3-1接觸式機械密封技術(shù)

實現(xiàn)以人為本—健康安全環(huán)保經(jīng)濟—現(xiàn)代化生產(chǎn)新理念3.接觸式機械密封技術(shù)

(ContactingMechanicalFaceSeal)主講人:郝木明,孫鑫暉目錄3.1機械密封的發(fā)展進程及方向3.2機械密封的結(jié)構(gòu)、原理及特點

3.3機械密封的分析計算3.4釜用機械密封3.5機械密封輔助系統(tǒng)3.6接觸式機械密封存在的問題3.1機械密封的發(fā)展進程及方向3.1.1發(fā)展進程表3-1機械端面密封的發(fā)展簡史年代歷史事件PsV值水平/(MPa·m/s)發(fā)展的動力18851900190819191920

1930

19401945

1957英國第一個端面密封的專利開始用于軸承密封汽輪機上出現(xiàn)幾個端面密封出現(xiàn)單端面密封用于小型家用冷凍壓縮機和車水泵用于內(nèi)燃機水泵

在一定程度上解決輕烴泵密封出現(xiàn)平衡型和中間環(huán)高壓高速機械密封

美國西樂Sealol公司第一個金屬波紋管機械密封高溫密封

＜1.0

3.04

14.7

30

液壓傳動、蒸汽機和機床產(chǎn)生作為油封

結(jié)構(gòu)上單、雙端面密封形成機械密封機械加工和材料方面的技術(shù)進步

石油化工發(fā)展；石墨、陶瓷、硬質(zhì)合金等新材料；密封面粗糙度的改進，由Ra0.2μm改為Ra0.05μm航空、石油化工等工業(yè)要求（400℃以上）續(xù)表3-1機械端面密封的發(fā)展簡史年代歷史事件PsV值水平/(MPa·m/s)發(fā)展的動力1960

1963-19691974

1977

1985

1990年以后出現(xiàn)熱流體動力楔機械密封流體

流體靜壓密封、流體動壓密封及工業(yè)上應(yīng)用出現(xiàn)新的密封面材料碳化硅和優(yōu)質(zhì)不同浸漬碳石墨

出現(xiàn)各種密封的組合機械密封和螺旋槽干運轉(zhuǎn)氣體密封工業(yè)應(yīng)用密封面變形協(xié)調(diào)和材料合適配對工藝流體的零泄漏和零逸出密封技術(shù)迅速發(fā)展

非接觸(表面改形技術(shù))機械密封發(fā)展

167～267

353

500

700

≥1000原子能工業(yè)要求；結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)流體靜壓、流體動壓和熱流體動壓密封(動力楔和動壓墊效應(yīng))

宇航和核電特殊要求；結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)多級密封；材料有碳化硅和優(yōu)質(zhì)碳石墨由于宇航和核電需要，出現(xiàn)螺定—機械密封、浮環(huán)—機械密封和螺旋槽密封用于高PV值熱水泵密封，環(huán)境保護、長壽命和安全生產(chǎn)要求API610、API682、STLESP-30等新標準用激光加工、表面改形技術(shù)、計算機技術(shù)和密封設(shè)計理論發(fā)展機械密封的目前水平：單級壓力：10-3Pa～35MPa；使用溫度：最高達1000℃；最低可達低溫深冷；機器轉(zhuǎn)速：高達50000r／min；PsV值：達1000MPa·m／s。3.1.2機械密封技術(shù)的發(fā)展方向按摩擦副端面的摩擦潤滑狀態(tài)分：接觸式機械密封（包括液體潤滑的“濕運轉(zhuǎn)密封”和氣體潤滑的“干運轉(zhuǎn)密封”）；非接觸式機械密封（包括“液膜密封”、“氣膜密封”和“氣液混膜密封”等）。接觸式密封：減少泄漏、降低磨損、提高可靠性和工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。非接觸式密封：實現(xiàn)無泄漏（液相零泄漏和汽相零逸出）無污染功能、提高流體膜剛度和工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。3.2機械密封的結(jié)構(gòu)、原理及特點

3.2.1機械密封結(jié)構(gòu)及工作原理機械密封是一種依靠彈性元件對靜、動環(huán)端面密封副的預(yù)緊和介質(zhì)壓力與彈性元件壓力的壓緊而達到密封的軸向端面密封裝置，（圖2-1）故又稱端面密封。機械密封的基本構(gòu)成：端面密封副（靜環(huán)1和動環(huán)2）；彈性元件（如彈簧4）；輔助密封（如O型圈8、9和10）；傳動件（如傳動銷3和傳動螺釘6）；防轉(zhuǎn)件（如防轉(zhuǎn)銷11）和緊固件（如彈簧座5、推環(huán)13、壓蓋12、緊定螺釘6與軸套14）。圖4-1典型機械密封示意圖1-靜環(huán)，2-動環(huán)3-傳動銷，4-彈簧，5-彈簧座，6-緊定螺釘，7-傳動螺釘，8、9、10-O形環(huán)，11-防轉(zhuǎn)銷，12-壓蓋，13-壓環(huán)，14-軸套Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ——泄漏點返回機械密封基本組成和作用

