1、1,机械密封（端面密封 ） Mechanical Seals/Mechanical face seals/ Face seals,1机械密封及其发展 定义：在流体压力和补偿机构弹力的作用以及辅助密封的配合下，由至少一对垂至于旋转轴线的端面保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。 机械密封的基本结构和工作原理,2,机械密封示意图,3,单端面与多端面,4,5,旋转式机械密封,图4-49 旋转式机械密封（大弹簧和小弹簧）,6,机械密封的发展,填料密封压力高、速度快两平面间较窄的径向密封面比软填料密封较长的两圆柱的轴向密封面更为有利，出现了机械密封。,二十世纪五十年代以后，为了满足宇航、核电、天
2、然气输送和石油化工工业迅速发展的需要，对机械密封提出了更高的要求，从而大大推动了该项技术的进步，不断涌现出密封新结构和新材料。,本世纪初应用于工业 初期的机械密封结构比较简单，材质也差，使用寿命短。,1885年英国第一个机械密封专利,7,机械密封的发展,目前国际上有不少专门从事研究、生产和销售机械密封产品的学术团体和国际跨国公司，如 英国流体力学研究协会（BHRABritish Hydromechanics Research Association） 欧洲密封协会（ESAEurope Sealing Association） 美国流体密封协会（FSA） 美国John Crane 公司、Flow
3、serve公司 德国Burgmann公司 日本的皮拉、伊格尔公司,8,我国机械密封的发展,从上世纪50年代开始研制、60年代开始认识和使用机械密封，随后陆续生产、研究，形成一定的研究、设计和生产能力，并制订了一系列的标准。我国著名高科技密封公司有： 天津鼎名密封有限公司（王玉明院士） 一批机械密封的研究机构和队伍,9,10,11,12,13, 力学分析,密封环带面积A： 较窄的密封端面外径d2与内径d1之间的环形区域的面积，即与另一密封端面的有效接触面积。,14,弹簧比压ps：单位面积上的弹簧力，总的弹簧力Fs除以密封环带的面积A，即,15,密封流体压力有效作用面积Ae：密封流体压力作用在补偿
4、环上，使之对非补偿环趋于闭合的有效作用面积。,式中：db为滑移直径，也称为平衡直径，指密封流体压力作用在补偿环辅助密封圈处轴的直径。,16,密封流体压力作用比压pe：单位密封面上承受流体压力所施加的使密封端面闭合的力。,17,式中：p密封流体压力 指机械密封内外侧流体的压差，p=p1-p2,18,载荷系数K：,密封流体压力作用在补偿环上，使之对于非补偿环趋于闭合的有效作用面积Ae与密封带面积A之比。其物理本质是密封流体压力作用比压pe与密封流体压力p之比。,19,K1时，即AeA，密封流体压力作用面积大于等于密封环带面积（承载面积），称为非平衡机械密封； K1时，密封流体压力作用面积小于于等于
5、密封环带面积（承载面积），称为平衡机械密封。,20,平衡型：卸荷、密封端面仅受部分介质压力作用,21,非平衡型：不卸荷，密封端面承受全部的介质压力作用,22,平均流体膜压力pm：密封端面间流体膜的平均压力,式中：pr在密封端面上任意半径处的流体膜压力，即流体膜压力沿密封端面半径方向大压力分布。,23,反压系数： 密封端面间流体膜平均压力pm与密封流体压力p之比,24,闭合力Fc密封流体压力p和弹簧力Fs等引起的作用于补偿环上使之对于非补偿环趋于闭合的力。,25,开启力Fo 作用在补偿环上使之对于非补偿环趋于开启的力。,26,端面比压pc 作用在密封环带上单位面积上的静闭合力。,27,2 机械密
6、封的分类, 按使用密封的工作主机分： 泵用机械密封 釜用机械密封 压缩机用机械密封, 按不同的工作参数分,28,29,30, 按结构型式分,31,内装式与外装式,内装式：弹簧置于介质之内。受力情况较好，泄漏量小，密封较可靠，使用较普遍。,32,外装式：弹簧置于介质之外。弹簧等零件不与介质接触，切暴露在商标外，便于观察和维修安装，但受力情况不好，泄漏量较大。适用场合：腐蚀介质、粘稠介质、易结晶低压介质的密封，以及受安装限制的场合的密封。,内装式与外装式,33,单弹簧与多弹簧,单弹簧又称大弹簧，适用于负荷较轻，直径较小，介质粘度较大或易结晶的场合，适宜大量生产。,34,35,多弹簧又称小弹簧，适用
