涨圈型旋转密封装置及其性能研究

1、te： j凌，硕士学位论文论文题目涨圈型旌整蜜整装星丛墓丝離亟塞 作者姓名奎遮指导教师创监笙熬援盆盔查副数攫学科(专业)一独撼剑造盈墓自动丛一一所在学院扭撼皇盥淫工程堂隧提交e t期：！鲤！生！旦一浙江大学硕1 :学位论文摘要论文对涨圈型旋转密封装置的性能进行了理论和试验研究，建立了泄漏量和密封 自j隙温升的数学模型，并进行仿真分析。然后利用开发的动密封试验台进行密封 性能试验，对试验结果数据进行分析并将其与仿真结果进行比较。论文的研究工作 主要有以下儿个方面：(1 )介绍流体密封的机理、分类、设计要求和选型原则：说明了流体密封性能的 评价指标和密封试验；介绍了旋转轴密封技术的国内外研究状况；

2、指出了木课题研 究的意义、背景。(2) 介绍涨圈型旋转密封装置的应用背景、工作原理；分析了涨圈安装后的周向 接触应力及其影响因素；从保证涨圈密封性能防止失效的角度，探讨了涨圈型旋转 密封装置的尺寸和结构设计要考虑的问题；介绍了对涨圈密封件材料的基本要求及 常用的涨圈密封材料；分析了涨圈密封的优缺点。(3) 介绍密封系统的性能评价标准；对涨圈型旋转密封装置的泄漏途径、引起泄 漏的因素及其泄漏量进行分析，综合得到其动态和静态泄漏量；分析了涨圈两端压 差，密封面间隙高度，工作介质粘度，旋转轴转速等因素对涨圈型旋转密封装置泄 漏量的影响；介绍了涨圈型旋转密封装置工作过程屮密封面温升的危害，通过理论 和

3、仿真分析，讨论了旋转轴转速、系统介质压力对密封面温升的影响。(4 )介绍涨圈型旋转密封装置试验系统的检测原理和构成，试验项目和试验流程 ;分析了系统硬件结构和选用原则；说明了系统中应用软件的构成；对静态泄漏量 、动态泄漏量和温升试验的数据进行分析.(5 )总结研究工作并对进一步的研 究给出建议。关键词：涨圈，旋转密封，密封特征，密封试验浙江大学硕e学位论文a bstrac ti nth i s p a p e r , thepr0pert1es0fthep i st 0nring seal i n gdev1cearer esearch ed byt h e o r e ti c a 1aex

4、per1menta1metho ds . e s:t a b 1 i shingmathemat1ca1m0de1 so ftheleakage a ndsea11ngsurfacetem perat u r e andana1yz1ngtheresu1 tb yc0mputers1mu1at1 «o n .t hen carry outexper1menta1studi es b yseal i n gpr0pertytest1ngsy st e m,analyzing thdatumacqu1red1nt:h ee xpe r i m e n t s andco m par1ng

5、1tw iths:i m u 1at i o n r e s u 1 t .tresearches1nth1sp ap ermainly 1 i e i nthef0110w1ngaspec ts :(1 ) int roduc inthemechan1smc1ass1f i c a t1o n , s e 1 e c t i onanddes1gnp r1nc1p1 es 0ffluid seal ingdev1ces9exp1a1n1 :n gt h e <evaluationcr1ter1a0fthesedev1ces1ntr0duci n g t heresearchesh1st

6、0ryandstatuso fr ota t i n g shaftsea11ngdev1cespo in t in g o u tthes1gn i f i c a n ce and background o f t heresearc h (2 ) i nt roduc i n g the usage an dpr1nc1p 1 e o f p i ston ring r o t a t i n gsea1sa n a 1 y z i ng t h e contact stresssurr0un d i n g thepiston r i n g w h e n i t is1nsta11