1）動環(huán)和靜環(huán)是機封組成的核心，也是研究的重點。端面密封性能在很大程度上標志著機封的技術(shù)水平，因為其它泄漏渠道的密封（為靜密封）是較容易解決的。2）彈性元件（彈簧、波紋管、隔膜等）為主要零件的緩沖補償機構(gòu)，是機封保證密封可靠性的重要條件。①預(yù)緊作用：使動靜環(huán)端面保持貼合；②減振作用：軸的振動如果不加緩沖地直接傳遞到密封端面上，那么密封端面就不能始終保持貼和而使泄漏量增加；③緩沖補償作用：若給摩擦副施加過大軸向載荷而導(dǎo)致端面嚴重磨損，若無緩沖補償機構(gòu)，勢必會造成端面間隙越來越大，泄漏量增加。故機封都采用彈性元件和輔助密封圈建立緩沖補償機構(gòu)，以緩沖振動、磨損給端面帶來的不良影響。3）輔助密封圈（O形、V形、楔形環(huán)等異形密封圈）是解決密封端面以外的微動密封問題中所不可缺少的組成部分，同時也起到浮動和緩沖的作用。材料要耐熱、耐寒并與介質(zhì)有相容性（橡膠、石棉、膨脹石墨等）。4）傳動件（傳動銷、傳動環(huán)、傳動座、傳動套、傳動鍵、傳動凸耳或牙嵌聯(lián)合器）將軸的轉(zhuǎn)距傳遞給動環(huán)的作用。材料耐蝕、耐磨。5）固緊件（緊定螺釘、彈簧座、壓蓋、組裝套、軸套）起到靜、動環(huán)的定位、固緊和盛裝的作用。①定位準確，保證摩擦副密封面處于正確的位置，并且保持良好的彈簧比壓；②拆裝方便，容易定位，能重復(fù)使用，與輔助密封配合應(yīng)注意有安裝密封環(huán)的倒角和環(huán)的壓彈量。五個泄漏渠道：