7、于负荷较高，直径较大，密封要求严格的场合。 端面比压稳定，不受轴径影响。,单弹簧与多弹簧,36,3 机械密封的设计, 机械密封的设计原则： 首先，通过合理的密封腔设计、密封腔内流体状态（温度、气体含量、汽化情况、固体颗粒含量等）控制，尽可能提供一个有利于密封良好工作的外部环境； 其次，在设计和选择机械密封辅助系统时，应充分考虑到影响密封性能因素的复杂的相互作用关系。,37,机械密封的设计必须满足下列基本要求,a 必须始终有液体与密封端面入口处保持接触； b 液体在端面入口处的温度必须低于在该处压力下的液体沸点； c 补偿环必须始终处于总有补偿状态，能进行轴向的自我调解； d 补偿环和非补偿环必
8、须有可靠的防转措施； e 必须有足够的弹簧力始终维持密封端面的接触。,38, 机械密封的设计程序,a 获取设计条件 b 确定基本结构 c 确定材料 d 密封端面设计 e 补偿环和非补偿环设计 f 辅助密封设计,g 弹性元件设计 h 密封辅助系统设计 i 主要工作参数计算 j 标准化和工艺审查 k 进行型式试验 l 编制零件表、使用说明书，完善设计技术文件,39, 机械密封设计计算的主要内容,a 弹簧比压的确定 弹簧比压是弹簧力作用在密封端面上产生的定位面积上的压力。设计时通常根据经验或试验确定弹簧比压，然后确定工作状态时的弹簧力，进而设计弹性元件。弹簧比压过小，难以使密封面紧密贴合，使补偿环追
9、随端面的磨损沿轴向移动；弹簧比压过大，则会加速端面磨损。,40,一般弹簧比压的推荐值,对内装式机械密封，ps=0.10.2MPa,在反应釜、搅拌器中，由于轴偏摆较大，速度较低，可取较大的弹簧比压,41,b 端面比压的计算,内装内流型密封的端面比压,42,这种密封型式的端面比压随介质压力的增加而增大，压力波动时，密封面的贴合较为稳定，是应用最多的一种型式。根据经验，端面比压pc=0.30.6MPa，当介质粘度大，润滑性能好，摩擦副材料硬度高时，端面比压可适当提高些，可达1.0MPa，甚至1.2MPa。,43,c pv值,工作pcv 端面比压pc与端面平均线速度v的乘积，表征密封端面的工作状态。端
10、面的发热量和摩擦功耗直接与pcv成正比，其值必须小于许用的pcv 许用pcv 是极限pcv除以安全系数获得的值，所谓极限pcv是指密封失效时达到的pcv，它是密封技术发展水平的重要标志。许用pcv值见表411。,44,工况pv 定义：密封腔工作压力与端面平均线速度的乘积。 要求： 密封的工况pv值应小于该密封的最大允许工况pv值。 一般情况下，工况pv值大于端面工作pcv值,d 摩擦功率的计算 端面摩擦功率为端面摩擦系数乘以端面工作的pcv值，再乘以端面密封环带面积，即,45,3机械密封材料,机械密封材料包括：摩擦副材料、辅助密封材料、弹性元件材料和其它结构件材料。 (1)摩擦副材料 摩擦副材
11、料的主要性能 a 强度 保证密封环整体完整、不发生破裂的重要指标。 b 刚度 决定着密封环抵抗变形的能力。 c 热性能参数,46,导热系数k 导热系数越大传递热量越快传递一定热量所需的温度梯度越小端面温度越低端面液膜沸腾的危险性越小密封环热裂的可能性越小导热系数越大越好,47,热膨胀系数 以多种方式影响着密封的性能首先，由于存在轴向和径向的温度梯度，将影响端面的变形锥；同时，如果材料的轴向膨胀沿圆周方向是变化的，则密封端面将形成波形表面。其次，密封环和镶嵌环套的相对变形差，可能导致密封环的脱落，或镶嵌环套、密封环的碎裂。第三，给定温度下的热应力正比于E，而E影响着发生表面裂纹和整体热裂的敏感性
12、。热膨胀系数越小越好,48,d 耐腐蚀性,机械密封端面材料中，从耐腐蚀性的角度考虑，优秀的材料有 石墨 工程陶瓷：氧化铝陶瓷、碳化硅和氮化硅陶瓷 填充玻璃纤维聚四氟乙烯材料,49,e 摩擦学性能,摩擦、磨损和润滑等是评价机械密封端面摩擦副材料的摩擦学性能的重要参数。 摩擦系数、磨损速率可以反映端面的润滑状态。 低摩擦系数的获得：材料的自润滑能力和外界提供润滑条件 低磨损率的获得：一种是端面的高硬度而耐磨损，即抗磨；另一种依靠材料的自润滑，即减摩。,50,改善端面的润滑状态，降低摩擦和磨损方法 一 材料，性能优异的摩擦副材料，如石墨、碳化硅材料。 二 考虑结构及其冲洗、润滑方案。 三 考虑使用气