7、 e d a n d i ts1nf1uen c i n g f a cto r s ； discussing the1ssuesshould b econsidered i n thedes1gno f the piston rings； int roduc in gtherequ i r e m e nts to t h e m a terials o fp1st0nrings andthec0mm0ns e 1 e c t i on ； analyzing theard1v nagnrt0ages and d tat i n gi sadvantages o f p i s to nse

8、a11ng d e v i c e .(3 ) int r o d u c i n g theperf0rm a n c e e v a1 u a t ion standards o fsea11ng s y s tems；byanalyzing thefact0rs leadingt o 1 e a k a g e and the1eakage c h a n n e 1s of piston ringseal in gdev1ce,figure out the volumes o f stalt i canddyna m i c leakages； analyzingthefactors

9、leadtot he leakage of pistonr1ngr0tat i n g s eal ing devices, thefact0rs containpressure, the heighto fsae nad1t1 hneg surface speed o f,v i s c o s ityof t h e o i 1r0tat1o n a x i s ； int r o d u c i n g the h a z a rd s0fthetemperatur e enhancement i nsea11ng surface；bythe means o ftheatri c a 1

10、 analy s i s ands1mu1at i o n , d i scussing the effects ofr0tat1n g s h a f tspeed andmediumpressu r e1nthes:y s t e m t otemperature raisingi nsea11ng surface( 4 ) int roduc ing thepr1nc1pie, s t r uc t u r e , test i t e m a n d f1 o w0fp1sto n ring testsystem； analyzingthestructureandhar d w a r

11、e select ionpr1nc1pies； p o int ing out thecomponen t s0fapp1i c a t ion sof t w a re； analyzing th estat1c,d y n a m i c1 e a k a g e andtemperatu r edatathen c o m p aring the expe r imentresu1ts w i t h theore t i c a 1ana1ysi s (5 ) c on c 1 u d i n g researchwor kandfurt h e r r e s earch i sre

12、c0m mended. k ey w o r d s ： pistonr1ngro t a t i n g se a 1 , seal ingproperty, test system学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑，江盘埜或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：夕奎i寿签字日期：必。7年f 2 ,月年日学位论文版权使用授权

13、书本学位论文作者完全了解.盘望盘莹有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盘望盘莹可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）一学位论文作者签名：/全、名：q芝t签字口期：2 . 0 /年12. 月年et签字口期：d 7±g, 92 . j e j1匕日学位论文作者毕业后去向：工作单位：电话：通讯地址：邮编：浙征大学硕t :学位论文第一章绪论11流体密封技术概述密封件与密封循环保护系统构成工业密封装置（简

14、称密封）。密封装置的基本功用 是阻断（或限制）气体、液体、离子体和粉末固体的泄漏，广义的密封作用还包括 屏蔽阻断光线和电磁线的传递【“。1.1. 1流体密封机理分析泄漏是指在液压元件及系统的容腔内流动或暂存的流体越过容腔边界，由高压侧向 低压流出的现象，它是机械设备常见的故障之一。泄漏包括内泄漏和外泄漏两种形 式121：内泄漏是工作介质从商压腔向低压腔的泄漏，即串油；外泄漏是工作介 质从工作腔向元件和系统外部的泄漏，即漏油。造成泄漏的原因主要有两个方面： 一是由于机械加工精度的限制，机械产品存在形状、尺寸偏差及各种表面缺陷，在 组成流体密封工作腔的各零件连接处不可避免的产牛间隙；二是密封两侧存

15、在着压 力差。消除或减少上述产生泄漏的任一因素都可以阻止泄漏。流体密封是防止或限制流体 泄漏的工程技术或零部件，它的作用机理就是限制接合面之间的间隙，隔离或者切 断泄漏通道，增加泄漏通道屮的流体流阻；或者在泄漏通道屮加设小型做功元件， 使泄漏物质在通道中形成压力损失，与引起泄漏的压差部分抵消或者完全平衡。以 阻止泄漏.就一般设备而言，减少或消除密封间隙是阻止泄漏的主要途径坡。1 12流体密封的种类密封按照其工作状态的不同，可以分为静密封和动密封两大类i “。静密封是被密封部位的两个偶合件z间不存在相对运动的密封形式。这种密封形式 通常是将密封元件或密封涂料置于压力容器或者管道的法兰面、机器或阀

