机械设计制冷

主要内容：基本概念和基本结构机械密封材料机械密封系统

密封失效与对策2006-11-162制冷基本概念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并相对滑动而构成防止流体的装置。2006-11-163制冷基本结构与作用机械密封的结构多种多样，最常用的结构如图1所示：2006-11-164制冷图12006-11-165制冷基本结构与作用机械密封安装在旋转轴上，筒状密封腔内有补偿环1，补偿环辅助密封圈2，弹簧3，弹簧座4，紧定螺钉5，它们都随轴一起旋转，称为补偿环组件。机械密封的其他零件，非补偿环6，非补偿环辅助密封圈7和防转销8，安装在与机体

头螺栓联接的端盖内，旋转轴贯穿其中，相互不接触，且相对

，称为非补偿环组件。2006-11-166制冷基本结构与作用弹簧座用紧定螺钉固定在轴上，并圈弹簧装在弹簧座和补偿环的台阶上，靠过盈配合（我厂还有用螺钉传动）带动补偿环旋转。弹簧加载使补偿环与非补偿环相互贴合，构成密封端面。补偿环不与轴接触，而是通过其辅助密封圈支承于轴上。2006-11-167制冷基本结构与作用当密封腔内充满了压力流体时，由图1可见，压力流体有4个点。

点1是在补偿环与非补偿环接触的端面间，这个部位称为主密封。

点2，

点3分别处于补偿环与旋转轴之间，非补偿环与端盖之间，这个部位称为辅助密封。工作时，辅助密封圈无明显相对运动，基本上属于

密封，并且

点4不属于机械密封，它处于端盖与机体的联接处，常用O型圈或垫片来密封。2006-11-168制冷基本结构与作用机械密封安装后，依靠弹簧的弹力，以克服补偿环辅助密封圈与轴之间的摩擦阻力，使补偿环端面紧紧地贴住非补偿环的端面。此时，有初始闭合力存在。当主机开始工作时，密封腔充满了压力流体，而产生更强有力的轴向推力，使密封端面贴合更紧密。由于端面的平面度高和粗糙度小，在压力流体的作用下，相对滑动的端面间便出现了边界摩擦或半液体摩擦状态，足以防止压力流体的明显，实现了主密封。2006-11-169制冷基本结构与作用图1所示机械密封的补偿环组件处于旋转状态，这是机械密封的常用型式，成为旋转式机械密封。式机械密封的结构和布置与旋转式相反，它的补偿环组件安装在与机体上，而非补偿组件则安装在轴上，其作用完全与旋转式机械密封相同。2006-11-1610制冷主要零件及其功能机械密封由5个部分组成：1.由补偿环和非补偿环构成的密封端面，亦称摩擦副。2.由弹性元件为主构成的加载，补偿和缓冲机构。3.辅助密封。4.与旋转轴联接，并同轴一起旋转的传

构。5.防转机构。由于机械密封的结构不同，其零件也不尽相同，但这5个要素基本上都具备。2006-11-1611制冷主要零件及其功能1.补偿环与非补偿环补偿环是具有轴向补偿能力的密封环，它可以是旋转环（亦称动环），也可以是非旋转环。非补偿环是不具有轴向补偿能力的密封环，同样可以是旋转环，也可以是非旋转环（亦称静环）。两者的端面贴合在一起构成密封端面。它是机械密封的主要构件，起主密封作用。在不少情况下，补偿环用软质材料制造，端面较窄，非补偿环用硬质材料制造，端面较宽。2006-11-1612制冷主要零件及其功能2.弹性元件与弹簧座

由它们构成了加载，补偿和缓冲机构，以保证机械密封在安装后端面贴合；在磨损时及时补偿；在受振

动，窜动起缓冲作用。1弹性元件

指弹簧或波纹管之类具有弹性的元件。由弹性元件产生的弹力的大小必须足以克服补偿环辅助密封圈在轴上滑动时的摩擦阻力。弹簧可以是单个圆柱螺旋弹簧，圆锥螺旋弹簧，亦可以是多个周向布置的圆柱螺旋弹簧，或成对的片状波形弹簧，叠形弹簧。2弹簧座