①、靜環(huán)與動環(huán)的端面之間—Ⅰ：旋轉(zhuǎn)動密封，主要泄漏通道；②、靜環(huán)與密封壓蓋之間—Ⅱ：靜密封；③、動環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸（軸套）之間—Ⅲ：往復(fù)密封；④、密封壓蓋與殼體之間—Ⅳ：靜密封；⑤、軸套與軸之間—Ⅴ：靜密封；1）按使用密封的機器或設(shè)備分類：泵用機械密封、風(fēng)機用機械密封、釜用機械密封。3.2.2機械密封的基本型式2）按工作參數(shù)分類：3.3機械密封的分析計算2）按工作參數(shù)分類：3）按結(jié)構(gòu)型式分類：①平衡式和非平衡式能使介質(zhì)作用在密封端面上的壓力卸載的為平衡式機械密封；不能卸載的為非平衡式機械密封。按卸載程度不同，平衡式機械密封又可分為部分平衡式(部分卸載)和過平衡式(全部卸載)。平衡式機械密封端而上所受的力隨介質(zhì)壓力的升高變化較小，因此適用于高壓密封；非平衡式機械密封端面所受的力隨介質(zhì)壓力的變化較大，因此只適用于低壓機械密封。平衡式機械密封能降低端面上的摩擦和磨損，減小摩擦熱，承載能力大。但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般需在軸或軸套上加F出臺階，成本較高。非平衡式結(jié)構(gòu)簡單，在介質(zhì)壓力小于0.7MPa時，使用廣泛。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：①平衡式和非平衡式3.2.2機械密封的基本型式①平衡式和非平衡式3.2.2機械密封的基本型式載荷系數(shù)K①平衡式和非平衡式3.2.2機械密封的基本型式載荷系數(shù)K3）按結(jié)構(gòu)型式分類：②內(nèi)置式和外置式彈簧和動環(huán)安裝在密封箱內(nèi)與介質(zhì)接觸的為內(nèi)置式，彈簧和動環(huán)安裝在密封箱外不與介質(zhì)接觸的為外置式。內(nèi)置式可利用密封箱內(nèi)介質(zhì)壓力來密封，元件均處于流體介質(zhì)中，密封端面的受力狀態(tài)以及冷卻和潤滑情況好，常用結(jié)構(gòu)型式。外置式大多數(shù)零件不與介質(zhì)接觸，暴露在設(shè)備外，便于觀察、安裝及維修。但介質(zhì)壓力與彈性元件的彈力方向相反，當介質(zhì)壓力有波動，而彈簧補償量不大時，會導(dǎo)致密封不穩(wěn)定甚至嚴重泄漏。外置式僅用于強腐蝕、高粘度和易結(jié)晶介質(zhì)以及介質(zhì)壓力較低的場合。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：③內(nèi)流式和外流式介質(zhì)泄漏方向與離心力方向相反的為內(nèi)流式機械密封，介質(zhì)泄漏方向與離心力方向一致的為外流式機械密封。由于內(nèi)流式機械密封中離心力阻止泄漏流體，其泄漏量較外流式的小，密封可靠，適用于高壓處。當轉(zhuǎn)速極高時，為加強端而潤滑采用外流式機械密封較合適，但介質(zhì)壓力不宜過高，一般為l～2MPa。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：④靜止式和旋轉(zhuǎn)式彈簧不隨軸一起旋轉(zhuǎn)的為靜止式；彈簧隨軸一起旋轉(zhuǎn)的為旋轉(zhuǎn)式。由于靜止式彈簧不受離心力影響，常用于高速中。旋轉(zhuǎn)式的彈性元件裝置簡單，徑向尺寸小，是常用結(jié)構(gòu)，但不宜用于高速。因為在高速情況下的不平衡質(zhì)量易引起振動和介質(zhì)被強烈攪動。線速度大于30m/s時，宜采用靜止式。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：⑤單彈簧式和多彈簧式補償機構(gòu)中只有一個彈簧的為單彈簧式或大彈簧式，有多個彈簧的稱多彈簧式或小彈簧式。單彈簧式端面上的彈簧壓．尤其在軸徑較大時分布不均。多彈簧式的彈簧壓力分布相對均勻。單彈簧式常用于較小軸徑(d≤80～150mm)。而多彈簧式適用于高速、大軸徑。但多彈簧式彈簧絲直徑細，當有腐蝕或結(jié)晶顆粒積聚易引起彈簧失，寧可采用單彈簧式。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：⑥單端面式和雙端面式由一對密封端面組成的為單端面機械密封；由二對密封面組成的為雙端面機械密封。當兩對端面沿軸向布置時為軸向雙端面機械密封；當兩對端面沿徑向布置時為徑向雙端面機械密封。單端而機械密封結(jié)構(gòu)簡單、制造和安裝容易，一般用于介質(zhì)本身潤滑性好和允許有微量泄漏的情況，是最常用的機械密封型式。但當介質(zhì)有毒、易燃、易爆以及對泄漏量有嚴格要求時，不宜使用。雙端面機械密封適用于介質(zhì)本身潤滑性差、有毒、易燃、易爆、易揮發(fā)、含磨粒及氣體等。徑向雙端面機械密封結(jié)構(gòu)較軸向雙端面機械密封緊湊。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：⑥單端面式和雙端面式軸向雙端面機械密封有面對面或背靠背布置的結(jié)構(gòu)。這種密封工作時如在兩對端面間引入高于介質(zhì)壓力0.05～0.15MPa的封液，以改善端面間的潤滑及冷卻條件，并把介質(zhì)與外界隔離，有可能實現(xiàn)介質(zhì)“零泄漏”。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：⑦接觸式和非接觸式接觸式機械密封是指密封面微凸體接觸的機械密封。非接觸式機械密封是指密封面微凸體不接觸的機械密封。非接觸式又可分為流體靜壓和流體動壓兩類。流體靜壓密封系指利用外部引入的壓力流體或被密封介質(zhì)本身，通過密封端面的壓力降產(chǎn)生流體靜壓效應(yīng)的機槭密封。流體動壓密封系指利用端面相對旋轉(zhuǎn)自行產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)的機械密封，如螺旋槽端面機械密封。接觸式機械密封的密封面間隙h=0.5～2μm，摩擦狀態(tài)為混合摩擦和邊界摩擦；非接觸式機械密封的密封面間隙，對于流體動壓密封h=>2μm，對于流體靜壓密封h>5μm，摩擦狀態(tài)為流體摩擦、彈性流體動力潤滑。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：⑦接觸式和非接觸式普通機械密封大都是接觸式，而可控間隙機械密封是非接觸式。接觸式機械密封結(jié)構(gòu)簡單，泄漏量小，但磨損、功耗和發(fā)熱量都較大，在高速、高壓下使用受到限制。非接觸式機械密封的功耗和發(fā)熱量小，正常工作時沒有磨損，能在苛刻工況下工作，但泄漏量較大。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：⑧單級和雙級密封使密封介質(zhì)處于一種壓力狀態(tài)為單級密封；處于二種壓力狀態(tài)為雙級密封。前者與單端面密封相同，后者二級密封串聯(lián)布置，介質(zhì)壓力依次遞減，可用于高壓工況。如介質(zhì)壓力很高，可以將多級密封串聯(lián)，成為多級機械密封。3.2.2機械密封的基本型式3）按結(jié)構(gòu)型式分類：⑨波紋管機械密封按所用材料不同：金屬、聚四氟乙烯和橡膠波紋管機械密封。波紋管型密封在軸上沒有相對滑動，對軸無磨損，隨動性好，適用范圍廣。金屬波紋管又可分為焊接金屬和液壓成型金屬波紋管。金屬波紋管本身能代替彈性元件，耐蝕性好，可在高、低溫下使用。聚四氟乙烯波紋管耐腐蝕性好，可用于各種腐蝕介質(zhì)中。橡膠波紋管因橡膠價格便宜，使用廣泛，使用溫度受不同膠料性能的限制。3.2.2機械密封的基本型式圖3—2（1）內(nèi)裝內(nèi)流多彈簧旋轉(zhuǎn)接觸式機械密封

