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1 機械密封的基本原理
渣漿泵機械密封裝置由動環與靜環組成密封端面，轉動部分由動環、動環座套和保護軸套等組成。動環與動環座套之間用螺栓連成一體，保護軸套上的鍵使動環與泵軸一起轉動。靜止部分由靜環、靜環座推環、調整彈簧和端蓋組成，彈簧通過靜環座推環使靜環與動環緊密貼合，并保持合適間隙約3～5µm，靜環O形密封環阻止靜環與靜環部件間的泄漏，并吸收運行時所產生的振動。動環由鎖緊環通過鎖緊螺栓緊固后抱緊軸套形成定位，確保動環座套在軸套上的位置，鎖緊環還可以避免因泵的軸向竄動導致動環與靜環的端面間隙產生變化。當泵轉動時，動靜環之間不斷產生相對運行，在運行接觸端面形成一層很薄的水膜不但起著動靜環的密封作用，還起著平衡壓力和潤滑、冷卻端面的作用。端蓋上的限位板確保機械密封在運輸途中不會因為震動等導致動靜環之間的間隙變化，在機械密封安裝定位后拆除
2 機械密封故障的分析
2.1 機械密封使用狀況
本標段盾構環流系統配置的渣漿泵全部采用機械密封的型式，自掘進開始至掘進到530m時開始安裝P2.2中繼泵，渣漿泵未出現機械密封的故障。掘進到850m時，P2.2泵的機械密封失效后更換新的機械密封，掘進到1180m時安裝中繼泵P2.3泵，掘進至1205m時P2.2中繼泵的機械密封失效，更換新的機械密封后，掘進至1229m時，P2.2中繼泵的機械密封又失效。機械密封的使用壽命分別為320m、355m和24m。
由上可知，機械密封的使用壽命較短，尤其是在全斷面粘土層或有少量巖層段掘進時，機械密封失效的情況更嚴重。一旦密封失效，機械密封的冷卻水先滲漏出來，如果仍繼續使用，短時間內就會出現嚴重的漏泥漿現象，若泵腔內泥漿壓力大，會出現噴漿。機械密封失效的情況均出現在盾構進入粘土層段。
2.2 故障分析
泥水平衡盾構在粘土層中掘進，受切削下的粘土團的影響，渣漿泵容易出現抽空并形成負壓，當管路暢通后管路壓力突然上升形成水錘，對泵腔產生巨大沖擊，導致泵體震動劇烈。正常情況下，發現泵有抽空現象時應立刻降低泵的轉速，減小水錘對泵腔的沖擊。然而在實際操作過程中，尤其是在掘進粘土層過程中抽空現象非常頻繁，操作者容易出現麻痹心理，從而導致泵的零部件包括機械密封損壞頻繁。
2.3 解剖機械密封，查找損壞原因
明確了機械密封在粘土層中的使用工況之后，對已經損壞的機械密封進行解剖分析，根據具體的損壞情況查找原因。
1)機械密封的狀況 機械密封拆解后，各傳動機構無變形，各連結構件無影響性能的損傷，輔助密封(橡膠O型圈)無影響密封性能的損傷，能可靠工作。動環與靜環的密封端面已經磨損嚴重，靜環端面局部有嚴重集瘤，應該是端面過度壓縮產生剛性接觸才會導致如此嚴重的磨損。靜環(窄環)端面磨損嚴重，靜環承磨臺磨進動環(寬環)達1.5mm，靜環端面磨損量1.5mm。
2)機械密封內各部件的位置關系 正常狀態下，動環與靜環的密封端面間隙在3～5µm，基本接觸在一起，靜環承磨臺端面與動環端面的間隙是2.5mm。對損壞的機械密封進行磨損量檢測，然后進行復原，并測繪各部件的相互位置關系，發現動環座套產生了竄動，向靜環方向竄動了約4.5mm，從而導致動環與靜環產生剛性接觸，造成密封端面磨損從而失效。測繪靜環端面的磨損量約3mm，靜環承磨臺面上的凹槽深度為0.5mm，動環端面上的凹槽深1.5mm，說明動環與靜環端面相對運動了4.5mm。進一步解剖發現，軸套上有明顯的動環座套圓形缺口位移的痕跡，位移量約4mm，進一步說明了動環座套位移的方向和距離。
3)動環座套位移原因分析 根據泥水盾構在粘土層中的掘進工況分析，當渣漿泵抽空出現負壓并緊接著產生水錘作用時，泵腔內的壓力波動范圍可以達到10～15bar。由于P2.2泵的位置處于環流系統的尾端，其之前的P2.3泵是定速泵，一旦P2.1泵出現負壓，經過P2.3定速泵之后，加劇了P2.2泵吸口處的負壓;管路流量恢復之后，P2.2泵的泵腔內產生水錘作用，瞬間的壓力波動會超過15bar。泵腔內壓力波動大，機械密封的動環座套被強大的壓力推動而產生了位移。由于機械密封的動環座套是通過鎖緊環和鎖緊螺栓鎖緊在軸套上的，正常情況下具備抵抗8bar以內的壓力波動。由于在粘土層中掘進泵腔壓力超過了鎖緊環的鎖緊力范圍，導致動環座套產生位移，使動環端面和靜環端面產生剛性接觸，致使端面磨損而無法形成密封水膜，會導致機械密封失效。
3 解決方案
3.1 更換成填料密封
針對以上原因分析，說明機械密封適用于泵腔壓力波動較小的流體輸送系統中，比如環流系統中的P1.1泵，由于輸送介質是均勻泥漿，泵腔內壓力波動非常小，此泵的機械密封一直使用狀態良好。在粘土層中掘進時，排泥管路中的壓力波動無法避免，所以機械密封不適用于泥水盾構在粘土層中掘進，可以改用填料密封。填料密封的優點在于壓力波動大小不會影響密封效果，密封箱或者軸套產生軸向竄動與否不影響填料的密封性。這樣，就可以避免粘土層中因為機械密封經常失效而導致的會停機更換配件的情況，可以提高掘進效率。
3.2 改進機械密封
現有機械密封的動環座套定位是通過鎖緊環受擠壓力抱緊軸套形成對軸套的摩擦力來實現定位，壓力波動足夠大之后，產生的推力就會大于鎖緊環在軸套上的摩擦力，從而推動動環座套位移。所以提高鎖緊環的鎖緊力是關鍵。具體可以采用如下2種方法：①在鎖緊環上安裝定位螺栓，并在軸套上鉆定位孔，機械密封定位后，將定位螺栓鎖死，使鎖緊環與軸套形成剛性連接，提高鎖緊力;②在鎖緊環安裝的一段對應軸套上的位置加工外螺紋，并將鎖緊環內圓加工成對應的內螺紋，將鎖緊環與軸套的鎖緊改成螺紋連接方式，較大限度地提高鎖緊環的鎖緊力，對動環座套形成有效定位，抵抗泵腔內的壓力波動。
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