第五章机械密封

1、第四章第四章 机械密封机械密封主要内容主要内容1. 机械密封的基本原理机械密封的基本原理2. 机械密封的分类（介绍）机械密封的分类（介绍）3. 机械密封的设计（机械密封的设计（简单介绍简单介绍）7. 机械密封的选择与使用机械密封的选择与使用次重点次重点5. 机械密循环保护系统机械密循环保护系统6. 机械密封性能与实验机械密封性能与实验4.机械密封材料（机械密封材料（简单介绍简单介绍）8. 机械密封的失效分析机械密封的失效分析4.1 机械密封的基本原理机械密封的基本原理1. 定义与组成定义与组成 机械密封是一种用于旋转流体机械的机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封轴封装置。装置。（用于离心泵、离

2、心机、反应釜、压缩机等设备，轴（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，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、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，又叫寿命长等优点，成为了主要的轴密封方式，又叫端面端面密封密封。）。） 在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋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组成转轴线的端面组成,在流体压力及补偿机构弹力在流体压力及补偿机构弹力(或磁或磁力力)共同作用下，以及辅助密封圈的配合下，共同作用

3、下，以及辅助密封圈的配合下， 该对端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面保持贴合并相对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。置。组成组成:1. 密封端面：动环、静密封端面：动环、静环环摩擦副摩擦副2. 缓冲补偿机构：由弹缓冲补偿机构：由弹性元件性元件(圆柱弹簧、圆锥圆柱弹簧、圆锥弹簧、波片弹簧、波纹弹簧、波片弹簧、波纹管等管等)构成。构成。使密封断使密封断面紧密贴合面紧密贴合;3. 辅助密封圈：包括动辅助密封圈：包括动环密封圈、静环密封圈环密封圈、静环密封圈等等4. 使动环随轴旋转的传使动环随轴旋转的传动机构动机构2. 密封机理密封机理（1） 4个密封点（亦称个密封点（亦称4个泄

4、漏点，如上图）个泄漏点，如上图）泄漏点泄漏点1摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持贴和（动密封点保持贴和（动密封点,两个摩擦副之间有相对转动）两个摩擦副之间有相对转动）泄漏点泄漏点2补偿环密封圈，静密封点，密封圈与轴补偿环密封圈，静密封点，密封圈与轴或轴套之间有微动或轴套之间有微动;泄漏点泄漏点3非补偿环密封圈，静密封点，密封圈与非补偿环密封圈，静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止相配合件之间相对静止;泄漏点泄漏点4压盖与腔体间的密封圈，静密封点，密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封圈与相配合件之间相对静止.（2 2）传动关系）

5、传动关系 轴或轴套轴或轴套紧固螺钉紧固螺钉5 5弹簧座弹簧座44弹簧弹簧3 3补偿环补偿环1 1（动环）（动环） 压盖压盖防转销防转销8 8非补偿环非补偿环6 6（静环）（静环）（3）原理）原理 轴通过紧定螺钉、弹簧座、弹簧带动补偿环轴通过紧定螺钉、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（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。止的介质的泄漏。 摩擦副表面磨损后，在弹簧的推动

6、下实现补偿。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）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量很小，其泄漏约为软填料密封的1%2）使用寿命长）使用寿命长3）摩擦功率消耗小，仅为软填料的）摩擦功率消耗小，仅为软填料的10%50%4）轴或轴套基本上不磨损）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，）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）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腔的偏斜不敏感7）适用范围广，

7、高温、高压、低温、真空以及各种）适用范围广，高温、高压、低温、真空以及各种腐蚀介质等场合腐蚀介质等场合优点：优点：1）结构较复杂，对加工制造要求高）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）安装和更换比较麻烦，要求工人有一定的技术水平术水平3）发生偶然性事故时，处理较困难）发生偶然性事故时，处理较困难4）价高）价高缺点缺点：4. 主要参数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

8、析的示意体膜来润滑的。下图为机械密封端面力学分析的示意图。图。密封环带面积密封环带面积 A弹簧比压弹簧比压 Ps密封流体压力有效作用面积密封流体压力有效作用面积 Aedb为滑移直径，也称平衡直径，指密封流体压力作为滑移直径，也称平衡直径，指密封流体压力作用在补偿环辅助密封圈处的轴的直径用在补偿环辅助密封圈处的轴的直径密封流体压力作用比压密封流体压力作用比压 Pe载荷系数载荷系数 KK1时，既时，既Ae A，密封流体压力作用面积大于或等，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），称为非平衡型机械于密封环带面积（承载面积），称为非平衡型机械密封；当密封；当K1时，称为平衡性机械密封。