圖3—2（2）內(nèi)裝內(nèi)流多彈簧靜止接觸集裝式機械密封圖3—2（3）內(nèi)裝內(nèi)流多彈簧旋轉(zhuǎn)接觸集裝式機械密封圖3—2（4）外裝外流多彈簧旋轉(zhuǎn)接觸式機械密封圖3—2（5）雙端面波紋管接觸集裝式機械密封

圖3—2（6）內(nèi)裝內(nèi)流雙端面單彈簧接觸式機械密封

圖3—2（7）內(nèi)裝內(nèi)流單端面單彈簧集裝接觸式機械密封圖3—2（8）內(nèi)裝內(nèi)流雙端面多彈簧集裝非接觸式干氣密封

圖3—2（9）內(nèi)裝內(nèi)流多端面（串聯(lián)）多彈簧非接觸式干氣密封

圖3—2（10）剖分式機械密封

3.2.3機械密封的優(yōu)點密封性—泄漏量可以限制到很少只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保證達到要求，只要材料耐磨性好，機械密封可以達到很少泄漏量，甚至肉眼看不見泄漏?？煽啃浴獕勖L在機械密封中，主要磨損部分是密封摩擦副端面，因為密封端面的磨損量在正常工作條件下不大，一般可以連續(xù)使用1～2年，個別場合下也有用到5～10年。穩(wěn)定性—運轉(zhuǎn)中無需調(diào)整由于機械密封靠彈簧力和流體壓力使摩擦副貼合，在運轉(zhuǎn)中自動保持接觸，裝配后就不用像普通軟填料那樣需調(diào)整壓緊。

耐振性—優(yōu)于徑向密封徑向密封一般在轉(zhuǎn)速n=3000r/min下最大徑向振幅不超過0.05mm；而機械密封的承受的徑向振幅可超過此值，國外開發(fā)的釜用機械密封可允許軸的徑向偏擺量達3mm（單側(cè)）。適用性—使用psV值不斷提高機械密封可以采用平衡式密封、流體靜壓型密封、流體動壓密封或多級組合式密封，使psV值達到較高值，現(xiàn)已可達到1000（MPa·m／s），并在不斷提高。

1）力學(xué)分析：機械密封的使用性能主要取決于由兩密封端面構(gòu)成的主密封，即兩端面之間的摩擦狀態(tài)。3.3機械密封的分析計算3.3機械密封的分析計算

3.3機械密封的分析計算1）力學(xué)分析：3.3機械密封的分析計算1）力學(xué)分析：機械密封端面力學(xué)分析圖3.3機械密封的分析計算1）力學(xué)分析：①密封環(huán)帶面積A較窄的密封端面外徑d2與內(nèi)徑d1之間的環(huán)形區(qū)域的面積，即與另一個密封端面的有效接觸面積。②彈簧比壓psp單位密封面上的彈性力(MPa)。計算方法是總的彈性力Fs除以密封環(huán)帶的面積A。3.3機械密封的分析計算②彈簧比壓psp彈性力Fsp的取值是有限度的，其最小值受兩個因素支配。是彈性力必須克服輔助密封的最大阻力，否則密封端面將開啟，導(dǎo)致過大泄漏。是當非補償環(huán)的端面與軸線不垂直并且流體壓力較低時，彈性元件必須能夠克服軸向慣性力使密封端面保持分離。根據(jù)密封端面的面積，彈簧比壓psp通常處于0.1～0.2MPa。工作條件使用機械psp/Mpa高速密封V＞30m/s噴氣發(fā)動機、軸流式壓縮機、高速泵0.05～0.2中速密封V＝10～30m/s工藝用泵、化工泵、通用泵0.15～0.3低速密封V＜10m/s攪拌機、混合泵、建筑機械0.15～0.63.3機械密封的分析計算③密封流體壓力有效作用面積Ae指密封流體壓力作用在補償環(huán)上，使之對非補償環(huán)趨于閉合的有效作用面積。④密封流體壓力作用比壓pe單位密封面上承受流體壓力所施加的使密封端面閉合的力。式中，db為滑移直徑，也稱平衡直徑，指流體壓力作用在補償環(huán)輔助密封圈處的軸(或軸套)的直徑。式中，p—密封流體壓力，即密封內(nèi)外側(cè)流體壓差（p1-p2）。3.3機械密封的分析計算⑤載荷系數(shù)K(或面積比B)流體壓力作用在補償環(huán)上，使之對于非補償環(huán)趨于閉合的有效作用面積Ae與密封環(huán)帶面積A之比。其物理本質(zhì)是密封流體壓力作用比壓Pe與密封流體壓力P之比。當K≥l時，即Ae≥A，密封流體壓力作用面積大于或等于密封環(huán)帶面積(承載面積)，稱為非平衡型機械密封；當K<1時，即Ae<A，密封流體壓力作用面積小于密封環(huán)帶面積(承載面積)，稱為平衡型機械密封。3.3機械密封的分析計算⑥平均流體膜壓力Pm密封端面間流體膜的平均壓力。式中pr——在半徑為r處密封端面上的流體膜壓力。流體膜壓力pr為流體膜靜壓pst與流體膜動壓pdyn之和對于平行面密封，根據(jù)N-S方程可以推導(dǎo)出平面間隙內(nèi)層流壓差流動時內(nèi)裝式機械密封的pst為對于不可壓縮的液體，流體靜壓沿密封面徑向按對數(shù)曲線規(guī)律分布；對于可壓縮氣體，流體靜壓沿密封面徑向按拋物線規(guī)律分布。3.3機械密封的分析計算對于波形面密封，根據(jù)雷諾方程，利用窄密封近似和空化邊界條件，可以推導(dǎo)出具有n個波的波形面液體端面密封的流體膜壓：⑦反壓系數(shù)（或膜壓系數(shù)）λh0及ha為最小間隙和波幅，μm。膜壓系數(shù)反映了機械密封在被密封流體壓差作用下端面間流體膜承載能力的大小。對于不同密封面接觸型式（液相平行面、氣相平行面、氣液混相平行面、收斂行錐面、擴散行錐面、傾斜面）的機械密封，其膜壓系數(shù)的表示方式不同。錐面機械密封的膜壓系數(shù)主要取決于密封面內(nèi)、外側(cè)間隙比，而傾斜面機械密封的膜壓系數(shù)主要取決于密封面內(nèi)、外半徑比。3.3機械密封的分析計算⑧閉合力Fc指由密封流體壓力p和彈簧力Fs等引起的作用于補償環(huán)上使之對于非補償環(huán)趨于閉合的力。式中，F(xiàn)fr—補償環(huán)輔助密封與滑移面之間的摩擦力；

