035 0.02235 0.02435 0.02635 1 2 2.75 3 4 5 非槽區氣膜厚度 洩 漏 量 0度 45度 90度 圖九、洩漏量(轉速=3000rpm) 不同粗糙度方向角在不同氣膜厚度下所產生的洩漏量變化 (轉速=7000rpm) 0.0005 0.0025 0.0045 0.0065 0.0085 0.0105 0.0125 0.0145 0.0165 0.0185 0.0205 0.0225 0.0245 0.0265 0.0285 0.0305 1 2 2.75 3 4 5 非槽區氣膜厚度 洩 漏 量 0度 45度 90度 圖十、洩漏量(轉速=7000rpm) 不同粗糙度方向角在不同氣膜厚度下所產生的洩漏量變化 (轉速=11000rpm) 0.00104 0.00315 0.00526 0.00737 0.00948 0.01159 0.01370 0.01581 0.01792 0.02003 0.02214 0.02425 0.02636 0.02847 0.03058 0.03269 0.03480 1 2 2.75 3 4 5 非槽區氣膜厚度 洩 漏 量 0度 45度 90度 圖十一、洩漏量(轉速=11000rpm)
5 電腦模擬設定數據及結果可參考表 一~八。從模擬結果上可歸內下列幾點結 論： 1. 當非槽區氣膜厚度愈大，其最大壓力愈 小。粗糙度方向角=45 度時，所產生的 最大壓力較小。 2. 當非槽區氣膜厚度愈大，其負載愈小。 粗糙度方向角=0 度和 90 度時，所產生 的負載幾乎相同且較大。 3. 當非槽區氣膜厚度愈大，其洩漏量愈 大。粗糙度方向角=45 度時，所產生的 洩漏量較小。 4. 相同的粗糙度表面所產生的最大壓力 最大，一平滑面與一固定粗糙面所產生 的最大壓力最小。 5. 相 同 的 粗 糙 度 表 面 所 產 生 的 負 載 最 大，一平滑面與一固定粗糙面所產生的 負載最小。 6. 一平滑面與一滑動粗糙面所產生的洩 漏量最大，一平滑面與一固定粗糙面所 產生的洩漏量最小。 五、結論 不管在任何軸轉速下，在非接觸機械 軸封洩漏量電腦模擬分析顯現封面間隙 愈大造成的流體洩漏量也愈大之結果，並 無最佳之封面間隙以獲得最少之洩漏量 之成效。因此，在第二年智慧型機械軸封 研究中，如何穩定控制最小封面間隙以獲 致較小的流體洩漏量，並能同時保證固定 封面與旋轉封面無接觸摩差現象發生。 六、參考文獻
1. Muller, Heinz K. and Nau, Bernard S., “Fluid Sealing Technology: Principles and Applications,” Marcel Dekker, Inc., New York, 1998.
2. Dayan, J., Zou, M., and Green, I., “Contact Elimination in Mechanical Face Seals Using Active Control,” IEEE Trans. Control Systems Technology, Vol. 10, pp. 344-354, 2002.
3. Li, Wang-Long and Weng, Cheng-I, “Modified Average Reynolds Equation for Ultra-Thin Film Gas Lubrication Considering Roughness Orientations at Arbitrary Knudsen Numbers，WEAR, Vol.209, pp.292-300, 1997.
4. Li, Wang-Long, “Modeling of head/disk interface – an average flow model,” Tribology Letters，Vol 17, pp. 669-676, 2004.
5. Miller, Brad A. and Green, Itzhak, “Semi-Analytical Dynamic Analysis of Spiral-Grooved Mechanical Gas Face Seals,” ASME Journal of Tribology，Vol 125, pp. 403-413, 2003.
6 表一
7 表三
8 表五
9 表七