9、时，称为平衡性机械密封。平均流体膜压力平均流体膜压力 Pm反压系数反压系数 闭合力闭合力 Fc开启力开启力F0端面比压端面比压 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。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的分类机械密封可按不同的方法分类。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、）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压缩机用机械密封等2）可按不同的工作参数分类，如课本）可按不同的工作参数分类，如课本P150表表4-93）按结构型式分类，如

10、课本）按结构型式分类，如课本P151表表4-101）静止式和旋转式机械密封）静止式和旋转式机械密封静止式静止式弹簧不随轴一起旋转弹簧不随轴一起旋转静止式机械密封的弹簧不受离心力影响，常用于静止式机械密封的弹簧不受离心力影响，常用于高高速机械密封速机械密封中中静止式静止式补充内容：补充内容：旋转式旋转式弹簧随轴一起旋转的为旋转式弹簧随轴一起旋转的为旋转式机械密封机械密封旋转式旋转式旋转式机械密封的弹性元件装置简单，径向尺寸小，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。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）内置式和外置式机械

11、密封内置式内置式弹簧与动环安装在密封箱内与介质接触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内置式外置式外置式弹簧与动环安装在密封箱外不与介质接触弹簧与动环安装在密封箱外不与介质接触外置式外置式外置式密封的大多数零件不与介质接触，暴露在设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

12、弹力方向相反，当介质压力有波动，而弹簧补偿量又不大时，会导致密封不稳定甚至严重泄漏。仅用又不大时，会导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于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低场合场合3）单端面和双端面机械密封）单端面和双端面机械密封单端面单端面由一对密封端面组成由一对密封端面组成单端面单端面结构简单，制造和安装容易，一般用于介质本身润滑结构简单，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型式。但当介质有毒、易燃、易爆以

13、及对泄漏量有严格要求时，不宜使用。格要求时，不宜使用。双端面双端面由一对密封端面组成由一对密封端面组成轴向双轴向双端面端面适用于介质本身润滑性差、有毒、易燃、易爆、易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。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劲向双端面端面4）单级和双级机械密封）单级和双级机械密封单级单级使密封介质处于一种压力状态使密封介质处于一种压力状态单级单级与单端面机械密封相同与单端面机械密封相同双级双级使密封介质处于两种压力状态使密封介质处于两种压力状态双级双级二级密封串联布置

14、，介质压力依次递减，可用于高二级密封串联布置，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，压工况。如介质压力很高，可以将多级密封串联，成为多级机械密封成为多级机械密封4.3 机械密封的设计机械密封的设计（简单介绍）（简单介绍） 机械密封的设计原则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）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）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体沸点 3）补偿环（动环）必须处于自由补偿状态，能进行轴）补偿环（动环）必须处于自由补偿状态，能进行轴向的自我

15、调节向的自我调节 4）补偿环和非补偿环必须有可靠的防转措施，防止在）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）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为了提高密封的可靠性，某些其他要求也应尽量满足，如：足，如：1）至少一个密封环应采用高导热材料）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）高压流体处于密封环的外周围，即密封结构采用内流式内流式3）一个密封端面的材

16、料必须耐磨，且在磨损过程中）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，）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并且旋转环的外周尽量简洁，避免对流体的激烈搅动动5）窄环的端面宽度不超过）窄环的端面宽度不超过23mm6）密封采用平衡式结构，载荷系数）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）避免大的拉伸应力和冲击载荷1）获取设计条件）获取设计条件2）确定基本结构）确定基本结构3）确定材料）确定材料4）密封端面设计）密封端面设计5）补偿环和非

17、补偿环设计）补偿环和非补偿环设计6）辅助密封设计）辅助密封设计7）弹性元件设计）弹性元件设计8）密封辅助系统设计）密封辅助系统设计9）主要工作参数的计算）主要工作参数的计算10）标准化和工艺审查）标准化和工艺审查11）进行型式试验）进行型式试验12）编制零件表、使用说明书）编制零件表、使用说明书2. 机械密封的设计程序机械密封的设计程序3. 某些设计特征、问题与解决方案某些设计特征、问题与解决方案1）转矩传递）转矩传递 机械密封工作时，旋转环必须克服搅拌和端面机械密封工作时，旋转环必须克服搅拌和端面的摩擦转矩与轴一起旋转。需要有可靠的传动方式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

18、矩。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。动、突耳拨叉传动、波纹管传动、传动螺钉传动等。 旋转轴直接传动旋转轴直接传动常见结构常见结构有轴套夹有轴套夹紧、用紧紧、用紧定螺钉固定螺钉固定等，常定等，常用于静密用于静密封封弹簧座凹槽传动弹簧座凹

