机械密封简介.

6.2.2端面微孔机械密封工作原理 密封副的静环或动环上加工出来的每一个微孔像一个微 动力润滑轴承，当两密封端面相对运动时，在孔和孔周围区 域则产生类似油楔的动压效应；当液体动压力与介质压力共 同作用时，密封端间的摩擦为纯液体摩擦，使密封副的摩擦 状态得到很大改善，从而达到优化密封性能的作用。 6.2.3发展趋势 密封技术的研究从根本上来讲是为了制造出先进的密封 装置，以满足现代化工业生产迅速发展的要求。作为一种新 型密封，与普通机械密封相比，端面微孔机械密封能够实现 非接触，具有良好的润滑性能和密封性能。然而，目前对端 面微孔机械密封的研究和报道较少。端面微孔机械密封是一 种新的机械密封结构形式，该技术在国外起步不久，国内尚 不完善，需要在研究、设计、生产和应用等各个方面继续研 究和发展，为完善这一技术和实际应用提供部分理论和实验 依据。
机 械 密 封
授课人：王建军
1.机械密封工作原理 1.1结构
图1
机械密封结构图
1）旋转轴和装在轴上的动密封环一起旋转，静环安装在壳体上。轴旋转时，动、 静环形成了摩擦副。 2）在机械密封的总体装置中，还有三个泄漏点，属于静密封点。
1.2工作原理： 1）主密封面。如上述的动环和静环形成摩擦副的 面，密封流体介质 的压力和弹性元件(弹簧、波纹管)的弹力对这一密封面产生一压 紧力，使之紧密贴合在一起。在摩擦副两端面之间存在一层很薄 的润滑膜，离心泵使用的机械密封，润滑膜处于全液体湿润摩擦 状态，端面之间流体润滑膜的压力在不同程度上平衡了端面的预 紧力。一般机械密封的端面是镜面光洁度，使比压均匀，贴合紧 密，达到无泄漏的目的。 2）静环与压盖之间的密封面。这密封面属静密封面，通常按流体的 特性选用相应的O形圈进行辅助密封，防止流体从静环与压盖之 间泄漏。 3）动环与轴或轴套之间的密封，这也是静密封面。对于动环为补偿 环的旋转式密封来讲，在端面跳动不同步及磨损时，该辅助密封 可做较小的轴向移动，一般用作弹簧和波纹管来作为辅助密封元 件。 4）压盖与壳体之间的密封，这也是静密封，通常用O形环进行密 封，但在安装时，要保证端盖和装静环的端面对轴线的垂直度。
2.机械密封分类 1）按密封端面对数数分：单端面、双端面、多端面； 2）按弹性元件种类分：波纹管式、非波纹管式； 3）按密封腔温度分：高温、中温、常温、低温； 4）按密封腔压力分：超高压、高压、中压、低压； 5）按介质压力平衡程度分：平衡型（β≥1）、部分平衡型（1>β>0） 、 非平衡型（β≤0）；β =0.75，机封性能最佳；注： β—平衡系数； 6）按弹簧数分：单弹簧、多弹簧；
3.2密封圈（辅助密封） 3.2.1型式 O型圈、V型圈、楔型圈 3.2.2材质 3.2.2.1橡胶 1）丁腈橡胶 性能特点：优良的耐燃料油及芳香溶剂等性能，但不耐酮，酯和氯化 氢等介质。 2）氯丁橡胶 性能特点：优良的耐老化、耐油和耐溶剂性能，不耐芳香族油、耐无 机酸腐蚀。断裂温度在200℃以上。 3）天然橡胶 性能特点：良好的综合力学性能，耐寒性，耐磨性。不耐矿物油，但 在植物油和醇类中较稳定。 4）氟橡胶 性能特点：氟橡胶具有突出的耐热(200～250℃)，耐油性能。 5）硅橡胶 性能特点：突出的耐高低温，耐老化，在-70～260℃范围内能保持 其特有的使用弹性，耐老化等优点。
按流体性质考虑→ 蒸气压力高端面易开启 低粘度或夹杂空气干摩擦问题 →确定→
易燃、易爆、有毒、可能危及环 境安全、需用特殊结构
密封结构 密封材料 润滑方法 隔离措施 安全措施