16、类的结合 而以及其他固定平而之间，通过螺栓或其他紧固方法连接构成。主要有胶密封、填 料密封、波纹管密封和垫片密封等。被密封部位的两个偶合件之问具有相对运动的密封形式统称为动密封。根据相对运 动的特点，动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作相 对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。在接浙江大学硕£学位论文触式密封中，按密封件的接触位置又可分为圆周（径向）密 封和端面（轴向）密封。端面密封又称为机械密封。非接触式密封有迷宫密封和动力密封等。前者是利用流体在间隙内的节流效应进行 密封，泄漏量较大，通常用在密封性要求不高的场合。动力密封有离心密封、浮

17、环 密封、螺旋密封等，是靠动力元件产牛压头抵消密封两侧的压力差以克服泄漏，它 有很高的密封性，但耗能大，且不宜用于高压密封。非接触式密封，由于其密封而不直接接触，起动功率小，寿命长。如果设计合理，泄漏量也不会太大，但这类密 封是利用流体力学的平衡状态而工作的，如果运转条件发生变化，就会引起泄漏量 很大的波动。而且市场上不能提供这类密封件，基本上由用户自行设计制造。根据密封结构的类型、密封机理、密封件形状和材料等，密封的分类如图11所 示：密封料密封密封纹管片密封密封料密封封剖式弹性圈密封械密封密封 宫密封心密封环密封旋密封流体密封图11密封的分类113流体密封装置的设计要求在液压和气压系统中，

18、密封件通常和密封沟槽、挡圈和支撑环等有关部分组合成密 封装置來实现对流体的密封。在给定条件下，密封装置的最佳性能往往需根据泄漏量、摩擦力和动力损失的实际 要求来决定。例如满足泄漏量的要求就会影响摩擦力和动力损失，降低泄漏量会增 加摩擦力，反之降低摩擦力会增加泄漏量。因此密封性能优化设计问题2 浙江大学硕_学位论文是要求找岀泄漏量和动力损失之间的合理平衡。对于不同的密封位置和密封类型对性能的考虑优先次序也是不同的。例如：对液压 缸的密封，活塞杆处的泄漏是外泄漏，对泄漏量必须严格控制，而摩擦 投 鹑 y囊 罂梢宰尷 诙 坏奈侍饪悸牵憾钊 芋獲男孤卜渴悄谛孤冒涯工亮 投 鹑y囊 蝮旁谑孜唬 市斫洗!

19、ft善男孤卜俊?对泄漏量、摩擦力和动力损 失的要求和对容积效率、机械效率。和总效率灯的要求是等价的。而它们都取决 于密封面的分布。所以，当对密封性能进行优化设计时，问题归结为寻求能满足w 、。和/要求的压力分布。密封装置设计的基木要求1 5 1如下：(1) 良好的密封性。在工作压力作用下，具有良好的密封性能，且随工作压力的 增加或减小密封性能无明显变化。(2 )尽可能长的使用寿命。要求密封元件具有小而稳定的摩擦系数与高的耐磨性 ,以及对工作介质良好的相容性。(3)密封装置对运动件的摩擦力要小，摩擦系数要稳定，以免出现运动件卡住或 运动不均匀的现象；(4 )密封产生的热量少，散热条件好。(5 )

20、结构简单，便于安装和维护；(6 )成本低，密封元件通用性好。1. 1. 4流体密封的选型实践证明，尽管引起泄漏的因素很多，然而根据使用条件，正确地选择和使用密封 装置是诸因素中的首要因素。如果选用的合理，不仅能够提高设备的性能和效率， 而且也能延长密封装置的使用寿命；若选用的不当，即便是高质量的密封元件，也 会发生严重的泄漏和过早损坏，影响设备j下常运转。对密封装置的选择需要综合 考虑密封性能、使用寿命、密封材料和使用条件等各方面的因素1 6】。密封性能，主要是指密封的泄漏量大小，与很多因素有关。沟槽尺寸、密封接触面 粗糙度、密封阖隙的大小、装配精度、密封件的选用都会影响泄漏量，密封性能应 根

