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1、第四章 机械密封,主要内容,1. 机械密封的基本原理,2. 机械密封的分类（介绍）,3. 机械密封的设计（简单介绍）,7. 机械密封的选择与使用,次重点,5. 机械密循环保护系统,6. 机械密封性能与实验,4.机械密封材料（简单介绍）,8. 机械密封的失效分析,4.1 机械密封的基本原理,1. 定义与组成,机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。（用于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点，成为了主要的轴密封方式，又叫端面密封。） 在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋转轴线的端面
2、组成,在流体压力及补偿机构弹力(或磁力)共同作用下，以及辅助密封圈的配合下， 该对端面保持贴合并相对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。,组成:1. 密封端面：动环、静环摩擦副2. 缓冲补偿机构：由弹性元件(圆柱弹簧、圆锥弹簧、波片弹簧、波纹管等)构成。使密封断面紧密贴合;3. 辅助密封圈：包括动环密封圈、静环密封圈等4. 使动环随轴旋转的传动机构,2. 密封机理,（1） 4个密封点（亦称4个泄漏点，如上图）泄漏点1摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持贴和（动密封点,两个摩擦副之间有相对转动）泄漏点2补偿环密封圈，静密封点，密封圈与轴或轴套之间有微动;泄漏点3非补偿环密封圈，静密封点，密封圈与
3、相配合件之间相对静止;泄漏点4压盖与腔体间的密封圈，静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止.,（2）传动关系 轴或轴套紧固螺钉5弹簧座4弹簧3补偿环1（动环） 压盖防转销8非补偿环6（静环）,（3）原理 轴通过紧定螺钉、弹簧座、弹簧带动补偿环（动环）旋转；非补偿环（静环）由于防转销的作用静止与压盖内；动环在弹簧力和介质压力的作用下，与静环的端面紧密贴合，并发生相对滑动，阻止的介质的泄漏。 摩擦副表面磨损后，在弹簧的推动下实现补偿。,3. 与填料密封的比较,1）密封可靠，在长期运转中密封状态很稳定，泄漏量很小，其泄漏约为软填料密封的1%2）使用寿命长3）摩擦功率消耗小，仅为软填料的10%50%4
4、）轴或轴套基本上不磨损5）维修周期长，端面磨损后可自动补偿，6）抗震性好，对旋转轴的震动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感7）适用范围广，高温、高压、低温、真空以及各种腐蚀介质等场合,优点：,1）结构较复杂，对加工制造要求高2）安装和更换比较麻烦，要求工人有一定的技术水平3）发生偶然性事故时，处理较困难4）价高,缺点：,4. 主要参数,机械密封的使用性能主要取决于由两密封端面构成的主密封。其主密封作用的密封端面是由一层极薄的流体膜来润滑的。下图为机械密封端面力学分析的示意图。,密封环带面积 A,弹簧比压 Ps,密封流体压力有效作用面积 Ae,db为滑移直径，也称平衡直径，指密封流体压力作用在补偿
5、环辅助密封圈处的轴的直径,密封流体压力作用比压 Pe,载荷系数 K,K1时，既Ae A，密封流体压力作用面积大于或等于密封环带面积（承载面积），称为非平衡型机械密封；当K1时，称为平衡性机械密封。,平均流体膜压力 Pm,反压系数 ,闭合力 Fc,开启力F0,端面比压 Pc,上述分析是针对基本结构而进行的，不同的具体结构，某些参数计算式会有所不同。,4.2 机械密封的分类,机械密封可按不同的方法分类。1）按使用密封的工作主机可分为：泵用、釜用、压缩机用机械密封等2）可按不同的工作参数分类，如课本P150表4-93）按结构型式分类，如课本P151表4-10,1）静止式和旋转式机械密封静止式弹簧不随
