机械密封结构综述

1第三章机械密封教学重点：（1）机械密封结构、原理；（2）机械密封与软填料密封比较时的优缺点；（3）内（外）流式单端面机械密封的端面比压计算。教学难点：（1）机械密封的设计计算；（2）机械密封的冷却、冲洗与安装；（3）特殊工况下机械密封的设计要点。（4）密封技术与润滑的关系。2一、密封原理和特点1.结构第一节机械密封原理和基本结构型式（1）组成1234567891-静环座2-动环辅助密封圈3-静环辅助密封圈4-防转销5-静环6-动环7-弹簧8-弹簧座9-紧定螺钉31234567891-静环座2-动环辅助密封圈3-静环辅助密封圈4-防转销5-静环6-动环7-弹簧8-弹簧座9-紧定螺钉（2）固定紧定螺钉把弹簧固定在轴上静环的周向固定：静环上开槽，然后通过防转销与静环座固定。而静环座又与设备联在一起。42.密封原理机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。如图3-1所示，当轴转动时，带动了弹簧座、弹簧压板、动环等零件一起转动，由于弹簧力的作用使动环紧紧压在静环上。轴旋转时，动环与轴一起旋转，而静环则固定在座架上静止不动，这样动环与静环相接触的环形密封面阻止了介质的泄漏。1234567891-静环座2-动环辅助密封圈3-静环辅助密封圈4-防转销5-静环6-动环7-弹簧8-弹簧座9-紧定螺钉5机械密封一般有四个密封处：A、动环与静环之间的密封——动密封B、动环与轴或轴套之间的密封——相对静密封C、静环与静环座之间的密封——静密封D、静环座（压盖）与设备之间的密封——静密封1234567891-静环座2-动环辅助密封圈3-静环辅助密封圈4-防转销5-静环6-动环7-弹簧8-弹簧座9-紧定螺钉机械密封的主要特点主是密封面为垂直于旋转轴线的端面。ABCD63.基本构件（1）动环和静环材料较好的耐磨性，能有减摩作用（即f要小）良好的导热性，把摩擦热及时传出孔隙率小，结构紧密，以免介质在压力下有渗透。动、静环是一对摩擦副，它们的硬度各不相同。一般动环的硬度比静环的硬度大。动环的材料可用铸铁、硬质合金、高合金钢等，在有腐蚀介质的条件下可用不锈钢或不锈钢表面（端面）堆焊硬质合金、陶瓷等；静环的材料可用铸铁、磷青铜、巴氏合金等，也常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。7配对方法：当介质粘度小，润滑性差时，采用金属配各种非金属（因为大多数非金属材料都有自润滑作用）；当介质粘度较大时，采用金属与金属配对。加工精度由于摩擦副的端面要起密封作用，并且摩擦环要相互滑动摩擦，故端面的加工精度影响着密封的效果和使用寿命。因此，JB4127-85《机械密封技术条件规定较高。8（2）弹簧加荷装置（3）辅助密封元件型式：O形、V形、矩形等作用：产生压紧力，保持动、静环端而后紧密接触，且是一个缓冲元件，可以补偿轴的跳动及加工误差而引起的摩擦面不贴合。再进一步，如果我们把弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力称为弹簧比压ps，那么ps的作用有两点：①起动停车或介质压力波动时，使密封面维持足够的比压；②克服密封圈与轴的摩擦力，保持动环沿轴向移动，以补偿端面的磨损。因此有人把机械密封定义为：机械密封是一种带有缓冲机构，并通过与旋转轴大体垂直并做相对转动的密封端面进行密封的装置。9优点①密封可靠，在一个较长的使用期中，不会泄漏或很少泄漏；②使用寿命长，正确选择摩擦副材料和比压的机械密封可用2—5年，最长的达9年；③维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修；④摩擦功率消耗少；⑤轴或轴套不受磨损；⑥对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感；⑦适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各种转速以及各种腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封。