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第二章机械密封原理与结构形式一、基本概念（1）机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。它是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用及辅助密封的配合下保持贴合下并相对滑动而构成防止流体泄漏的装置，常用于泵、压缩机、反应搅拌釜等旋转式流体机械，也用于齿轮箱、船舶尾轴等密封。因此，机械密封是一种通用的轴封装置。（2）机械密封结构多种多样，最常用的机械密封结构是端面密封。见图2-1。端面密封的静环、动环组成一对摩擦副，摩擦副的作用是防止介质泄漏。它要求静环、动环，具有良好的耐磨性，动环可以在轴向灵活地移动，自动补偿密封面磨损，使之与静环良好地贴合；静环具有浮动性，起缓冲作用。为此，密封面要求有良好的加工质量，保证密封副有良好的贴合性能。构成机械密封的基本元件有静环、动环、压盖、推环、弹簧、定位环、轴套、动环密封圈、静环密封圈轴套密封圈等。（3）弹性元件（弹簧、波纹管）它主要起预紧、补偿和缓冲的作用，要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦和动环等的惯性，保证端面密封副良好的贴合和动环的追随性，材料要求耐腐蚀、耐疲劳。（4）辅助密封（0形圈、V形圈、U形圈、楔形圈和异形圈等）它主要起静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能保证静环与压盖之间的密封性，静环有一定的浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动性。材料要求耐热等。图2-1单端面机械密封10轴套密封圈7轴套6定位环5弹簧4推环3压盖1静环9静环密封圈2动环8动环密封圈构成机械密封的基本元件有;1静环、2动环、3压盖、4推环5弹簧6定位环、7轴套、8动环密封圈、9静环密封圈圈等组成。二、机械密封的泄漏通道点如下：1－静环密封圈4－压盖密封圈3－动环密封圈5－轴套密封圈2－摩擦副三、机械密封的优缺点1、优点，（1）结构可靠，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。（2）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，特殊场合下也有用到5～10年。（3）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。（4）具有耐振性。在转速为3000r/min下最大振幅不超过0.05mm使用PV值不断提高（5）功率损失小。填料密封是靠盘根的压紧在轴上或轴套上起作用的。填料密封与轴直接摩擦，填料压的越紧摩擦力就越大、消耗功率也就越大。而机械密封的摩擦是处于半液摩擦状态，摩擦系数非常的小，机械密封的功率损失是填料密封的10～50％（6）波纹管密封轴或轴套不受磨损，对旋转轴的振摆和轴对壳体的偏斜不敏感。（7）适用范围广。当介质易燃、易爆、有毒有害时，采用机械密封可保证密封。它还适用于高温、低温、高压、真空各种转速的及腐蚀介质的设备密封。2、缺点（1）如结构比填料密封复杂，加工精度要求高，并要求一定的安装技术等，特别是干气密封的安装要求更高。而且密封技术发展的很快，新技术不断出现给我们维修带来了新的课题。（2）结构复杂、拆装不便。与其它密封比较，机械端面密封的零件数目多，要求精密，结构复杂。特别是在装配方面较困难，拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分（联轴器）或全部拆卸。这一问题目前已作了某些改进，例如采用拆装方便并可保证装配质量的剖分式和集装式机械密封等。四、机械密封的典型结构形式机械密封的基本型式多种多样，分类的方法很多我们这里只介绍石油化工企业的一些常用的接触式机械密封结构。接触式机械密封泄漏量小，结构简单，使用范围广。分类方法各有差异，常用的有内装式机械密封、外装式机械密封等。1、内装式机械密封，⑴内装内流多弹簧静止式接触机械密封特征：只有一对摩擦副和多只小弹簧。载荷系数K小于1能平衡介质压力对端面的作用。结构简单，制造及拆装容易。详见图2-31、内装内流静止型机械密封弹簧静止接触机械密封波纹管静止接触机械密封2、内装内流旋转型机械密封弹簧有旋向要求：弹簧的旋向与电机的旋向一致。弹簧密封波纹管密封不受转向要求弹簧密封3、内装单端面单弹簧平衡型密封。有弹簧盒密封弹簧不受旋转方的向要求轴套加工成带台阶，能平衡一部分介质压力轴套加工成带台阶，能平衡一部分介质压力实体分解图4、双端面多弹簧机械密封静环静环动环动环静环密封圈5、弹簧盒上加工方形曹二级动环一级动环一级压盖二级压盖一级静环一级弹簧盒，内装多个小弹簧二级弹簧盒封液入口6、内装双端面波纹管密封波纹管1波纹管2静环2压盖2压盖1静环1锁紧螺丝两套密封面对面或背对背安装在一起。内装双端面弹簧密封轴上应有刻线或凹槽，以便弹簧座定位，两套背对背安装在一起的非平衡密封。轴上应有刻线或凹槽，以便弹簧座定位，两套背对背安装在一起的平衡密封用于工作介质有毒、易燃、易爆、易挥发、易结晶、高温、低温，或气体、高真空度等场合。两套密封之间形成一个密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、润滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。