6、轴一起旋转,静止式机械密封的弹簧不受离心力影响，常用于高速机械密封中,静止式,补充内容：,旋转式弹簧随轴一起旋转的为旋转式机械密封,旋转式,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，但不宜用于线速度较高的轴。,2）内置式和外置式机械密封,内置式弹簧与动环安装在密封箱内与介质接触,内置式密封可以利用密封箱内介质压力来密封，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,内置式,外置式弹簧与动环安装在密封箱外不与介质接触,外置式,外置式密封的大多数零件不与介质接触，暴露在设备外，便于观察、安装及维修。但是，介质压力与弹力方向相反，当介质压力有波动，而弹簧补偿量又不大时，会导
7、致密封不稳定甚至严重泄漏。仅用于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低场合,3）单端面和双端面机械密封单端面由一对密封端面组成,单端面,结构简单，制造和安装容易，一般用于介质本身润滑性好和允许有微量泄漏的情况，是最常用的机械密封型式。但当介质有毒、易燃、易爆以及对泄漏量有严格要求时，不宜使用。,双端面由一对密封端面组成,轴向双端面,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。,径向双端面机械密封结构较轴向双端面机械密封紧凑,劲向双端面,4）单级和双级机械密封单级使密封介质处于一种压力状态,单级,与单端面机械密封相同,双级使密封介质处于两种压力状态,双级,二级密封串联布
8、置，介质压力依次递减，可用于高压工况。如介质压力很高，可以将多级密封串联，成为多级机械密封,4.3 机械密封的设计（简单介绍）,机械密封的设计原则1）必须始终有液体与密封端面入口处保持接触（润滑）2）液体在端面入口处的温度必须低于在该处压力下液体沸点3）补偿环（动环）必须处于自由补偿状态，能进行轴向的自我调节4）补偿环和非补偿环必须有可靠的防转措施，防止在扭转载荷的作用下，发生相对于轴或壳体的周向滑动或转动5）必须具有足够的弹簧力始终维持密封端面的接触,为了提高密封的可靠性，某些其他要求也应尽量满足，如：1）至少一个密封环应采用高导热材料2）高压流体处于密封环的外周围，即密封结构采用内流式3）
9、一个密封端面的材料必须耐磨，且在磨损过程中能保持端面的平滑4）对高速场合，非补偿环旋转，采用静止式结构，并且旋转环的外周尽量简洁，避免对流体的激烈搅动5）窄环的端面宽度不超过23mm6）密封采用平衡式结构，载荷系数K=0.70.87）避免大的拉伸应力和冲击载荷,1）获取设计条件2）确定基本结构3）确定材料4）密封端面设计5）补偿环和非补偿环设计6）辅助密封设计7）弹性元件设计8）密封辅助系统设计9）主要工作参数的计算10）标准化和工艺审查11）进行型式试验12）编制零件表、使用说明书,2. 机械密封的设计程序,3. 某些设计特征、问题与解决方案,1）转矩传递,机械密封工作时，旋转环必须克服搅拌
10、和端面的摩擦转矩与轴一起旋转。需要有可靠的传动方式来传递转矩。 转矩传递机构在有效传递转矩的同时，不能妨碍补偿机构的补偿作用和密封环的浮动减振能力 常见的旋转环传动方式：转轴直接传动、弹簧座凹槽传动、弹簧座传动、弹簧过盈传动、弹簧钩传动、突耳拨叉传动、波纹管传动、传动螺钉传动等。,旋转轴直接传动,常见结构有轴套夹紧、用紧定螺钉固定等，常用于静密封,弹簧座凹槽传动,在旋转环外侧和弹簧座上加工凹槽，结构简单，工作可靠。,弹簧座传动,在弹簧座上开两个缺口，旋转环上安两个销钉或螺钉配合传动。结构简单，工作可靠,弹簧过盈传动,弹簧两端过盈安装在弹簧座和旋转环上，利用弹簧顺螺旋方向旋转内径变小的特点传动，
11、结构简单，只能单方向传动,弹簧钩传动,弹簧两端分别钩住弹簧座和旋转环来传动。结构紧凑，工作可靠，只能单方向传动,突耳拨叉传动,利用金属与金属的凹凸形式传动，适用于复杂结构。有相对轴向运动时，能保证传动的可靠性，并允许密封又较大偏斜。,波纹管传动,利用波纹管直接传动,传动螺钉传动,利用螺钉传动。常用在多弹簧结构中。,4.4 机械密封材料,机械密封材料,摩擦副材料辅助密封材料加载弹性元件材料其他结构材料,1. 摩擦副材料,1）摩擦副的主要性能物理力学性能、耐腐蚀性能、摩擦学性能2）常用摩擦副的材料石墨、硬质合金、工程陶瓷和填充聚四氟乙烯等3）摩擦副材料配对规律,2. 辅助密封材料,1）辅助密封材料
