机械端面密封技术

图4—2（7） 内装内流单端面单弹簧集装接触式机械密封
图4—2（8） 内装内流单端面单弹簧集装接触式机械密封
图4—2（9）内装内流双端面多弹簧集装非接触式干气密封
图2—2（10） 内装内流多端面（串联）多弹簧非接触式干气密封
图4—2（11） 剖分式机械密封
2.3 机械密封的优点
•泄漏量可以限制到很少
•耐振性优于径向密封 一般在转速n=3000r/min下最大振幅不超过0.05mm。 •使用psV值不断提高 机械密封可以采用平衡式密封、流体静压型密封、流体动压密封或 多级组合式密封，使psV值达到较高值，现已可达到1000（MPa· m／s），
并在不断提高。
2.4 普通接触式机械密封存在的问题
概率明显增大，难以满足长周期运行、无污染、低能耗等现代化工业
生产的客观要求。
存在的缺陷主要体现在： ①．密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染。 • 接触式机械密封的密封原理是在被密封流体与外界存在压力差（一 般是压力高于外界压力）的前提下，通过维持一定的端面接触压力， 来尽可能减小密封摩擦副端面之间的轴向间隙以降低被密封流体的 泄漏。因此，接触式机械密封是难以实现被密封流体的零泄漏，更
盖12、紧定螺钉6与轴套14）。
图4-1 典型机械 密封示意图 1-静环，2-动环 3-传动销，4-弹 簧，5-弹簧座， 6-紧定螺钉，7传动螺钉，8、 9、10-O形环， 11-防转销，12压盖，13-压环， 14-轴套 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、 Ⅳ——泄漏点
返回
机械密封基本组成和作用：
•1）动环和静环 是机封组成的核心，也是研究的重点。
图4—2（1） 内装内流多弹簧旋转接触式机械密封
图4—2（2） 内装内流多弹簧静止接触集装式机械密封
图4—2（3） 内装内流多弹簧旋转接触集装式机械密封
图4—2（4）外装外流多弹簧旋转接触式机械密封
图4—2（5）双端面波纹管接触集装式机械密封
图4—2（6） 内装内流双端面单弹簧接触式机械密封
端面密封性能在很大程度上标志着机封的技术水平，因为其它泄漏渠
道的密封（为静密封）是较容易解决的。 •2）弹性元件（弹簧、波纹管、隔膜等）
为主要零件的缓冲补偿机构，是机封保证密封可靠性的重要条件。
①预紧作用：使动静环端面保持贴合； ②减振作用：轴的振动如果不加缓冲地直接传递到密封端面上，那么
密封端面就不能始终保持贴和而使泄漏量增加；
e)旋转式
f)静止式 g)非平衡式 h)平衡式 i)单弹簧式
图4-2 机械密封的基本型式
返回
j)多弹簧式 k)双端面 (背靠背) l)双端面 （面对面） m)多端面 （中间环） n)径向双端面
o)多级（两级）
p)波纹管密封
图4-2 机械密封的基本型式（续）
返回
1）接触式、非接触式和半接触式机封 普通机封大都是接触式机封(h<2μ m），而可控间隙机封是非 接触式密封。半接触式机封通过改变载荷系数可以是接触式也可 以是非接触式。 接触式机封是指密封面微凸体接触的机封密封面间隙h=0.5～ 2μ m；非接触式机封是指密封面微凸体不接触的机封，密封面间 隙对于流体动压密封h>2μ m，对流体静压密封h>5μ m。 接触式机封的摩擦状态为混合摩擦和边界摩擦，而非接触式 机封的摩擦状态为流体摩擦、弹性流体动压润滑。
2 机械密封的基本结构、作用原理和特点
2.1 机械密封的基本结构、作用原理
•机械密封是一种依靠弹性元件对静、动环端面密封副的预紧和介质压力
与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，（图2-1）故又 称端面密封。
•构成机械密封的基本元件有：端面密封副（静环1和动环2）、弹性元件
（如弹簧4）、辅助密封（如O型圈8、9和10）、传动件（如传动销3和传 动螺钉6）、防转件（如防转销11）和紧固件（如弹簧座5、推环13、压
7）单端面、双端面及多端面密封 只有一对摩擦副的密封为单端面密封（图4-2a～j）；由两对摩擦副在密封箱 内组成的密封为双端面密封（图4-2k、l）；由两个以上端面组成的密封为多端面 密封（图4-2m）。 单端面密封结构简单，是最常用的密封型式。因特殊需要或单端面密封不能满