21、据这些因素进行分析。影响密封寿命的因素主要包括：润滑情况、密封面的表面粗糙度、密封元件的材料 质量、密封区温度和密封对偶件摩擦表面的加工方法等。因此，为了正确的选出所需要的密封，必须熟悉各种密封的形式及特点，密封材料 的特性和使用条件(如工作压力大小、工作环境温度高低、运动部件的快慢、润滑 情况等)，并加以综合分析。2浙江大学硕i :学位论文115流体密封性能的评价对密封性能的评价有多种指标，常用的是泄漏率、磨损量、寿命、转矩和追随性等 (7 1 o 1 . 1 . 5 . 1泄漏率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，是评价流体密封性 能的一个重要指标。泄漏率的大小取决于许

22、多因素.其中主要是密封运行时的润滑状态。在没有液膜存 在而完全由固体接触情况下机械密封的泄漏率接近为零，但通常是不允许在这种摩 擦状态下运行，因为这时密封环的磨损率很高。接触式密封多数是在边界润滑状态 下运行，这时由液膜压力和接触面微突体直接接触共同支撑密封接触载荷。液体的 压差粘性流动以及密封面相对运动引起的沿凹凸不平密封面的粘性剪切流动将形成 泄漏。对处于全流体膜润滑的流体密封，如流体静压或流体动压密封，泄漏率一般 较大。密封泄漏率指标合格与否的判断，取决于工作介质的特性以及密封运行的具体场合 o 1152磨损量磨损量是指密封运转一定时问后，密封面在轴向长度上的磨损值。磨损量的大小要 满足

23、密封装置使用寿命的设计要求。磨损率是材料是否耐磨，即在一定的摩擦条件下抵抗磨损能力的评定指标。当?（5）匙拍二舌鸟岫子d二鹦保 牧系哪二鹏视氟牧系难顾跚藁挤捕癇煞幢翻 床牧显接苍侥湍7 6 恍跄工牧显蝴且揽科滦偷哪工料凳皇歉哂捕然竦糜帕嫉哪湍具性。具有自润滑性的石墨、聚四氟乙烯等软质材料就具有优异的减摩特性， 在某些条件下.甚至比硕材料更长的寿命。例如，在轻姪等易产生干摩擦的介质环 境中，软密封环选用软质的高纯电化石墨就比选用硬质碳石墨能获得更低的磨损率 卩引。值得注意的是，材料的磨损特性并不是材料的固有特性，而是与磨损过程的工 作条件（如载荷、速度、温度等）、配对材料性质、接触介质性能、润滑

24、状态等因 素有关的摩擦学系统特性。合理选择配对材料，提供良好的润滑和冷却条件是保证 密封摩擦副获得低磨损率的重要措施。115. 3使用寿命 密封的使用寿命是指密封装置从开始工作到密封失效累计运行的吋间。要准确预测 某套密封装置的寿命，目前还非常困难。对密封寿命规律的研究，往往借助统计的 方法【训。但应用密封时注意以下几个方而，将延长其使用寿命：3 浙江大学硕j：学位论文（1 ）在密封腔中建立适宜的工作环境，如控制工作温度，排除固体颗粒，在密封 端面形成有效液膜（在必要吋采用双端面密封或非接触密封）；（2 ）满足密封的技术规范要求；（3）采用具有刚性売体、刚性轴、高质量支撑系统的机泵。115.