12、特性要求2）常用材料合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨、金属材料等,3. 弹性元件材料,材料要求特性,4. 其他结构件材料,4.5 机械密封循环保护系统,定义：为机械密封本身创建一个较理想的工作环境而设置的具有冲洗、改善润滑、调温、调压、除杂、更换介质、稀释泄漏介质等功能的循环保护系统，称为机械密封循环保护系统。功能：1）冲洗是机械密封系统具有的最基本功能2）具有对机械密封本身工作环境的温度进行调节和控制的功能3）具有调节、控制密封工作压力的功能4）具有除去杂质、维持液体清洁的功能,机械密封系统的功能单元流程,1）冲洗根据冲洗液的来源和走向，冲洗可分为自冲洗、外冲洗和循环冲洗。利用被密封介质本身来
13、实现对密封的冲洗称为自冲洗。,正向直通冲洗,正向旁通,反向旁通,利用另外一种外来的冲洗液来实现对密封的冲洗称为外冲洗。,利用循环轮（套）、压力差、热虹吸等原理实现冲洗流体循环使用的冲洗方式称为循环冲洗,2）. 急冷或阻封,向密封端面的低压侧注入液体或气体被称为急冷或阻封。功能：冷却密封端面、隔绝空气或湿气，防止或清除沉淀物、润滑辅助密封、熄灭火花、稀释和回收泄漏介质等,3）. 冷却或保温冷却是迅速移走热量，降低密封的工作环境温度。对于密封易结晶、易凝固的液体介质，有时需要加热或保温。,4）. 节流或限流在密封系统中是通过孔板或节流衬套来实现对流体流量的限制和控制。,5）. 除杂与过滤除去固体颗
14、粒等杂质是机械密封系统的一种基本功能，可采用过滤器或旋液分离器来除去系统中的杂质。,6）机械密封的选用有下列情况之一应选用机械密封系统：工作温度超过密封件允许值的密封装置2. 高粘度或低粘度易挥发介质的密封装置3. 危险有害介质的密封装置4. 含有杂质介质的密封装置5. 重型机械密封装置6. 气相介质密封装置,4.6 机械密封的性能与试验,机械密封性能1）泄漏率 是指单位时间内通过主密封和辅助密封泄漏的流体总量，是评价机械密封性能的一个重要指标。2）磨损量 是指机械密封运转一定时间后，密封端面在轴向长度上的磨损量。,3）寿命机械密封的使用寿命指机械密封从开始工作到失效累积运行的时间4）转矩包括
15、：端面摩擦转矩、启动转矩、搅拌转矩5）追随性指当机械密封存在跳动、振动和转轴的窜动时，补偿环对于非补偿环保持贴合的性能。,2. 机械密封试验,根据不同的实验目的，机械密封试验可分为：以验证设计正确性为目的的型式实验；以质量控制为目的的出厂试验；以考核可靠性、寿命为目的的特殊试验；以研究开发为目的的试验研究等。1）型式试验是为判断性设计的机械密封是否具有规定的性能而进行的试验。试验的主要内容：测量密封静压和运转时的泄漏量、测量摩擦副的磨损量、测量密封的摩擦转矩和功耗、测量流体的温升等。,2）出厂试验是机械密封产品质量控制的一个重要手段。3）特殊性能试验材料选择试验、润滑状态试验、温度裕度试验、耐
16、晃动和振动性试验及耐固体颗粒磨损试验等。4）试验研究,4.7 机械密封的选择与使用,机械密封的选择1）影响密封选择的主要因素 过程装备的特点、被密封介质的性质、操作条件、外部公用工程、密封标准和其他因素。2）密封选择的主要程序 获取数据、结构型式及其密封辅助系统的选择,2. 机械密封的使用1）机械密封的安装对设备的精度要求、安装准备及安装、安装检查2）机械密封的运作启动前的注意事项及准备、密封试运转和正常运转、机械密封的停车,4.8 机械密封的失效分析,机械密封的失效密封失效的定义 被密封的介质通过密封部件并造成下列情况之一者，则认为密封失效: 从密封系统中泄漏出大量介质、密封系统的压力大幅度降低、封液大量进入密封系统,密封失效的外部特征1）密封持续泄漏密封出现持续泄漏的原因有：密封端面问题、辅助密封问题、密封零件问题等2）密封泄漏和密封环结冰（泄露介质发生汽化或闪蒸）3）密封在工作时发出爆鸣声（泄露介质发生汽化或闪蒸）4）密封工作时产生尖叫（密封端面润滑状态不佳）5）石墨粉聚集在密封面的外侧（密封端面润滑状态不佳）6）密封寿命短,密封失效的具体表现形式1）磨损失效2）腐蚀失效3）热损伤失效,