4.机械密封的优缺点：（与软填料密封比较）缺点①结构较复杂，对制造加工要求高；②安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水平；③发生偶然事故时，处理比较困难；④一次性投资高。10比较软填料密封机械密封泄漏量180～450ml/h一般为软填料密封的１％摩擦功率损失机械密封为软填料密封的10～50％轴磨损有磨损，用久后要更换几乎无磨损维护及寿命要经常维护，更换填料，个别情况每班换一次寿命很长，很少需要维修高参数高压、高温、高真空、高转速、大直径密封不能解决可以加工及安装加苛求一般，填料更换方便动、静环表面粗糙度及平直度要求高，不易加工，成本高，装拆不便对材料要求一般动、静环要求较高表3-1机械密封与填料密封的比较11二、结构类型按介质泄漏方向分为内流式和外流式。内流式：介质沿半径方向从端面外周向内泄者称为内流式。外流式：介质沿半径方向从端面内周向外泄者称为外流式。内流式的泄漏方向与离心力方向相反，离心力阻碍着流体的泄漏，因而内流式泄漏比外流式泄漏量小。于是，有固体颗粒的情况尤其应该采用内流式。这样可防止固体颗粒进入摩擦面。1、内流式和外流式（图3-2）12按弹簧是否与介质接触分为内装式和外装式。内装式是弹簧置于工作介质之内，外装式是弹簧置于工作介质之外。2、内装式和外装式（如图3-3）13外装式特点：一般来说大部分机械密封零件不与介质接触，且暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外装式结构的介质作用与弹簧力相反（指常用结构）。当介质压力有波动或升高的情况下，弹簧力余量又不大时，会出现密封不稳定的情况以致产生泄漏。当介质压力降低时，因弹簧力不变，在摩擦面上受负荷增大，特别在低压起动时，摩擦副的表面间尚未构成液膜，此时比压又是最大，容易擦伤端面。内装式受力情况比较好，刚开车时介质压力较低，由不太大的弹簧力即可对摩擦面构成初始的密封，此时因端面比压较小，容易形成液膜。内装式端面比压随介质压力增在而增大，因而增加了密封的可靠性。一般情况下内装式的介质泄漏方向与离心力方向相反，泄漏情况较外装式好。所以在介质无腐蚀以及不影响弹簧机能时，应尽可能采用内装式结构。14主要按介质作用在端面的载荷程度分。3、平衡型和非平衡型当不计摩擦副间反压力及密封圈摩擦力时，作用在端面上的比压为：KPPPddddPPsbsc)()(2122222式中：Pc—端面比压，是指作用于密封面环带的单位面积上净剩的闭合力，它主要取决于密封结构型式和介质压力。P——介质压力Pn——弹簧比压（弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力）15AAKddddeb2122222其中：Ae——流体介质作用的有效载荷面积A——接触面积（密封环带面积）K——载荷系数，动环的轴向受压面积与端面接触面积之比。d1、d2——密封环带内、外径db——平衡直径（介质压力在补偿环辅助密封处的有效作用直径）减小动环的轴向受压面积，可将流体压力施加在摩擦副端面上的载荷部分甚至全部卸除。这一方法称为卸荷。因此K表示的是介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度。根据d1、d2和db的不同，K有不同的值。（图3-4）AAAPAPAAAPK=0K1K00K1图3-416AAAPAPAAAPK=0K1K00K1图3-417K≥1非平衡型：介质作用于单位密封面上的轴向压力大于或等于密封腔内介质压力，K=1.1～1.20K1部分平衡型:介质作用于单位密封面上的轴向压力小于密封腔内介质压力，K=0.6～0.9K=0全平衡型：介质对密封面无轴向力K0过平衡型：介质对密封面为推开力令β=1-K，称β为平衡系数，它表示介质产生的比压在摩擦副上的卸荷程度。由前面Pc公式可知，β愈大，K愈小，由于介质引起的端面比压愈小，虽然磨损很小，但不易保证密封；反之β愈小，K愈大，端面磨损加剧并的热，甚至有咬坏的危险，那密封就失效了。因此根据经验与试验，β不宜超过0.5。18按弹簧的运转状态分为旋转式与静止式。