25、4转矩 密封转矩包括正常运转时由端面摩擦而引起的端面摩擦转矩，启动时所需的启动转 矩，密封运转时由旋转组件对流体的搅拌而引起的搅拌转矩。端而摩擦转矩和搅拌 转矩决定着密封的功率消耗和运行成本，是评价流体密封性能的一个常用指标。特 别是应用于高压、高速、大轴径的重型机械中的密封，其由于密封产生的功率消耗 非常大。1. 1. 5 . 5追随性 追随性是指当密封存在跳动、振功和转轴的窜动时，补偿环自动进行调整，对非补 偿环保持贴合的性能。如果这种性能不良，密封端而将会分离从而导致较大的泄漏 o可以通过观察密封装置运行过程中泄漏量的大小变化来间接判断密封追随性的优 劣。12旋转轴密封技术的国内外研究状

26、况1 . 2. 1国外研究状况 二十世纪三十年代，德国卡尔弗罗伊登贝克公司的s i mme r博士发明了世界 上第一个用于变速箱旋转轴动密封装置的铁壳牛皮油封，解决了高速旋转条件下轴 的润滑与密封问题，这个发明开创了密封技术研究的先可1 1 0 1。对旋转轴密封机理的探索和解释存在着许多观点。不同类型的密封，其工作机理是 各不相同的，因而不能用统一的数学模型加以描述。就旋转轴的油封密封而言，其 屮比较有说服力并经实验证实的是lh o r v e等人研究并提出的“泵汲"效应模型理论【111。该理论认为：被密封 液体的表而张力有助于防止泄漏，可保证密封系统中接触区的油膜在混合润滑状态下工

27、作，其密封是通过油封的“泵汲”作用来实现的。这种“泵汲''能力是由轴和油封 唇部所形成的径向力及轴向擦拭作用而产生。也就是说，油封的密封机理，是由轴 上的油封唇部，在轴的运转过程中不断地将油液从大气侧“泵汲”到油侧。这一理论 经mu 1 1 e r实验证实：一个已有泄漏的油封，将它反装，则成为一个良好的泵 汲密封【12 1对旋转轴密封泄漏量的研究主要是在机械密封领域。19 4 9 年，ii e i n z e研究了间隙中的压力和泄漏【廿1。后来的许多学者【m 1 8 都和他一样，认为旋转轴的机4浙江大学硕£学位论文械密封泄漏遵守流体动力学规律，并且通过密封间隙的泄漏

28、可以用径向环形间隙层流运动的公式计算。boo n和他的同事们用径向环形间隙 层流运动的公式计算了通过平面平行自j隙的泄漏量，而且用牛顿公式计算消耗 的功率1191。在s c o b e 1的研究中【17】，虽然有几对机械密封摩擦副 上岀现了明显的磨损和局部烧粘现象.但仍以同样的计算公式为基础。s c o b e 1测得的摩擦系数，=01 一 06 o maye r的一系列试验研究( 2 0 2 1 ,2 2 1表明，不能用径向环形间隙层流运动的公式來计算泄漏量。因为只有在特 殊情况下机械密封才在液体摩擦状态运转，它主要在混合摩擦和边界摩擦状态下工 作。由于各国对机械密封泄漏量标准的规定数值不同

29、，beach am提出对其规 定一个通行的标准值i捌。现阶段，国外关于旋转轴密封的研究工作主要集中在如下儿方面【冽：(1 )智能密封系统。hu n g e r公司研制的e dv系统可以随时监视密封件的 磨损情况，并通过外部机构自动调节其过盈量，从而恢复密封作用。(2) 密封装置多功能化。比如一种汽车轴承使用含有感应功能的密封件，利用了 金属填料的磁件，将活性磁感应器功能复合到密封件中，可准确测量轴的速度。(3) 密封材料的改进。采用新型密封材料或者通过各种手段提高材料的强度，耐 磨性，耐热性，尺寸稳定性等。(4) 磁流体密封技术。主要用于旋转动密封，也可以用作往复式动密封。目前广 泛应用于计算机硕盘的驱动轴上，以避免轴承润滑油、水份和粉尘等可能对硕盘造 成的危害。磁流体密封的另一类成功应用是真空设备，其中转轴或摆动杆的真空动 密封已达标准化、通用化的程度。12. 2国内研究状况我国密封件行业