用于弹簧轴向和径向定位的零件，通常还兼备传递转矩或克服转矩的功能。2006-11-1613制冷3.辅助密封圈

起辅助密封作用，分补偿环辅助密封圈和非补偿环辅助密封圈。1补偿环辅助密封圈

按其截面形状O形圈（我厂II,III型压缩机轴封上常见），V形圈（我厂I型压缩机轴封上常见）。2非补偿环辅助密封圈

在旋转式机械密封中用以密封非补偿环与端盖之间的

。主要零件及其功能2006-11-1614制冷主要零件及其功能传

构

起传递转矩的作用。在旋转式机械密封中，多弹簧结构常用凸圆凹坑，柱销等方式传动，传

构多布置在弹簧座和补偿环上。防转机构

起克服转矩作用，其结构型式与传动结构相反。2006-11-1615制冷摩擦副组队材料一.硬质合金高硬度，耐磨损，耐高温，线膨胀系数小，摩擦系数低和组对性能好。主要化学成分密度硬度抗弯强度线胀系数合金类别牌号WCCoNiCrg/cm2HRAN/mm2X10-6/oCWC-CoYG694614.6—1589.514215WC-CoYG892814.5—14.98914705.12006-11-1616制冷摩擦副组队材料碳石墨碳石墨具有下列特性：（1）具有良好的自润滑性和低的摩擦系数。（2）耐腐蚀性能良好。（3）良好的耐温性。（4）导热性好且具有低的线胀系数。（5）组对性能好。（6）易于加工。石墨材料大致有以下几类：烧墨，树脂结合石墨，热解石墨填充聚四氟乙烯聚四氟乙烯乙烯几乎对一切已知的化学品均无反应，具有很低的摩擦系数（仅0.04），不年滞，不吸附，并有极好的抗老化学性能。2006-11-1617制冷辅助密封圈材料机械密封用辅助密封圈要求具备以下性能：1良好的弹性，硬度合适且压缩

变形小。2好。3耐高，低温的老化性能与介质相容，不易产生溶胀，分解，硬化。4较小的摩擦系数，耐磨耗和有一定的抗

强度。不同橡胶耐氟利昂性能比较名称丁腈橡胶橡胶增重（%）76.312.4注：实验条件

R22;冷冻机油=70:30,压力0.7MPa,时间72h2006-11-1618制冷橡胶的特性及适应性用途安全使用温度（oC）不适应的介质名称一般特性补偿环用非补偿环用丁腈橡胶耐油性好，具有耐磨性，抗性，压缩变形小，耐寒性差石油基油类，硅油，双酯基润滑油，黄

油，动植物油，乙二醇，二硫化碳，四氟化

碳，烯，水等。-20～+80-30～+100硝基化合物，磷酸酯类工作油，酮

类，乙醇，臭

氧，苯，甲酚，乙苯，苯乙烯，醚等。橡胶具有优异的耐油性，耐臭

氧，耐气透等综合性

能，耐辐射性能差氟利昂，石油基油类-20～+120-30～+130强酸，甲醇，乙醇，氨，四氯化碳，二硫化碳，乙

烷，乙醚2006-11-1619制冷弹簧元件材料弹簧机械密封用弹簧大都用不锈钢制造，主要有马氏体淬火-回火型，奥氏体加工硬化型及沉淀硬化型等。2006-11-1620制冷弹簧元件材料金属波纹管一般的沉淀硬化不锈钢AM-350，INCONEL-X-750和钛合金，Hasterlloy

C-276。2006-11-1621制冷其它结构件材料机械密封中的其他结构件用材料，除应满足机械强度要求外，还要求耐腐蚀。即使在无腐蚀性的介质中，通常也不用碳素钢，因为密封是较精密的元件，它在储运中易锈蚀。一般情况下用2Cr13;1Cr-18Ni9Ti;0Cr18Ni12Mo2Ti;00Cr17Ni14Mo2;2006-11-1622制冷机械密封系统在使用场合中，机械密封是由两部分组成的，即机械密封本身和机械密封循环系统。密封系统的功能在于采用冲洗，循环，热对流等工作方式，控制机械密封的工况参数，即温度，压力，润滑，腐蚀，结晶，结垢等，以及防止介质正常泄露对环境的污染。2006-11-1623制冷密封系统的器件密封系统的主要器件有：储罐，换热器，过滤器，管道，管件，以及控制仪表等。2006-11-1624制冷2006-11-1625制冷密封系统的基本流程密封系统的流程主要是按循环的方式和密封流体的种类分类。这里介绍下我厂25III型压缩机采用的介质冲洗系统。25III型压缩机采用的是正向旁通式冲洗流程，即将介质从压缩机的出口引出，经旁通管，通过油分离器，油冷却器，过滤器，再进入密封腔。依靠压缩机出口（1.4MPa）与密封腔(1.2MPa)的压差，维持介质的正向流动，达到冲洗的目的。2006-11-1626制冷密封失效分析与对策点1）；点2）的几个方面：摩擦副端面之间（补偿环辅助密封圈处（非补偿环辅助密封圈处（机体与压盖结合端面间（点3）点4）碳石墨环有渗漏孔隙以及从镶嵌件配合面处都可能成为通道。2006-11-1627制冷2006-11-1628制冷摩擦副端面之间端面不平 端面平面度，粗糙度未达到要求，或在使用前受到了损伤，因而产生 。这时应重新研磨抛光或更换密封环。端面间存在异物