6.新型密封 6.1干气密封 6.1.1螺旋槽干气密封结构 干气密封结构主要由加载弹簧、O 形圈、静环以及动环组成。静环 和加载弹簧被安装在静环座中，并依靠 O 形圈进行二次密封。静环一般 用较软的、有自润滑作用的材料 如石墨制造，在弹簧等载荷的作用下， 可沿轴向自由移动。动环依靠轴套固定在旋转轴上并随轴旋转。动环由 硬度高、刚性好且耐磨的材料如碳化钨、碳化硅制造。螺旋槽干气密封 设计的特别之处是在动环表面加工出一系列螺旋状沟槽，深度一般为 2.5～10μ m。 6.1.2 螺旋槽干气密封工作原理 缓冲气体（可以是经过滤后的压缩机出口气、氮气或惰性气体）注 入到密封装置，动、静环在流体静压力和弹簧力的作用下保持贴合，起 到密封的作用。当动环旋转时将被密封气体周向吸入（泵吸作用）槽 内，气体沿槽向槽根部运动，由于受到密封堰的阻碍，气体作减速流动 并被逐渐压缩。在此过程中，气体的压力升高，即产生了流体动压力。 当压力达到一定数值时，具有挠性支承的静环将从动环表面被推开，这 样密封面之间始终保持一层 极薄的气膜（厚度 3～5μ m），所形成的气 膜一方面能有效地使端面分开，保持非接触，另一方面又使相对运转的 两端面得到冷却。同时，密封面间极小的气膜间隙有效地控制泄漏到最 低的水平。
3.2.2.2聚四氟乙烯 性能特点：化学稳定性好、耐油耐溶剂、耐温、耐腐蚀、摩擦系数低、 抗老化。 3.2.3技术要求 1）密封圈内径： D≤60mm，公差：-1.0～-0.8mm D＞60mm，偏差：-1.5～-0.8mm 2）密封圈截面直径： d=4mm，偏差：+0.15～+0.25mm d=5mm，偏差：+0.20～+0.30mm d=6mm，偏差：+0.24～+0.26mm 3）硬度要求： 高压选较高硬度，低压选较低硬度，一般硬度选择邵氏65±5
4.机械密封辅助装置 1）润滑 目的：减小动静环摩擦。 润滑介质一般选用工作介质，如工作介质本身润滑性能差，则需要外引润滑 液；此外，如果介质泄漏要求严格，也需要外引润滑液。 2）冲洗 目的：防止颗粒或结晶物进入动静环摩擦端面。 ①内冲洗 i正冲洗 利用工作介质，由泵的出口端通过管路引入密封腔。 ii反冲洗 利用工作介质，由泵的出口端引入密封腔，冲洗后通过管路流回泵入口。 ②外冲洗 引入外系统与被密封介质相容的清洁流体至密封腔进行冲洗。外冲洗液压 力应比被密封介质大0.05--0.1MPa，适用于介质为高温或固体颗粒的场合。 3）冷却 目的：冷却机封动静环。 方法：夹套冷却、直接冷却 4）过滤 目的：过滤冲洗液、冷却液、密封液 设备：普通过滤器、磁性过滤器、旋液分离器
项目 单弹簧 作用在密封面上压力不均匀，当轴径大 时更为突出 压缩量变化时,弹簧压力交化小 因丝径大,腐蚀对弹簧压力影响大 脏物、介质结晶对弹簧机能影响小 因是单弹簧，力不易调节 轴向尺寸大，径向尺寸小 二端平面平行度及对中心垂直度要求严 多弹簧 作用在密封面上压力均匀，且不受轴径变 化的影响 压缩量变化时,弹簧压力交化大 因丝径大,腐蚀对弹簧压力影响小 脏物、介质结晶易使弹簧失去机能 可通过增减弹簧个数获得所需的弹簧力 轴向尺寸小，径向尺寸大
6.2端面微孔机械密封 6.2.1端面微孔机械密封典型结构 目前，常见的端面微孔机械密封的结构可分为两大类： 一类是整个静环端面或动环端面均加工微孔；另一类是仅在 部分端面加工微孔；它是在普通机械密封的端面上加工出微 米级的小坑孔。与普通端面机械密封相比，此类机械密封结 构简单、端面改形加工方便、成本低廉，在降低运转摩擦力 矩、启动力矩、端面温升、减少端面间泡疤的生成，提高承 载能力、液膜刚度、延长使用寿命等方面有了明显的改进。
6）硬质合金（WC+Co或TiC、TaC） （硬材料） 性能特点：硬度高、加工困难、脆性大、耐磨损、选择性耐腐蚀，热导率高。 7）钢结硬质合金（硬材料） 性能特点：硬度高、易加工、脆性大、耐磨损、耐腐蚀性差，热导率高。 8）高硅铸铁（硬材料） 性能特点：硬度高、韧性很差、不耐温度剧变、耐腐蚀性差，加工困难。 9）铬钢（硬材料） 性能特点：硬度高、耐腐蚀。 10）铬镍钢（硬材料） 性能特点：硬度低、韧性好、耐腐蚀，耐磨性差。 11）堆焊硬质合金（硬材料） 性能特点：硬度高、耐酸性好、耐高温。 12）填充聚四氟乙烯 性能特点：耐腐蚀、很高的耐热性和耐寒性、自润滑性能好。 3.1.3动静环技术要求 1）表面粗糙度：Ra0.1（μ m） 2）垂直度：0.02 3）平面度：0.0009 4）气密性：试验获取。