19、槽传动在旋转环外侧和弹簧座上加工凹槽，结构简在旋转环外侧和弹簧座上加工凹槽，结构简单，工作可靠。单，工作可靠。弹簧座传动弹簧座传动在弹簧座上开两个缺口，旋转环上安两个销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，工作可靠钉或螺钉配合传动。结构简单，工作可靠弹簧过盈传动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，结弹簧顺螺旋方向旋转内径变小的特点传动，结构简单，只能单方向传动构简单，只能单方向传动弹簧钩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。结弹簧两端分别钩住弹簧座和旋转环来传

20、动。结构紧凑，工作可靠，只能单方向传动构紧凑，工作可靠，只能单方向传动突耳拨叉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，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。并允许密封又较大偏斜。波纹管传动波纹管传动利用波纹管直接传动利用波纹管直接传动传动螺钉传动传动螺钉传动利用螺钉传动。常用在多弹簧结构中。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机械密封材料机械密封材料摩擦副材料摩擦副材料辅助密封材料辅助密封材料加载弹性元件材料加载弹性元件材料其他结构材料其

21、他结构材料1. 摩擦副材料摩擦副材料1）摩擦副的主要性能）摩擦副的主要性能物理力学性能、耐腐蚀性能、摩擦学性能物理力学性能、耐腐蚀性能、摩擦学性能2）常用摩擦副的材料）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）摩擦副材料配对规律2. 辅助密封材料辅助密封材料1）辅助密封材料特性要求）辅助密封材料特性要求2）常用材料）常用材料合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨、金属材料等合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨、金属材料等3. 弹性元件材料弹性元件材料材料要求特性4. 其他结构件材料其他结构件材料4.5 机械密封循环保护系统机械

22、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、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，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。称为机械密封循环保护系统。功能：功能：1）冲洗是机械密封系统具有的最基本功能）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）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和控制的功能3）具有调节、控制密封工作压力的功能）具有调节、控制密封工作压力的功

23、能4）具有除去杂质、维持液体清洁的功能）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机械密封系统的功能单元流程1）冲洗）冲洗根据冲洗液的来源和走向，冲洗可分为自冲洗、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。外冲洗和循环冲洗。利用被密封介质本身来实现对密封的冲洗称为自利用被密封介质本身来实现对密封的冲洗称为自冲洗。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。称为外冲洗。利用循环轮（套）、压力差、热虹吸等原理实现冲利用循环轮（套）、压力差、热虹吸等原理实现冲洗流体循环使用的冲洗方

24、式称为循环冲洗洗流体循环使用的冲洗方式称为循环冲洗2）. 急冷或阻封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向密封端面的低压侧注入液体或气体被称为急冷或阻封。阻封。功能：冷却密封端面、隔绝空气或湿气，防止或清功能：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、稀释和回收除沉淀物、润滑辅助密封、熄灭火花、稀释和回收泄漏介质等泄漏介质等3）. 冷却或保温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。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，有时需要对于密封易结晶、易凝固的液体介质，有时需要加热或保温。加热或保温。4

25、）. 节流或限流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。流量的限制和控制。5）. 除杂与过滤除杂与过滤除去固体颗粒等杂质是机械密封系统的一种基本除去固体颗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功能，可采用过滤器或旋液分离器来除去系统中的杂质。的杂质。6）机械密封的选用）机械密封的选用有下列情况之一应选用机械密封系统：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高粘度或低粘度易挥发介质

26、的密封装置 3. 危险有害介质的密封装置危险有害介质的密封装置 4. 含有杂质介质的密封装置含有杂质介质的密封装置 5. 重型机械密封装置重型机械密封装置1.6. 气相介质密封装置气相介质密封装置4.6 机械密封的性能与试验机械密封的性能与试验 机械密封性能机械密封性能 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。流体总量，是评价机械密封性能的一个重要指标。 2）磨损量）磨损量 是指机械密封运转一定时间后，密封端面在轴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。向长度上的磨损量。3

27、）寿命）寿命机械密封的使用寿命指机械密封从开始工作到失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效累积运行的时间4）转矩）转矩包括：端面摩擦转矩、启动转矩、搅拌转矩包括：端面摩擦转矩、启动转矩、搅拌转矩5）追随性）追随性指当机械密封存在跳动、振动和转轴的窜动时，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。补偿环对于非补偿环保持贴合的性能。2. 机械密封试验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；以质量控制为目证设计正确性为目的的型式实验；以质量控制为目的的出

28、厂试验；以考核可靠性、寿命为目的的特殊的的出厂试验；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。试验；以研究开发为目的的试验研究等。1）型式试验）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。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、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。测量流体的温升等。2）出厂试验）出厂试验是机械密封产品质量控制的一个重要手段。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）特殊性能试验材料选择试验、润滑状态试验、温度裕度试验、材料选择试验、润滑状态试验、温度裕度试验、耐晃动和振动性试验及耐固体颗粒磨损试验等。耐晃动和