Fi—補償環(huán)組件軸向加速運動時產(chǎn)生的慣性力。在穩(wěn)定工作條件下，可不考慮軸向摩擦力和慣性力的影響。⑨開啟力Fo指作用在補償環(huán)上使之對于非補償環(huán)趨于開啟的力。3.3機械密封的分析計算⑩端面接觸比壓Pc作用在密封面單位面積上的凈閉合力。根據(jù)力平衡：強調(diào)：上述分析是針對上圖所示的基本結(jié)構(gòu)而進行的，針對不同的具體密封結(jié)構(gòu)，某些參數(shù)的計算式會有所不同。端面比壓Pc的計算為機械密封的性能分析計算如端面摩擦功耗以及冷卻、沖洗量大小的確定奠定了基礎(chǔ)。外裝外流非平衡型密封的端面比壓

外裝外流非平衡型密封的端面比壓在外裝式密封封中，為了保持合適的端面比壓，需要較大的彈簧比壓，特別是當介質(zhì)壓力增大時。開啟力也隨之增大，需要更大的彈簧比壓。過大的彈簧比壓是不允許的，特別是在設(shè)備啟動和壓力低的情況下運行時，將會導(dǎo)致端面比壓過大。因此，外裝式密封不能用于高壓，一般不超過0.25MPa。即使在低壓的情況下，由于受彈簧施力不均勻性、離心力等不利因素的影響，密封效果也不太好，一般僅用于強腐蝕性介質(zhì)工況;外裝外流平衡型密封的端面比壓為了提高外裝式密封的使用壓力，又不致使彈簧比壓過大，出現(xiàn)了外裝平衡式結(jié)構(gòu)，使用的介質(zhì)壓力可達0.4MPa。閉合力包括彈簧力與介質(zhì)壓力有效面積雙端面密封的端面比壓

波紋管密封的端面比壓

波紋管密封的端面比壓矩形波

波紋管密封的端面比壓U型形波矩形波鋸齒形波

3.3機械密封的分析計算2）性能分析：性能參數(shù)有：PV值、泄漏量、功耗、溫升和摩擦系數(shù)。PV值：與其它軸承摩擦副類似，PV值被選作選擇、使用和設(shè)計機封的重要參數(shù)，功耗、磨損和溫升都與之有關(guān)。①使用PsV值：說明機封使用條件，可當作工作難度或技術(shù)水平，一般樣本或選用手冊中常采用它。②工作PcV值：密封面接觸壓力Pc與密封面平均周速V之乘積，是機封工作時的性能參數(shù)，設(shè)計中使用。3.3機械密封的分析計算2）性能分析：③允許[PcV]值和[PcV]值：根據(jù)一定的摩擦副材料在規(guī)定的使用壽命和允許的磨損率確定的[PcV]值，由實驗確定。④極限(PcV)值：以熱裂時的(PcV)值作為極限(PcV)值。⑤臨界(PcV)c值：密封面液膜破裂時(PcV)值。在機封中考慮到勿使熱變形和壓力變形超過液膜厚度或限制密封面溫度、防止液膜氣化，使用PcV值小于(PcV)c。3.3機械密封的分析計算2）性能分析：

密封材料組合水與水溶液其它液體非平衡型平衡型非平衡型平衡型碳石墨對不銹鋼0.5—3.0—對鉛青銅2.5—3.5—對斯太利特2.58.55.058對氧化鋁陶瓷3.5219.042對氧化鉻陶瓷7.042——對碳化鎢7.0429.0122對碳化硅9.0639.0185碳化鎢對碳化鎢4.5267.042對碳化硅6.0369.01053.3機械密封的分析計算2）性能分析：