足要求时则采用多端面密封。
③缓冲补偿作用：若给摩擦副施加过大的轴向载荷而导致密封端面严 重磨损，若无缓冲补偿机构，势必会造成端面的间隙越来越大，泄漏量增
加。故机封都采用弹性元件和辅助密封圈建立缓冲补偿机构，以缓冲振动、
磨损给端面带来的不良影响。
3）辅助密封圈（O形、V形、楔形环等异形密封圈） 是解决密封端面以外的微动密封问题中所不可缺少的组成部分，同时 也起到浮动和缓冲的作用。 材料要耐热、耐寒并与介质有相容性（橡胶、石棉、膨胀石墨等）。
• 随着现代工业生产的发展，机械密封的工作环境越来越严苛，对密封
的要求越来越高。目前国内旋转式机泵（以离心泵为主）用机械密封 基本上是普通的接触式机械密封，由于密封端面之间存在直接的固体 摩擦磨损，导致密封因端面摩擦温升过高、过度磨损等原因早期失效； 尤其在一些密封环境较为恶劣的条件下，如密封易汽化类、高危险性、 高腐蚀性、高含固体颗粒介质以及高PV值工作条件下，存在大量的液 相泄漏和气相逸出而污染环境，密封可靠性和稳定性大大降低，失效
2）内装式和外装式机封 弹簧和动环安装在密封箱内与介质接触的密封为内装式密封 （图4-2a）；弹簧和动环在密封箱外不与介质接触的密封为外装 式密封（图4-2b）。前者可以利用密封箱内介质压力来密封使用 工作条件广泛；后者用于高粘度和易结晶的介质，工作压力较低 的场合。 3）内流式和外流式机封 介质泄漏方向与离心力方向相反的密封为内流式密封；介质 泄漏方向与离心力方向一致的密封为外流式密封。由于内流式密 封中离心力阻止泄漏流体，其泄漏量较外流式为少；前者用于高 压，而后者最高压力 ≤1～2MPa。（图4-2c及图4-2d）。
14.7
1957
美国西乐Sealol公司第一个金 属波纹管机械密封高温密封
30
石油化工发展；石墨、陶瓷、 硬质合金等新材料；密封面粗 糙度的改进，由Ra0.2μ m改为 Ra0.05μ m 航空、石油化工等工业要求 （400℃以上）
续表1-1 机械端面密封的发展简史
年代
1960 历史事件 出现热流体动力楔机械密封流 体 PsV值水平 /(MPa· m/s) 发展的动力 原子能工业要求；结构上出现 流体静压、流体动压和热流体 动压密封 ( 动力楔和动压垫效 应) 167～267 353 宇航和核电特殊要求；结构上 出现多级密封；材料有碳化硅 和优质碳石墨 由于宇航和核电需要，出现螺 定—机械密封、浮环—机械密 封和螺旋槽密封 用于高PV值热水泵密封，环境 保护、长寿命和安全生产要求 API610、API682、STLE SP-30 等新标准 用激光加工、表面改形技术、 计算机技术和密封设计理论发 展
4）传动件（传动销、传动环、传动座、传动套、传动键、传动凸耳或 牙嵌联合器）
将轴的转距传递给动环的作用。
材料耐蚀、耐磨。
5）固紧件（紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套） 起到静、动环的定位、固紧和盛装的作用。
要求：
①定位准确，保证摩擦副密封面处于正确的位置，并且保持良好的弹 簧比压； ②拆装方便，容易定位，能重复使用，与辅助密封配合应注意有安装 密封环的倒角和环的压弹量。
4）弹簧静止式和旋转式机封
弹簧不随轴一起旋转的密封为静止式密封（图4-2e）；弹簧随轴一
起旋转的密封为旋转式密封（图4-2f）。由于静止式密封的弹簧不受离
心力影响，常用于高速机封中而旋转式机封不适用于高速（V>20～30m/s）
机封。
5）平衡型和非平衡型机封（图4—3） 介质作用于单位密封面上的轴向压紧力小于密封室内介质压力的密
只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求，只要材料耐
磨性好，机械密封可以达到很少泄漏量，甚至肉眼看不见泄漏。 •寿命长
在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面，因为密封端面的
磨损量在正常工作条件下不大，一般可以连续使用1～2年，个别场合下 也有用到5～10年。
•运转中无需调整
由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中自动保 持接触，装配后就不用像普通软填料那样需调整压紧。
封为部分平衡型密封（图4-2g）；介质作用于密封面上的轴向压紧力大
