动密封基础知识1

动密封基础知识机械密封1 机械密封的工作原理机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。

图29.7-1 机械密封结构常用机械密封结构如图29.7-1所示。

由静止环（静环）1、旋转环（动环）2、弹性元件3、弹簧座4、紧定螺钉5、旋转环辅助密封圈6和静止环辅助密封圈8等元件组成，防转销7固定在压盖9上以防止静止环转动。

旋转环和静止环往往还可根据它们是否具有轴向补偿能力而称为补偿环或非补偿还。

机械密封中流体可能泄漏的途径有如图29.7-1中的A、B、C、D 四个通道。

C、D泄漏通道分别是静止环与压盖、压盖与壳体之间的密封，二者均属静密封。

B通道是旋转环与轴之间的密封，当端面摩擦磨损后，它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上仍然是一个相对静密封。

因此，这些泄漏通道相对来说比较容易封堵。

静密封元件最常用的有橡胶O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作为补偿环的旋转环或静止环辅助密封，有时采用兼备弹性元件功能的橡胶、聚四氟乙烯或金属波纹管的结构。

A通道则是旋转环与静止环的端面彼此贴合作相对滑动的动密封，它是机械密封装置中的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。

因此，对密封端面的加工要求很高，同时为了使密封端面间保持必要的润滑液膜，必须严格腔制端面上的单位面积压力，压力过大，不易形成稳定的润滑液膜，会加速端面的磨损；压力过小，泄漏量增加。

所以，要获得良好的密封性能又有足够寿命，在设计和安装机械密封时，一定要保证端面单位面积压力值在最适当的范围。

机械密封与软填料密封比较，有如下优点：①密封可靠在长周期的运行中，密封状态很稳定，泄漏量很小，按粗略统计，其泄漏量一般仅为软填料密封的1/100；②使用寿命长在油、水类介质中一般可达1～2年或更长时间，在化工介质中通常也能达半年以上；③摩擦功率消耗小机械密封的摩擦功率仅为软填料密封的10%～50%；④轴或轴套基本上不受摩损；⑤维修周期长端面磨损后可自动补偿，一般情况下，毋需经常性的维修；⑥抗振性好对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感；⑦适用范围广机械密封能用于低温、高温、真空、高压、不同转速，以及各种腐蚀性介质和含磨粒介质等的密封。

但其缺点有：①结构较复杂，对制造加工要求高；②安装与更换比较麻烦，并要求工人有一定的安装技术水平；③发生偶然性事故时，处理较困难；④一次性投资高。

机械密封的类型2.1 按工作参数分类机械密封按不同工作参数分类见表29.7-1。

表29.7-1 机械密封按工作参数分类2.2 按结构型式分类机械密封按结构型式分类，其基本类型有：（1）平衡式和非平衡式机械密封能使介质作用在密封端面上的压力卸荷的为平衡式，不能卸荷的为非平衡式。

按卸荷程度不同，前者又分为部分平衡式（部分卸荷）和过平衡式（全部卸荷）。

平衡式密封（图29.7-2a）端面上所受的作用力随介质压力的升高而变化较小，因此适用于高压密封；非平衡式密封（图29.7-2b）密封端面所受的作用力随介质压力的变化较大，因此只适用于低压密封。

平衡式密封能降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，承载能力大，但其结构较复杂，一般需在轴或轴套上加工出台阶，成本较高。

后者结构简单，介质压力小于0.7MPa时广泛作用。

（2）内置式和外置式机械密封弹簧和动环安装在密封箱内与介质接触的密封为内置（装）式密封（见图29.7-3a）；弹簧和动环安装在密封箱外不与介质接触的密封为外置（装）式密封（见图29.7-3b）。