A摩擦系數(shù)f機封的摩擦熱量Qf、沖洗量Qr和摩擦功耗N計算時均需要正確地選用摩擦系數(shù)；除用模擬實驗求摩擦系數(shù)作材料的摩擦系數(shù)實驗外，可參考現(xiàn)有相近的數(shù)據(jù)選用。密封端面的總摩擦力F包括流體粘性剪切摩擦力Ff和密封端面微凸體接觸摩擦力Fc

兩部分，即在混合摩擦狀態(tài)下接觸式機械密封的摩擦系數(shù)f可表示為xf、xc分別為流體膜承載比、微凸體接觸承載比，兩參數(shù)滿足

3.3機械密封的分析計算2）性能分析：摩擦系數(shù)f材料配對摩擦副材料摩擦系數(shù)動環(huán)靜環(huán)不同材料碳石墨鑄鐵0.07陶瓷0.07碳化鎢0.07碳化硅0.02硅化石墨0.015碳化硅碳化鎢0.02相同材料硅化石墨0.05碳化硅0.02碳化鎢0.08機械密封某些摩擦副配對的摩擦系數(shù)

3.3機械密封的分析計算2）性能分析：摩擦系數(shù)f配對的材料鑄鐵碳化硅鋼斯太利特硬質(zhì)合金碳化鎢陶瓷85%氧化鋁99%氧化鋁接觸摩擦系數(shù)0.180.120.200.230.150.120.12某些材料與碳石墨配對時的接觸摩擦系數(shù)3.3機械密封的分析計算2）性能分析：B磨損量在混合摩擦狀態(tài)下接觸式機械密封密封端面間存在著摩擦、磨損，而機械密封的壽命在正常情況下主要取決于密封面的磨損。磨損程度可用磨損率及磨損系數(shù)來表示。磨損率為單位時間內(nèi)的磨損量，用γ表示。摩擦副材料粘著磨損的磨損量

3.3機械密封的分析計算2）性能分析：磨損量我國JB4127.1—1999《機械密封技術(shù)條件》中規(guī)定：磨損量的大小要滿足機械密封使用期的要求，以清水為介質(zhì)進行試驗時，運轉(zhuǎn)100h軟質(zhì)材料的密封環(huán)磨損量不大于0.02mm。即磨損率為≤0.02mm/100h或0.2μm/h。磨損系數(shù)Kw是無因次準數(shù)，其值愈小，磨損愈少，常用磨損試驗測算。摩擦副材料動環(huán)浸樹脂碳石墨浸樹脂碳石墨浸巴氏合金碳石墨浸青銅碳石墨碳化鎢碳化硅硅化石墨靜環(huán)耐蝕鎳鑄鐵陶瓷（85%氧化鋁）碳化鎢（6%Co）碳化硅硅化石墨磨損系數(shù)K-W10-610-710-710-810-810-910-9

某些機械密封密封面材料配合的磨損系數(shù)K-W

密封介質(zhì)：水3.3機械密封的分析計算2）性能分析：C泄漏量q反映機械密封密封性能的主要參數(shù)。在很大程度上取決于密封面縫隙的形狀和大小，即取決于何種摩擦狀態(tài)。為保證密封工作的可靠性，要求壽命長，同時泄漏量小，必須處于合理的潤滑狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。混合潤滑狀態(tài)下：式中，C—流量系數(shù)，C=5×102m/s3/2。3.4機械密封的分析計算2）性能分析：D摩擦功耗N式中，N—端面摩擦功耗，kW；Dm—密封面的平均直徑，Dm=(D1+D2)/2(m)；

b—密封面寬度（m），b=(D2-D1)/2

；

V—密封面平均周速，V=πDmn/60(m/s)。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)1中間環(huán)機械密封

具有中間環(huán)的機械密封與浮環(huán)密封組合的多端面密封。由于中間環(huán)旋轉(zhuǎn)周速約為動環(huán)的一半，從而減少密封的pv值。這種旋轉(zhuǎn)中間環(huán)與靜環(huán)銜接浮動不轉(zhuǎn)，則中間環(huán)兩側(cè)受熱和受壓對稱，可減少變形，可于高壓和高溫下使用，以減小壓力變形和溫度變形的影響。具有中間石墨環(huán)與浮環(huán)組合的機械密封

可調(diào)節(jié)的半接觸式機械密封3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)2彈性變形環(huán)波度機械密封動波度機械密封

在靜環(huán)座上開有若干通液壓的槽（圖中虛線），液壓作用時靜環(huán)徑向幾處受力，由于泊桑效應(yīng)使靜環(huán)端面出現(xiàn)波度，而沿圓周有幾處加壓力，這些作用沿旋轉(zhuǎn)方向切換，從而使之不斷產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)波度，使磨損均勻，延長壽命。這種布置的靜環(huán)比固定波度密封磨損均勻且磨損量小些。固定波度機械密封

