轴承保护在泵可靠性方面的作用

在非接触式与接触式密封之间作出选择,以延长使用寿命

作者:Neil Hoehle

20 世纪 70 年代的汽车里程表跨过了 100,000 英里的大关。 原因很简单:100,000 英里在 20 世纪 70 年代晚期是一项重大成就,几乎不需要记录超过该点的里程。 相对于今天而言,汽车可持续行驶超过 100,000 英里的可能性很小。 当时典型新车保修期仅为 12 个月或 12,000 英里。 当今,100,000 英里已不是一项成就,而是一种预期,而且许多汽车的保修甚至超过了这一里程。 工业旋转式设备,尤其是工业泵,已经历了类似甚至更为剧烈的变革。 90 天保修和每年泵改造曾经司空见惯,而如今,用户期望平均维修间隔时间 (MTBR) 是五年或更长时间。 可靠性科学的实际应用使其成为可能,尤其是对轴承使用寿命的关注已成为这一新现实情况的主要推动因素。

鉴于轴承故障等同于设备故障,对于有关工业旋转式设备可靠性的任何讨论,轴承保护都是一个必不可少的主题。 轴承箱密封主要防止两个主要故障原因:污染物进入和润滑油流失。 正确选择和设计轴承箱密封会对泵的可靠性产生重大影响。 因此,对轴承箱密封的基本知识和了解是任何进行实践的旋转式设备可靠性专业人员的先决条件。

接触式还是非接触式?

基本上,轴承箱密封分为两大类:接触式和非接触式。 接触式密封仅依靠接触来执行其密封功能。 如果没有接触,则没有密封。 相反,非接触式密封不依靠接触来执行其密封功能。 这不是说非接触式密封的设计不允许部件接触(例如,在安装或调整过程中),而是说无需接触即可实现正确功能。 对于非接触式密封,接触不是执行密封的机制。

接触式密封

接触式密封通常被进一步细分为骨架油封和磁力密封。 骨架油封广义上是指使用弹性体(通常为圆周接触式元件)的任何设计。 这种静态接触式元件通常借助弹簧被压靠在轴上,以确保实现正接触。 弹性体接触式元件通常由压装到围绕轴的轴承箱中的金属壳体加以固定。 骨架油封的主要优点是成本低。 此外它们还几乎可立即按所需的任何尺寸提供。 主要缺点是由于磨损,其使用寿命较短,并且由于与轴进行动态接触,它们还会导致轴磨损和损坏。

磁力密封是光学扁平的、本质上很简单的不平衡机械密封,它们对与机械弹簧相反的受压面施加磁吸力。 这些面通常由不同材料组成,例如碳和不锈钢或其他金属。 磁力密封相对于骨架油封的主要优点是它们不会损坏轴,因为所有动态接触均发生在密封内部以及这两个面之间。 磁力密封比骨架油封更加昂贵。

这两类接触式密封的优点都是能够密封润滑油的正向压力或静压液位(即,压头)。 它们的共同缺点是接触式密封是摩擦装置,在某个时间点会磨损并失效。 无法预计接触式密封失效的时间,以及任何特定密封安装的预期密封使用寿命。 尽管人们认为磁力面型密封比骨架油封具有更长的预期使用寿命,但其中任何一种接触式密封的实际使用寿命通常仍未知。

非接触式密封

非接触式密封可分为三个不同类别:间隙密封、传统迷宫式密封或复合迷宫式密封,通常称为 Bearing Isolator(轴承隔离器)。 间隙密封提供的保护最小,因为它们仅依靠间隙或紧间隙作为密封机制来阻挡大于此间隙的任何物质。 传统迷宫式密封在间隙密封设计中增加了一条复杂通道,以便进一步阻止任何物质通过此密封。 传统迷宫式密封通常是单向的,因此对于需要排除污染物和保留润滑油的轴承箱密封来说,这是不切实际的选择。 间隙密封和迷宫式密封价格低廉。

轴承隔离器

在 20 世纪 70 年代晚期,在该行业中引入了复合迷宫设计。 复合迷宫式密封使用静态和动态部件来保持润滑油并排除污染物。 这些复合迷宫式密封的发明者创造了“Bearing Isolator”一词,以区别更加传统的迷宫式密封。 此后,该术语已被普遍使用。 Bearing Isolator 是非接触式密封,因此具有无限的预期使用寿命。 由于它们在正常情况下不会出现故障,因此它们几乎不会导致设备停机。 作为非接触式密封,当必须密封润滑油的静压液面等压力,或者轴承箱可能被淹没时,Bearing Isolator 不是正确选择。 但对于润滑油和污染物飞溅情况,它们几乎始终是首选。 Bearing Isolator 的价格比骨架型接触式密封、间隙密封或简单的迷宫式密封更昂贵,但与磁力接触式密封相同或比它们更低廉。

表示 Bearing Isolator 普遍应用于泵轴承箱中是一种保守的说法。 泵在相关部件的系统内运行,仅几个关键元件的故障就会使整个系统停机。 轴承箱密封失效可能会并且确实会导致泵系统中断。 在过去几十年中,随着对更高可靠性和更长预期使用寿命的需求激增,骨架油封无法满足客户的期望。 使用无磨损的非接触式 Bearing Isolator 是实现当今行业中所需 MTBR 的根本之举。

像大多数工程决策一样,密封选择是一种权衡。 顾名思义,接触式密封确实提供正接触,因而可有效抵抗静压头和压力进行密封,但它们却受到有限使用寿命的困扰。 它们会在通常不知道的某个时间点失效,并且有无数个因素可能影响接触式密封的预期使用寿命。 当它们失效时,进行设备维修的时间也就不远了。 相反,非接触式 Bearing Isolator 不会失效,并且几乎不会降低整体设备可靠性。 实际上,它们排除了轴承箱密封成为故障点,这可提高可靠性。 因此,Bearing Isolator 是工业旋转式设备(尤其是工业泵)常见的默认选择。 自庆祝汽车达到 100,000 英里以来的几十年中,Bearing Isolator 的可用性和广泛应用已对旋转式设备的可靠性产生了重大影响。 可以说,如果没有 Bearing Isolator 技术,当前期望维修间隔为五年或更长时间将是不可能的。