5.机械密封选型 5.1机封的pv值 1）p—介质压力；v—机封旋转线速度 2）pv值与端面摩擦产生的热量及磨损率成正比，因此pv值可视作耐热性 和耐磨性指标。对于一组摩擦副，在某种介质中有一许用pv值。 5.2选型 5.2.1主要选型参数 1）p-密封腔体压力（MPa） 2）t-流体温度（℃） 3）v-工作速度 4）流体的特性以及安装密封的有效空间（D与L） 5.2.2选型参数与项目的关系 1）按p值确定—（非平衡型、平衡型、单端面、双端面、多端面）； 2）按v确定—（旋转式、静止式、流体动压式、非接触式） 3）D与L影响 安装密封有效空间 D与L值的影响→ 可能限制密封结构型式 →确定→ 多弹簧型 单弹簧型 波形弹簧 内装 外装
3.3弹簧 机械密封中采用弹簧以保证动环与静环的良好贴合，以及自 动补偿二环端而的磨损。要求弹簧材料耐介质腐蚀，长期工作仍 能保持一定的弹性。常用的有磷青铜、碳素弹簧钢（65Mn、 60Si2Mn、50CrV等）、铬钢（3Cr13、4Cr13等）、不锈钢 （1Cr18Ni9Ti，Cr18Ni12Mo2Ti，0Cr20Ni29Cu4 Mo2）、特殊合金 （Ni66Cu31 Fe）等。 磷青铜弹簧在海水、油类介质中使用良好，60Si2 Mn及65Mn 可用于常温无腐蚀性介质中，50CrV高温油泵中使用较多，3Cr13、 4Cr13弹簧适用弱腐蚀介质，1Cr18Ni9Ti等不锈钢弹簧用于稀硝酸 等介质，强腐蚀介质中一般采用保护涂层予以防腐。 3.4其他零部件 机械密封其它零件如弹簧座、固定环、动环座、静环座、螺 钉、传动销等，这些零件虽非关键部件，其设计选用也不能忽视。 通常这些零件要选择性能良好的材料，常用的有不锈钢、铬钢 等，如腐蚀性不强、使用参数又低可选用碳钢。
压力均匀性
压力变化程度 腐蚀影响 脏物、结晶影响 弹簧力调节 空间 制造
要求不严，二端甚至可不磨，各弹簧高度 要求相等
3.机械密封零部件 3.1密封环（动环和和静环） 3.1.1功能 动、静环配合使用，对介质进行密封。 3.1.2材质 3.1.2.1动静环选材原则：硬—硬、硬—软 3.1.2.2密封环主要用材 1）碳-石墨（浸树脂或金属） 性能特点：化学稳定性好，适用范围广，属于软材料，根据石墨量的多少可 分为软、中、硬三种。 2）氧化铝陶瓷（硬材料） 性能特点：硬度高、耐腐蚀、耐磨、脆性大，主要有99瓷和95瓷。 3）氮化硅陶瓷（硬材料） 性能特点：硬度高、耐腐蚀（除HF外）、耐磨损、抗氧化、抗温度剧变、抗 蠕变。 4）碳化硅陶瓷（硬材料） 性能特点：自润滑性能好、耐腐蚀、耐磨损、抗粘着。 5）喷涂陶瓷（硬材料） 性能特点：硬度高、耐磨。
6）三元乙丙橡胶 性能特点：优良的耐老化性，耐热性(可在120℃环境中长期使用)、 耐化学性(如醇，酸，强碱，氧化剂)、耐蒸汽性能， 但不 耐脂肪族和芳香族类溶剂侵蚀。 7）聚氨脂橡胶 性能特点：优异的耐磨性和良好的不透气性，中等耐油，耐氧化特 性，但不耐酸碱、水、蒸汽和酮类等。使用温度范围为 -20～80℃。 8）氯醚橡胶 性能特点：氯醚橡胶兼有丁腈橡胶，氯丁橡胶，丙烯酸酯橡胶的优 点，其耐油、耐热、耐燃、耐碱、耐水及耐有机溶剂性能 都很好，并有良好的工艺性能，其耐寒性较差。 9）丙烯酸酯橡胶 性能特点：耐热油(矿物油，润滑油和燃料油)，特别是在高温下的耐 油稳定性能，一般可达175℃，间隙使用或短时间可耐温 200℃。它的缺点是耐寒性差。
4）温度影响
端面间液膜闪蒸 温度波动时耐热冲击性能 随温升降低粘度和润滑性 按温度考虑→ 辅助密封圈的耐热极限 温升使腐蚀加强，低温材料脆化 温度降低物料聚合或析出结晶 →确定→ 密封的结构 摩擦副及密封圈材料 润滑冷却方法 冲洗保温措施 保冷措施
源自文库
5）流体性质影响
腐蚀降低使用寿命
磨粒存在加速密封件磨损