這種密封的結(jié)構(gòu)特征是特殊靜環(huán)座形式，過去環(huán)座為厚壁圓環(huán)軸對稱結(jié)構(gòu)，而這種彈性變形環(huán)的環(huán)座背面開有若干豁口，壓力作用于豁口，產(chǎn)生彈性變形。由于具有彈性波紋變形，在高速下使之得以良好地潤滑，從而延長密封壽命。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)3窄環(huán)刃邊密封圖（a）為一種窄環(huán)刃邊機械密封，其特點是動環(huán)做成密封面寬度很小的刃邊密封環(huán)。圖（b）為另一種刃邊密封的靜環(huán)與動環(huán)示意圖。通常用于高粘度、凝固性液體、附著性強的液體（如塑料、橡膠原液等），其寬度僅有0.3～0.5mm（刃邊），可以防止粘液附著在密封面上，切斷凝固物和附著物。此外，由于端面做成刃邊，兩側(cè)溫差不大，接觸面的變形也小，冷卻性能好。用金屬波紋管代替填料不僅具有撓性而且便于縮小間隙，使附著物和沉淀物不易結(jié)垢。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)4剖分環(huán)機械密封將密封零件做成分塊的型式，便于在拆裝維修時保證密封端面平行。做成周向?qū)﹂_或多瓣環(huán)用圍簧箍住。壓蓋、動環(huán)、動環(huán)座、靜環(huán)及輔助密封圈均設(shè)計成有接縫的對開環(huán)和開口密封圈。開口密封環(huán)兩端做成球窩對接。該類型密封裝置安裝方便、速度快、停機時間短；不用拆卸泵或聯(lián)軸器，就可以快速拆裝。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)5金屬波紋管密封

焊接金屬波紋管密封一種靜止式內(nèi)流型波紋管密封，用于煉油廠減壓熱油泵作為軸封。其特點有以下四點：金屬波紋管代替了彈簧和輔助密封圈，解決了高溫下輔助密封的問題，保證密封性穩(wěn)定；波紋管本身就是部分平衡型密封，適用范圍廣；在低壓下有沖洗液可以耐負壓和防抽空能力，在高壓下只要在波紋管耐壓限內(nèi)就可工作；采用蒸汽背冷，起到啟動前暖機和正常運轉(zhuǎn)時冷卻及減少溫度變化的作用，又能沖洗干凈內(nèi)部析出物和防止泄漏嚴重時發(fā)生火災(zāi)。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)5金屬波紋管密封液壓成型的波紋管密封，這種波紋管的特點是：圓弧波形的曲率半徑不等（波形不對稱），工作時應(yīng)力分布均勻；只有一道由原材料卷筒狀的焊縫；與前一種雙S形金屬焊接波紋管比較，不對稱圓弧形液壓成型波紋管不易有沉積聚積；受壓時平均直徑不變（金屬焊接雙S形波紋管密封受壓時平均直徑變化）；制造簡單，工作量少。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)6集裝式機械密封特點是靜環(huán)、動環(huán)、軸套與壓蓋在安裝前可以集裝在一起，便于檢查裝配質(zhì)量。檢查合格后安裝到機泵中，只要擰緊法蘭固緊螺栓即可，這樣就容易保證安裝質(zhì)量。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)7帶內(nèi)置換熱器的機械密封

一種熱油泵用帶內(nèi)置換熱器的雙端面機械密封。這種密封的特點是：

有內(nèi)置換熱器將工作介質(zhì)溫度降低，可用于一般熱油機械密封作為高溫密封；整套密封與內(nèi)置式換熱器和壓蓋集裝成一體，以便安裝和安裝前質(zhì)量檢查；有封油系統(tǒng)可防止有毒或易爆產(chǎn)品外漏。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)8彈性體端面密封

彈性體端面密封也是一種軸向接觸式端面密封。它有全彈性體端面密封和彈性體兼作彈簧元件和輔助密封元件的彈性體端面密封。圖（a）為全橡膠軸向端面密封，它具有密封唇靠彈性與壁面接觸，只有本身一個零件，但有三部分：密封唇、鉸節(jié)和本體。這種密封結(jié)構(gòu)簡單、價格低、摩擦小并允許有角度誤差，可用于軸承的防水和防塵密封。圖（b）所示為橡膠隔膜端面密封，隔膜是彈性體（橡膠），依靠彈性體的彈力預(yù)緊而靠液體壓力工作。其隔膜曲率大、耐振性高，用于低壓差反應(yīng)器密封。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)8彈性體端面密封圖4（c）為浮動端面密封與O形環(huán)組成的彈性體密封，O形環(huán)在密封環(huán)與箱體間被壓成橢圓形，兼作彈性元件和輔助密封，既作靜密封元件又作為定位元件傳遞扭矩，它具有滲漏量少、密封可靠、使用壽命長的優(yōu)點，能在沖擊和振動載荷以及有水與泥砂等比較惡劣的環(huán)境下工作。3.5機械密封的典型結(jié)構(gòu)9磁性端面密封

磁性端面密封有兩種形式：磁力線不通過相對運轉(zhuǎn)間隙而通過同一部件上兩個級間形成的間隙，使磁流體保持在該位置上，只有非磁性端面接觸到磁流體時即形成密封（可用于非磁性軸的密封）；在兩端面間保持有一定體積的氣體，當上部端面承受載荷時，端面間形成氣墊，氣體壓力以致上升直到密封損壞為止（因而此結(jié)構(gòu)適用于承受軸向推力，可采用較大的端面面積或多級密封來提高耐壓值）。3.4機械密封的設(shè)計機械密封的設(shè)計程序獲取設(shè)計條件：設(shè)計機械密封時，必須進行周密的調(diào)查研究，并獲得具體的設(shè)計條件；確定基本結(jié)構(gòu)