13、膜润滑或液膜润滑的非接触机械密封。,51, 常用的摩擦副材料,a 石墨 机械密封中用量最大、应用最广泛的摩擦副组对材料。 性能：自润滑性和低的摩擦系数，耐腐蚀性，导热性能好、线膨胀系数低，组对性能好，且易于加工、成本低。石墨的制作：以焦炭粉和石墨粉（或碳黑）作基料，用沥青作粘结剂，经膜压成型在高温下烧结而成。常见的有碳素石墨和石墨化石墨。,52,碳素石墨，简称碳石墨，强度高、硬度大、耐磨损，但脆性大、导热系数低。它是机械密封常选用的软环材料。 石墨化石墨，又称电化石墨、软质石墨，质软、强度低、自润滑性能好、加工容易。 石墨密封环的制作：过程 配料、烧结、浸渍（合成树脂酚醛树脂、环氧树脂和呋喃树
14、脂，金属锑）,53,b 硬质合金,依靠粉末冶金方法制造获得的金属碳化物。它是依靠某些合金元素，如钴、镍、钢等作粘结剂，将碳化钨、碳化钛等硬质相在高温下烧结粘结而成。 机械密封摩擦副常用的硬质合金有：钴基碳化钨（WC-Co）、镍基碳化钨（WC-Ni）、镍铬基碳化钨（WC-Ni-Cr） 碳化钛硬质合金，硬度高、耐磨、高刚度，良好的韧性和抗冲击能力，适宜于高温有剧烈变化的场合，但价格高。,54,c 工程陶瓷,氧化铝陶瓷：主要成分是Al2O3和SiO2，Al2O3超过60%的叫做刚玉瓷。目前机械密封环用的较多的是（9599.8%）Al2O3的刚玉瓷，分别被简称为95瓷和99瓷。 特点：硬度高、耐腐蚀能
15、力强，但加工困难，成本高。 应用：耐腐蚀的机械密封中，但是一套机械密封的动静环不能都使用氧化铝陶瓷制造，因有产生静电的危险。,氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷,55,碳化硅陶瓷：,新型的、性能非常良好的摩擦副材料 特点：重量轻、比强度高、有一定的自润滑性、摩擦系数小；硬度高、耐磨损、组对性能好；化学稳定性高、耐腐蚀；导热性能良好、耐冲击。 应用：自20世纪80年代以来，国内外各大机械密封公司纷纷把碳化硅作为高pv值得新一代摩擦副组对材料。 分类：反应烧结SiC、常压（无压）烧结SiC和热压烧结SiC,56,氮化硅陶瓷：,氮化硅（Si3N4）也是新开发出来的摩擦副材料，耐磨性好、摩擦系数低，并
16、且具有良好的耐腐蚀性，且线膨胀系数小，抗热冲击能力比氧化铝陶瓷好。 根据制造工艺不同，主要可分为反应烧结Si3N4、常压（无压）烧结Si3N4和热压烧结Si3N4 耐腐蚀机械密封中，氮化硅陶瓷与碳石墨组对性能良好，而与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对时，氮化硅损耗大；氮化硅和氮化硅组对的性能也不是太好，会导致较大的磨损率。,57,d 填充聚四氟乙烯：,化学稳定性最好的有机聚合物，几乎能耐所有强酸、强碱和强氧化剂的腐蚀。 聚四氟乙烯存在的最大问题是：具有冷流性，即在载荷的作用下，随时间增长而产生永久变形，产生蠕变。此外，聚四氟乙烯的热膨胀系数大，约为钢的10倍；导热性很差，仅为钢的1/200。为了克服
17、这些缺点，通常在聚四氟乙烯中加入适量的各种填充剂，构成填充聚四氟乙烯。常用的填充剂有玻璃纤维、石墨等。,58, 摩擦副材料配对规律：,可靠性比经济性更重要。 a 对于轻载工况（v10m/s、p1MPa）： 浸树脂石墨球墨铸铁、青铜、高硅铸铁，也可以旋转碳化硅、碳化钨等。 b 高速、高压、高温等重载工况： 浸锑石墨反应烧结或无压烧结碳化硅，腐蚀时，选择稳定性更好的热压烧结碳化硅。 C 同时具有磨粒磨损和腐蚀的工况： 碳化硅碳化钨，或碳化硅碳化硅,59,(2) 辅助密封材料, 合成橡胶：丁腈橡胶、氟橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶 聚四氟乙烯 柔性石墨 金属材料,60,(3) 弹性元件材料：,弹性元件有压缩
18、螺旋弹簧、波形弹簧、金属波纹管。要求材料耐腐蚀、耐疲劳、耐高低温、强度极限高、弹性极限高，长期工作仍有足够弹力维持密封端面的紧密贴合。,(4) 其它结构件材料,61,复习思考题,什么是机械密封？它有哪些主要零件构成？ 与填料密封相比，机械密封有什么特点？ 你知道的机械密封产品生产和研究机构有哪些？ 平衡型和非平衡型机械密封的区别是什么？ 什么是机械密封的开启力和闭合力？ 机械密封设计必须满足哪些基本要求？ 如何设计机械密封（过程）？ 机械密封的pv值是什么意思？其大小说明什么问题？ 机械密封摩擦副材料应具备哪些性能？ 改善端面的润滑状态，降低摩擦和磨损方法有哪些？ 常用机械密封摩擦副材料有哪些？其性能如何？ 机械密封摩擦副的配对有什么规律？,62,