前者可以利用密封箱内介质压力来密封，机械密封的元件均处于流体介质中，密封端面的受力状态以及冷却和润滑情况好，是常用的结构型式。

外置式机械密封的大部分零件不与介质接触，暴露在设备外，便于观察及维修安装。

但是由于外置式结构的介质作用力与弹性元件的弹力方向相反，当介质压力有波动，而弹簧补偿量又不大时，会导致密封环不稳定甚至严重泄漏。

外置式机械密封仅用于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低的场合。

图29.7.2 平衡式与非平衡式机械密封a）平衡式；b）非平衡式图29.7-3 内置式和外置式机械密封a）内置式；b）外置式（3）内流式和外流式机械密封介质泄漏方向与离心力方向相反的密封为内流式密封（见图29.7-4a）；介质泄漏方向与离心力方向一致的密封为外流式密封（见图29.7-4b）。

由于内流式密封中离心力阻止泄漏流体，其泄漏量较外流式少，前者适用于高压，速度高时，密封可靠。

为加强端面润滑采用后者较合适，但介质压力不宜过高，一般为1～2MPa。

（4）静止式和旋转式机械密封弹簧不随轴一起旋转的密封为静止式密封（见图29.7-5a）；弹簧随轴一起旋转的密封为旋转式密封（见图29.7-5b）。

由于静止式密封的弹簧不受离心力影响，常用于高速机械密封中。

旋转式机械密封的弹性元件装置简单，径向尺寸小，是常用的结构，但不宜用于高速条件，因高速情况下转动件的不平衡质量易引起振动和介质被强烈搅动。

因此，线速度大于30m/s时，宜采用弹簧静止式机械密封。

图29.7-4 内流式和外流式机械密封a）内流式；b）外流式图29.7-5 静止式和旋转式机械密封a）静止式；b）旋转式（5）单弹簧式和多弹簧式机械密封补偿机构中只有一个弹簧的机械密封称为单弹簧式机械密封（见图29.7-6a）或叫大弹簧式机械密封，补偿机构中含有多个弹簧的机械密封称多弹簧式机械密封（见图29.7-6b）或小弹簧式机械密封。

单弹簧式机械密封端面上的弹簧压力，尤其在轴径较大时分布不够均匀。

多弹簧式机械密封的弹力簧压力分布则相对比较均匀，因此单弹簧式的机械密封常用于较小轴径（d≯80～150mm轴径），而多弹簧式适用于大轴径高速密封。

但多弹簧的弹簧丝径细，由于腐蚀或结晶颗粒积聚易引起弹簧失效，这时宁可采用单弹簧式。

图29.7-6 单弹簧式和多弹簧式机械密封a）单弹簧式；b）多弹簧式（6）单端面式和双端面式机械密封由一对密封端面组成的为单端面密封（见图29.7-7a），由二对密封端面组成的为双端面密封（见图29.7-7bc）。

单端面密封结构简单，制造、安装容易，一般于介质本身润滑性好和允许微量泄漏的条件，是常用的密封型式，当介质有毒、易燃、易爆以及对泄漏量有严格要求时，不宜使用。

双端面密封有轴向双端面密封和径向双端面密封。

沿径向布置的双端面密封结构较轴向双端面密封紧凑。

双端面密封适用于介质本身润滑性差、有毒、易燃、易爆、易挥发、含磨粒及气体等。

轴向双端面密封有面对面或背靠背布置的结构，工作时需在两对端面间引入高于介质压力0.05～0.15MPa的封液以改善端面间的润滑及冷却条件，并把介质与外界隔离，有可能实现介质“零泄漏”。