：主要確定密封是單端面或是雙端面，平衡型或是非平衡型，內(nèi)裝或是外裝，旋轉(zhuǎn)式或是非旋轉(zhuǎn)式，單彈簧或多彈簧等基本結(jié)構(gòu)。確定材料：確定端面摩擦副、輔助密封圈、彈性元件及其它零件材料。密封端面設(shè)計：

主要確定密封端面寬度及高度，計算載荷系數(shù)K。補償環(huán)和非補償環(huán)設(shè)計：

包括形狀、尺寸、支撐方法、傳動及防轉(zhuǎn)機構(gòu)、強度設(shè)計、剛度設(shè)計等。3.4機械密封的設(shè)計機械密封的設(shè)計程序密封輔助系統(tǒng)設(shè)計

確定密封輔助系統(tǒng)的流程、器件及其運行條件。主要工作參數(shù)計算

主要計算彈簧比壓、平衡系數(shù)、端面比壓、pV值、摩擦功耗等。標準化和工藝審查

對零件，結(jié)構(gòu)、材料、試驗等進行標準化審查對零件的加工工藝性進行審查。進行型式試驗

擬定具體的試驗方案，并進行試驗，按試驗規(guī)范進行考核。編制零件表、使用說明書，完善設(shè)計技術(shù)文件

產(chǎn)品型式試驗成功并定型后，編制零件表、使用說明書，并完善、歸檔設(shè)計技術(shù)文件。3.6普通接觸式機械密封存在的問題

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，機械密封的工作環(huán)境越來越嚴苛，對密封的要求越來越高。目前國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)式機泵（以離心泵為主）用機械密封基本上是普通的接觸式機械密封，由于密封端面之間存在直接的固體摩擦磨損，導(dǎo)致密封因端面摩擦溫升過高、過度磨損等原因早期失效。在密封環(huán)境較為惡劣的條件下，如密封易汽化類、高危險性、高腐蝕性、高含固體顆粒介質(zhì)、高PV值等條件下，存在大量的液相泄漏和氣相逸出而污染環(huán)境，密封可靠性和穩(wěn)定性大大降低，失效概率明顯增大，難以滿足長周期運行、無污染、低能耗等現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的客觀要求。存在的缺陷主要體現(xiàn)在：①．密封介質(zhì)易產(chǎn)生泄漏，造成物質(zhì)損失和環(huán)境污染。密封原理：在被密封流體與外界存在壓力差（一般是壓力高于外界壓力）的前提下，通過維持一定的端面接觸壓力，來盡可能減小密封摩擦副端面之間的軸向間隙以降低被密封流體的泄漏。難以實現(xiàn)被密封流體的零泄漏，更不可能實現(xiàn)其零逸出。隨著現(xiàn)代環(huán)保要求的不斷提高，普通接觸式機械密封的應(yīng)用將受到越來越多的限制。②．密封端面存在摩擦磨損、使用壽命短。密封摩擦副之間存在著直接的固體摩擦磨損，積累的結(jié)果必然是密封的使用壽命是有限的。一般地，普通接觸式機械密封的使用壽命不超過一年，而對一些潤滑性差的密封流體或含一定量固體顆粒的密封流體，密封的使用壽命只有數(shù)月甚至數(shù)天。

③．密封工作狀態(tài)不穩(wěn)定，失效概率大增。密封端面之間的摩擦溫升對密封摩擦副的工作狀態(tài)有很大的影響，有可能使端面液膜發(fā)生汽化（即相變，尤其對易汽化類介質(zhì)如高溫油泵、熱水泵、輕烴泵等），由單相潤滑變?yōu)槠夯煜酀櫥姑芊饽Σ粮碧幱诓环€(wěn)定的工作狀態(tài)（產(chǎn)生“鳴叫”、“汽噴”現(xiàn)象等，失效的概率大大增加。保壓、降溫作用Plan72+Plan11接觸式機械密封非接觸式干氣密封④．密封件產(chǎn)生熱變形、熱裂、熱漲而失效。密封端面之間的急劇溫升還會導(dǎo)致端面溫升過高，產(chǎn)生較大熱變形，摩擦磨損嚴重和不均；使密封材料的機械性能降低，容易使密封環(huán)（主要指硬環(huán)）產(chǎn)生熱裂、輔助密封圈產(chǎn)生熱漲等而使密封早期失效。機械密封工業(yè)失效記錄中有相當比例是由于密封端面溫升過高造成的。

動環(huán)力熱變形云圖機械密封端面熱裂紋⑤．密封適應(yīng)變工況能力差。當流體機械處于變工況(變壓力、變轉(zhuǎn)速、頻繁開停等）下，密封的始終處于不穩(wěn)定的運行狀態(tài)—磨合狀態(tài)，極易出現(xiàn)早期失效。⑥．改變介質(zhì)性能，影響產(chǎn)品質(zhì)量。密封摩