污物未被清除，装配时未 。此时需清除端面污物重新装配。安装尺寸未达到图纸工作尺寸的要求，重新调整安装尺寸。非补偿环安装倾斜 若为压盖安装偏斜应重新安装。同时检查密封环端面与压盖端面各点的距离是否一致，防转销是否进入密封环的凹槽中，防转销是否顶到凹槽底部。总装时压盖螺钉要均匀锁紧。2006-11-1629制冷摩擦副端面之间5.橡胶O形圈在介质中溶胀，体积增大，碳环受力而使端面变形。对此，应更换O形圈。6.压盖内夹杂金属碎片或污垢，局部受载。对此，须清除碎片， 压盖。7.端面分离，弹簧阻塞。端面接触压力不足，这是因为轴与密封圈之间摩擦阻力过大使闭合力减小。阻力增加可能是因为O形圈涨大引起，轴可能因为点腐蚀而失去光滑表面，从而增加了摩擦力。必须注意温升，轴必须具有合适的粗糙度。2006-11-1630制冷补偿环辅助密封圈处密封圈质量不合格。密封圈安装时受到损伤。轴表面有缺陷或有腐蚀。密封圈的材质与介质不相容。轴的尺寸公差，粗糙度未达到要求。2006-11-1631制冷非补偿环密封圈处的安装错误。密封圈质量不良。更换密封圈。密封圈的材质与介质不相容，更换正确材质的密封圈。2006-11-1632制冷机体与压盖结合面之间的1）机体与压盖配合端面有缺陷，如凹坑，刻痕等。需整修，作为应急措施，可涂布液态密封胶。2006-11-1633制冷密封件本身具有渗透性碳制品 的微孔容易形成 通道，密封环的石墨环也可能破坏造成

。2006-11-1634制冷密封失效典型实例分析1.端面不平平面度误差超差，局部平面度超差。2006-11-1635制冷密封失效典型实例分析2.粘着磨损由于密封过热过载，从而使软质材料碎片移附到硬质材料表面，成团的微粒十分频繁地形成，然后又崩落，因而产生磨损。2006-11-1636制冷密封失效典型实例分析3.热变形密封面上有对称不连续的亮带，这是由于热变形引起的。这种情况主要是由于不规则的冷却，引起密封面的热应力变形。2006-11-1637制冷密封失效典型实例分析4.热裂纹密封面上产生的细裂纹有三种：a)径向裂纹；

b)径向裂纹带有水泡或疤痕；c)表面龟裂。产生热烈最普遍的原因是：缺乏适当的润滑和冷却措施，密封面液膜汽化蒸发，pv值高等。2006-11-1638制冷密封失效典型实例分析5.端面偏斜表征为密封面磨损不均匀，造成密封面中凸或中凹，在介质变压力工况下，表现为密封性能不稳

定；能使密封面摩擦转矩增大，并产生大量的磨擦热。2006-11-1639制冷密封失效典型实例分析6.冲刷磨损在碳石墨环上，最容易产生冲刷磨损。冲洗液过高的冲洗速度或冲洗孔的位置不当，以及含有磨料颗粒的介质都可能使密封件受到冲刷磨损。2006-11-1640制冷密封失效典型实例分析7.磨粒磨损通常是由于嵌入软环内或附夹在端面间的颗粒所引起的。磨损往往出现在硬环端面上，呈圆周沟槽且同心分布。2006-11-1641制冷密封失效典型实例分析流体的浸蚀和气蚀 密封环的内外表面，背端面出现凹坑麻点，这是因高速流体长期冲击的结果。微动磨损与电隅腐蚀 微动磨损与电隅腐蚀是机械密封中常见的现象，多出现在补偿环密封圈与之对隅的轴表面。其表面呈现麻点或沟槽，成为使密封端面不能很好贴合，因而产生通道，或者。10.橡胶O形圈的挤出损坏 由于压力作用及介质的浸蚀，使O形橡胶圈变软，而挤入小间隙中，又由于应力集中使密封圈出现断裂或