旋转式：即是弹簧装置及轴的结构简单，径向尺寸较小。高转速情况下，弹簧及其它转动零件产生的离心力很大，动平衡要求高，有的介质经强烈搅拌后易结晶，对于这种情况宜采用静止式较适宜。4、旋转式与静止式19单弹簧又称大弹簧，即是在密封装置中仅有一个弹簧与轴同中心安装。多弹簧又称小弹簧，即是在密封装置中有数个弹簧沿圆周均匀分布。一般说负荷较轻而且大量生产的密封采用单弹簧为佳，小量生产且在严格的条件下使用时，则都采用多弹簧。4、单弹簧与多弹簧20按摩擦面对数分为单端面、双端面和多端面。单端面：指在密封机构中仅有一对摩擦副。双端面：指在密封机构中有两对摩擦副，且两对摩擦副处于相同封液压力下（图3-5）。密封机构中有两对以上的摩擦副且密封腔的压力逐渐降低，根据摩擦副的对数分别称为双端面、三端面和多端面。4、单端面、双端面和多端面21从结构比较来看，单端面比双端面简单，在制造和装拆上较容易，因而使用很普遍。双端面因要通入带液体（封液）至密封腔内起“封堵”和润滑作用，就需另设一套装置。单端面只适用于一般场合。双端面适用于强腐蚀、主温、带悬浮颗粒及纤维的介质、气体介质、易燃易爆介质、易挥发粘度低的介质、高真空、贵重物料及要求介质与空气隔绝且允许内漏的情况。22三、常用机械密封标准结构简介1、泵用机械密封标准结构2、釜用机械密封标准结构23三、常用机械密封标准结构简介1、泵用机械密封标准结构1）103、109型机械密封103和109型均为单端面、单弹簧、旋转式结构，靠并圈弹簧及带耳环的推环传动，103为非平衡型，109为平衡型，通常按内流内装式设计，为国内使用最为普遍的一种结构。242）104、110型机械密封104为非平衡型，110为平衡型，也按内流骨装式设计，与前两种不同之处在于它们是靠带耳环的传动套传动。253）105、111型机械密封105型为非平衡型，111型为平衡型，与和第一种型式比较，不同的是弹性元件为多个沿周向均匀布置的小弹簧，传动方式是靠传动螺钉，通常也按内流内装式设计。264）114型机械密封114型机械密封为单端面、单弹簧、非平衡结构，旋转环是靠推环的拨叉带动耳环传动，按外流外装式设计，主要用于化工腐蚀泵上。272、釜用机械密封标准结构釜用机械密封标准（HG-、5-751-78至HG5-756-78）列出了化工反应釜搅拌轴用机械密封六种型式共108种规格，并规定了密封件的材料级别及主要技术要求。28293031一、密封特性1.轴承润滑理论第二节密封特性与端面液膜承载能力（1）两平行平板yuAF此式也称为牛顿粘性液摩擦定律式中，A——移动板的面积η——比例常数，即液体的粘度。贴近静止板的油层速度0u各油层以不同速度移动u贴近移动板的油层速度vuyu油层间剪应力与速度梯度油层成正比OYX移动件静止件Fvuy32（2）雷诺润滑方程式0)()(dxdzdydxdzdydzdxppdydzyxp整理后得：yxp两刚体被润滑油分隔开，移动件以速度v沿x方向滑动，另一刚体静止不动。忽略压力对润滑油的影响，同时假设：润滑油沿Z向没有流动；润滑油的流动是层流流动；油与工作表面吸附牢固，表面油分子随工作表面一同运动或静止；不计油的惯性和重力的影响，认为润滑油不可压缩等等。取微元体进行分析，根据X方向力的平衡，得：yu(牛顿粘性液摩擦定律)22yuxp3321221CyCyxpu积分后，已知：y=0时，u=v；y=h时，u=0，利用边界条件，可得：yhyxpyhhvu)(21)(再分析任何剖面沿x方向的单位宽度流量3012121hxpvhudyqxh34如图3-11二平面间存在一定的斜楔。随着间隙减小，液压增大，而斜楔的进出口处压差为零。故有一液压极大值，对应该处的液膜厚度为h0，则流量0021'vhudyqhx根据流量连续性定理qx=qx’，得30)(6hhhvxp称为一维的雷诺动压润滑方程。可发现油压的变化与润滑油的粘度表面滑动速度和油膜厚度的大小有关。352.机械密封的摩擦特性工况参数G是液膜粘性力与液膜负荷的比值，它是表示液膜形成的难易程度的无量纲特性值，它表示为：wbvG式中：µ—密封流体粘度，Pa·sv—端面平均线速度，m/sw—端面承受的总载荷，Nb—密封面的宽度，mG值越