（7）接触式和非接触式机械密封接触式机械密封（见图29.7-8a）是指密封面微凸体接触的机械密封，密封面间隙h=0.5～2μm。

摩擦状态为混合摩擦和边界摩擦；非接触式机械密封是指密封面微凸体不接触的机械密封，密封面间隙对于流体动压密封h＞2μm，对于流体静压密封h＞5μm。

摩擦状态为流体摩擦、弹性流体动力润滑。

图29.7-7 单端面式和双端面式机械密封a）单端面式；b）轴向双端面式；c）径向双端面密封普通机械密封大都是接触式密封，而可控间隙机械密封是非接触式密封。

接触式密封结构简单、泄漏量小，但磨损、功耗、发热量都较大。

在高速、高压下使用受一定限制。

非接触式密封发热量、功耗小，正常工作时没有磨损，能在高压高速等苛刻工况下工作，但泄漏量较大。

非接触式又分为流体静压（见图29.7-8b）和流体动压（见图29.7-8c）两类。

流体静压密封，系指利用外部引入的压力流体或被密封介质本身，通过密封端面的压力降产生流体静压效应的密封。

流体动压密封系指利用端面相对旋转自行产生流体动压效应的密封，如螺旋槽端面密封。

（8）单级式和双级式机械密封使密封介质处于一种压力状态为单级（见图29.7-9a），处于二种或二种以上压力状态为双级或多级机械密封（见图29.7-9b）。

前者与单端面密封相同，后者各级密封串联布置，介质压力依次递减，可用于高压工况。

（9）波纹管型机械密封波纹管材料有金属、聚四氟乙烯、橡胶等，分别称为金属（见图29.7-10a）、聚四氟乙烯（29.7-10b）和橡胶波纹管型（见图29.7-10c）机械密封。

波纹管型密封在轴上没有相对滑动，对轴无磨损，跟随性好，适用范围广。

金属波纹管与焊接金属波纹管和液压成型波纹管，其本身能代替弹性元件，耐蚀性好，可在高、低温下使用。

聚四氟乙烯耐蚀性好，可用于各种腐蚀介质中。

橡胶价格便宜，使用广泛，使用温度受橡胶材料的限制。

图29.7-8 接触式和非接触式机械密封a）接触式；b）静压效应密封；c）动压效应密封图29.7-9 单级式和双级式机械密封a）单级式；b）多级式图29.7-10 波纹管型机械密封a）焊接金属波纹管机械密封；b）聚四氟乙烯波纹管机械密封；c）橡胶波纹管型机械密封设计中的选型机械密封设计中的造型机械密封结构型式的选择是设计环节中的重要步骤，必须先进行调查：①工作参数—介质压力、温度、轴径和转速。

②介质特性—浓度、粘度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维杂质，是否易汽化或结晶等。

③主机工作特点与环境条件—连续或间歇操作；主机安装在室内或露天；周围气氛性质及气温变化等。

④主机对密封的允许泄漏量、泄漏方向（内漏或外漏）要求；寿命及可靠性要求。

⑤主机对密封结构尺寸的限制。

⑥操作及生产工艺的稳定性。

4.1 根据工作参数p、v、t选型这里p是指密封腔处的介质压力，根据p值的大小可以初步确定是否选择平衡式的结构以及平衡程度。

对于介质粘度高、润滑性好的，p≤0.8MPa，或低粘度、润滑性较差的介质，p≤0.5MPa时，通常选用非平衡式结构。

p值超过上述范围时，应考虑选用平衡式结构。

当p ＞15MPa时，一般单端面平衡式结构很难达到密封要求，此时可选用串联式多端面密封。

υ是指密封面平均直径的圆周速度，根据υ值的大小确定弹性元件是否随轴旋转，即采用弹簧旋转式或弹簧静止式结构，一般υ＜20～30m/s的可采用弹簧旋转式，速度更高的条件下，由于旋转件的不平衡质量易引起强烈振动，最好采用弹簧静止式结构。

若p和υ的值都高时，可考虑选用流体动压式结构。

t是指密封腔内的介质温度，根据t的大小确定辅助密封圈的材质、密封面的冷却方法及其辅助系统。

温度t在0～80℃范围内，辅助密封圈通常选用丁腈橡胶O形密封圈；-50℃≤t＜150℃，根据介质腐蚀性强弱，可选用氟橡胶、硅橡胶或聚四氟乙烯成型填料密封圈：温度＜-50或t≥150℃时，橡胶和聚四氟乙烯会产生低温脆裂或高温老化，此时可采用金属波纹管结构。

介质浊度高于80℃时，在密封领域中通常就要按高温来考虑，此时必须采取相应的冷却措施。