7、内装式静止式波纹管机械密封压盖波纹管不旋转动环轴套橡胶水封波纹管静止安装去掉了补偿环密封圈及其摩擦阻力，补偿环密封圈改至弹簧座处，补偿环追随性提高，而且避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。8、内装旋转式波纹管密封波纹管旋转型静环轴套压盖波纹管旋转安装9、高压高速密封锁紧环压缩量定位片弹簧不旋转压盖动环锁紧环付压盖弹簧座动环动环密封圈多点冲洗静环轴套主压盖弹簧10、集成式集装机械密封轴套密封圈密封锁紧环密封压盖动环静环集成式集装密封。渣浆型密封。适用于密封例如污水，渣浆等含有固体颗粒或纤维状杂质的介质。安装方便，适用范围广，轴向尺寸小等特点。11、波纹管环座上开弧型曹代替叶轮循环冷却的热水泵密封介质循环入口介质循环出口波纹管座上开槽静环静环密封圈轴套在弹簧盒开孔代替叶轮的作用，使本身的介质自循环，在经过冷却灌冷却介质达到改善密封的工作环境的目的。适用于高温油泵，适用温度在200℃～300℃左右12、弹簧盒开孔代替叶轮的作用在弹簧盒开孔代替叶轮的作用，使本身的介质自循环，在经过冷却灌冷却介质达到改善密封的工作环境的目的。适用于高温油泵，适用温度在200℃～300℃左右在二级密封弹簧盒开孔调整压缩量的定位片一级密封介质循环入口介质循环出口两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低，用于有毒介质、易挥发介质、高压场合等13、轴套尾部安装节流环轴套安装节流环多点冲洗波纹管冲洗入口在轴套尾部安装节流环，减少密封腔的压力同时采用多点冲洗，密封受热均匀，波纹管静止安装广泛用于高温泵。14、磁力机械密封磁铁轴承压盖静环静环密封圈动环动环密封圈特点：①结构紧凑：轴向、径向尺寸均短小紧凑。②磁力补偿：使用磁力作为密封端面贴合力，新颖可靠③转动部件一体化：方便安装和使用。④优选材料：端面材料优选，密封效果好，使用寿命长。15、外装式机械密封辅助弹簧压盖静环介质端锁紧环4－F方型波纹管外装式多弹簧4-F波纹管密封的特征是动环安装在填料函外面，检查与调节方便。弹簧可不受介质的腐蚀。泄漏量较大，外装外流多弹簧旋转接触式机械密封，密封型号有151、152、153型。图2-20是152型机械密封是耐酸泵最常见的一种密封16非补偿环的几种安装方式浮装式托装式夹固式非补偿静环（不旋转不补偿）：主要有三种安装方式：补偿静环（不旋转只补偿）：其辅助密封圈情况和补偿动环基本一致。五、平衡型密封与非平衡型密封的区别平衡型密封轴套加工成台阶非平衡型密封轴套没有台阶平衡型——动、静环密封面的压力不受（或很少受）介质压力的影响。非平衡型——端面压力受介质压力的影响。过大会压坏端面间隙的润滑膜。1、内装式平衡型密封受力图介质压力作用面积端面面积平衡线平衡线2、内装式平衡型密封受力图K=（d22－d02）/（d22－d12）当K≥1时，机械密封为非平衡型；当K＜1时，机械密封为平衡型；平衡系数β=100（1-K）%d0为介质分界圆直径（轴径）介质压力对补偿环的有效作用A面积与端面面积S之比。K=A/S载荷系数Kß为平衡系数，它表示介子产生的比压在摩擦副上的卸栽程度，因此ß＝1－K内1-0.85=0.15即平衡系数为15％一般石油化工的离心泵的K载荷系数为K=0.63～0.85当密封腔压力超过0.7MPa时应考率采用部分平衡型对于一般介质，当P介＝0.6～0.7Mpa以上采用平衡型密封，对粘度较大，润滑性能好的介质，非平衡型机械密封使用压力可以超过该值；对于粘度较小，润滑性能差的介质，当P介＝0.29～0.49Mpa时就得采用平衡型机械密封。平衡系数B愈大，由介质引起的端面比压就愈小，虽然磨损小，但不易保证密封。反之，衡系数ß愈小，则端面比压就愈大，使端面磨损加剧，发热甚至有咬坏的危险，最后使密封失效。因此要选取适当的ß值，其值的大小与很多因素有关，情况比较复杂，通常情况下，ß值不易超过0.5否则，端面间的反压力将使得端面有被推开的趋势。平衡系数ß值的选择与密封介质粘度、温度、转速、等有关。ß值的常用范围为15％～40％即载荷系数K＝0.85～0.60在其他条件不变化的情况下，粘度越大的适用的ß值愈小，粘度越小使用的ß就越大。试验证明水、汽油、煤油等介质的ß值约为20％～30％（对于水ß＝48时，已接近端面打开的极限对于粘度大的油ß值约为30％～40％机械密封的ß值分为20％~30％介质压力越大，适用的ß值也越大；介质压力越小适用的ß越小，ß值是一个非常重要的数据，有时密封的选型不对则造成密封泄漏。３．端面比压——作用于密封端面单位面积的力称为密封比压。要求：１）端面比压必须是正值，保证密封端面紧密贴合；２）大于物料在密封端面上的蒸汽压；３）保证液膜存在，端面比压不宜过大，以免液膜蒸发使磨损加剧。也不能过小，以免密封性能变差。泵用内置式，一般取0.3-0.5MPa；外置式，0.15-0.4MPa；粘度大者，适当增加，一般0.5-0.7MPa；润滑性差，易挥发物料，比压较小，一般0.25-0.45MPa；反应釜外置式，比压比泵用稍大。弹簧比压：弹簧作用于密封端面单位面积的力。作用：当介质压力很小或波动时，仍能维持一定的端面比压，使介质不致泄漏。选择依据：端面平均线速度。高速机械密封，平均线速度＞30m/s，取(0.5~2.0)×9.8×104Pa；中速，平均线速度10~30m/s，取(1.5~3)×9.8×104Pa；低俗，平均线速度＜10m/s，取(1.5~6)×9.8×104Pa；釜用，取0.22MPa。（转速低，气相，轴摆动较大，操作压力、温度、相态不稳定）。取值较大。