于或等于密封室内介质压力的密封为非平衡型机封（图4-2h）。前者密 封端面上所受的作用力随介质压力的升高而变化较小，故适用于高压密 封；后者密封端面所受的作用力随介质压力的变化较大，故适用于低压 密封。还有介质对密封面无轴向压紧力或介质对密封面为推开力的密封 为完全平衡型或过平衡型密封。该密封属于非接触式中的流体静压密封。
6）单弹簧式和多弹簧式机械密封 只有一个集中大弹簧的机械密封为大弹簧型密封（图4-2i）；沿
圆周点布许多弹簧的密封为多弹簧式机械密封（图4-2j）。前者用于
小直径（≯φ 80～150mm轴径）低速密封；后者用于大轴径、高速密 封。但在腐蚀介质和有固体颗粒介质的场合下，小弹簧结构因易腐蚀
和堵塞而失效。
五个泄漏渠道： ①、静环与动环的端面之间—Ⅰ：旋转动密封， 主要泄漏通道； ②、静环与密封压盖之间—Ⅱ：静密封； ③、动环与旋转轴（轴套）之间—Ⅲ：往复密封； ④、密封压盖与壳体之间—Ⅳ：静密封； ⑤、轴套与轴之间—Ⅴ：静密封；
2.2 机械密封的基本型式
机械密封的基本型式有：
a)内装式 b)外装式 c)内流式 d)外流式
500
700
1990 年以 后
≥1000
•
机械密封的目前水平： 单级压力：10-3Pa～35MPa； 使用温度：最高达1000℃；最低可达低温深冷； 机器转速：高达50000r／min；
1.2 机械密封技术的发展方向 • 机械密封发展到今天，按摩擦副端面的摩擦润滑状态分为：接触式 机械密封（包括液体润滑和气体润滑）和非接触式机械密封（包括液 膜润滑、气膜润滑和气液混膜润滑等）两大类。 •接触式密封：减少泄漏、降低磨损、提高可靠性和工作稳定性、延 长使用寿命。 •非接触式密封：实现无泄漏（液相零泄漏和汽相零逸出）无污染功 能、提高流体膜刚度和工作稳定性、延长使用寿命。
英国第一个端面密封的专利 开始用于轴承密封 汽轮机上出现几个端面密封 出现单端面密封 用于小型家用冷冻压缩机和 车水泵 用于内燃机水泵 在一定程度上解决轻烃泵密封 出现平衡型和中间环高压高速 机械密封
液压传动、蒸汽机和机床产生 作为油封
＜1.0 3.04
结构上单、双端面密封形成机 械密封 机械加工和材料方面的技术进 步
机械端面密封技术
检维修钳工专业 钳工二班: 葛广新
1 机械端面密封的发展进程及方向
1.1发展进程 自1885年问世以来，机械密封就随着工业技术和产业的不断发展而进步， 其发展进程可用表4—1下来说明。
表4-1 机械端面密封的发展简史
年代
历史事件
PsV值水平 /(MPa· m/s)
发展的动力
1885 1900 1908 1919 1920 1930 1940 1945
双端面密封有轴向双端面密封和径向双端面密封（图4-2n）。沿径向布置的双 端面密封结构较轴向双端面密封紧凑。轴向双端面密封有背对背或面对面布置的结
构（图4-2k、l）。此外，还有串联布置的双密封（图4-2o）。
中间环密封属于多端面密封，旋转的中间环密封，用于高速下低PV值。不转的 中间环密封用于高温和高压下减少力变形和热变形。 此外，还有推环（弹簧加载推环）式机械密封（图4-2a～o）和波纹管密封 （图4-2p）。 下面给出几种典型的密封结构型式:
不可能实现其零逸出。随着现代环保要求的不断提高，普通接触式
机械密封的应用将受到越来越多的限制。 ②．密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短。
• 由于密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，磨损积累的结果
必然是密封的使用寿命是有限的。一般地，普通接触式机械密封的 使用寿命不超过一年，而对一些润滑性差的密封流体或含一定量固 体颗粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至数天。
19631969 1974
流体静压密封、流体动压密封 及工业上应用 出现新的密封面材料碳化硅和 优质不同浸渍碳石墨
1977
1985
出现各种密封的组合机械密封 和螺旋槽干运转气体密封工业 应用 密封面变形协调和材料合适配 对工艺流体的零泄漏和零逸出 密封技术迅速发展
非 接 触 ( 表 Fra Baidu bibliotek改形 技 术 ) 机 械 密封发展