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(一)机械密封的概念:

   1.机械密封就是一种用来解决旋转轴与机体之间流体介质密封的装置。

   2.机械密封是至少由一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力(或者磁力)作用以及辅助密封的配合下保持贴合并且相对滑动而构成的用以防止流体泄漏的装置。

(二)机械密封的用途:机械密封常用在泵轴、压缩机、反应釜、反应搅拌器、风机等旋转式流体机械;也用于齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾轴等装置。

(三)机械密封主要零件及作用:

 1.主要零件:机械密封主要由5个部分组成:

(1)补偿环和非补偿环构成主要密封面,也叫摩擦副;

(2)弹性元件为主构成加载、补偿和缓冲机构;

(3)辅助密封(如O型圈、骨架油封、矩型圈、V型圈等);

(4)传动机构:与旋转轴连接,并同轴一起旋转的零件;

(5)防转机构:如防转螺钉、销钉、平键等。

 2.主要零件的作用:

 (1)补偿环和非补偿环:

a.补偿环—是指具有轴向补偿能力的密封环,它可以是旋转环(也称动环),也可以是非旋转环(也称静止环);一般情况下补偿环用较软质材料制造,端面比非补偿环更窄。

b.非补偿环—是指不具有轴向补偿能力的密封环,同样它可以是旋转环(也称动环),也可以是非旋转环(也称静止环)。一般情况下非补偿环用相对较硬质材料制造,端面比补偿环更宽。

补偿环和非补偿环两者端面贴合在一起构成主密封端面,起主要密封作用,是机械密封的主要零件。

总之:简单的说一般可以认为密封在使用时能做轴向滑动的环叫补偿环,不能做轴向滑动的环叫非补偿环;能随轴(或者轴套)做圆周旋转运动的环叫动环,不能随轴(或者轴套)做圆周运动的环叫静止环;补偿环不一定是动环,非补偿环也不一定就是静止环,两者要根据机械密封结构来区分。

(2)弹性元件与弹簧座:由它们构成加载、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、蹿动时起缓冲作用。

 〈1〉弹性元件的要求:

a.弹性元件产生的弹力大小必须足以克服补偿环辅助密封圈在轴(或者轴套)上滑动时的摩擦阻力;

b.弹性元件产生的弹力大小还要足以防止密封腔处于真空状态时补偿环和非补偿环被吸入密封腔体内;

C.但是过大的弹性力会加剧密封端面的磨损,影响机械密封使用和缩短其使用寿命。

  〈2〉弹性元件的种类:弹性元件可以是单个圆柱螺旋弹簧、圆锥螺旋弹簧,也可以是多个沿圆周方向布置的圆柱螺旋小弹簧,或者成对的片状波形弹簧以及蝶形弹簧等。

  〈3〉弹簧座:用于弹簧轴向和径向定位的零件,通常它还兼备传递转矩或者克服转矩的作用。

 (3)辅助密封圈:起辅助密封作用,分补偿环辅助密封圈、非补偿环辅助密封圈、压盖密封圈和轴套密封圈等。

a.补偿环辅助密封圈:用来密封补偿环与轴(或者轴套)之间的泄漏,按其截面形状分为O型圈、V型圈、楔形圈、U形圈、矩形圈等。

  b.非补偿环辅助密封圈:用来密封非补偿环与轴、轴套、压盖(或者密封腔体)之间的泄漏,按其截面形状有O型圈、V型圈、矩形圈、L形垫片、矩形垫片等形式。

(4)传动机构:

  <1> 作用:起传递转矩的作用。

  <2> 传动机构的形式:

  a.在旋转式机械密封中多弹簧结构常用凸圆凹坑、柱销、拨叉等方式传动,传动机构多布置在弹簧座和补偿环上;单弹簧结构中常以弹簧自身的并圈或者带钩形式兼起传动作用,还可以用叶轮与拆卸环夹紧轴套和驱动环上紧定螺钉来传动。

  b.在静止式机械密封中旋转环常用平键、柱销等来传动。

(5)防转机构:起克服转矩的作用,其结构形式与传动机构相反。

(四).机械密封密封原理及运行条件:

1.机械密封的使用性能主要取决于主密封。

2.主密封的密封原理:机械密封高速运转时在密封端面之间形成一层极薄的流体膜来润滑和产生相互吸引力以保证其正常工作。所以平常我们一般认为两个密封面之间是在没有液体情况下才不会产生泄漏的说法是不正确的。这层液膜的厚度大概为千分之6到万分之6微米(μm)。密封面没有液体的机封有如压缩机上用的干气密封。

总之:如果两个密封面之间没有液体,机械密封高速旋转时两个密封面干摩擦会产生大量摩擦热,使密封温度急剧上升从而很快使辅助密封圈碳化,密封面因为高温而产生龟裂以及导致整个机械密封零件变形。

  机械密封冷却水作用:机械密封冷却水主要作用是把高速运转时主密封面产生的摩擦热带出密封腔体,尽量延长机械密封的使用寿命。

3.机械密封运行条件:

(1)集装式单端面机械密封:

a.在泵腔体内没有输送介质和没有冷却水情况下绝对禁止干运转;

b.在有介质而无冷却水情况下机械密封可以短时间运转,因为单端面密封只有一组密封面都侵泡在输送介质流体内,两个密封面运转时不会产生干摩擦,但是长时间这样运转也会严重缩短机械密封使用寿命,其主要原因是密封水这个骨架油封在未损坏时密封面产生的摩擦热排不出密封腔体内,整个机械密封温度也会很快升高。

C.如果在没有输送介质流体而有冷却水情况下,机械密封在短时间内也可以运转,因为冷却水是从机封内部通向两个密封环之间的,机械密封运转时不会产生干摩擦。

(2)集装式双端面和多端面机械密封:绝对禁止没有冷却水情况下运行机械密封。

a.在泵腔体内有输送介质流体而没有冷却水情况下绝对禁止运行机械密封。因为在这种情况下密封物料这组密封环密封面之间有介质流体润滑,而密封冷却水这这组密封环密封之间没有任何液体润滑就会产生干摩擦,在短时间内机械密封产生大量摩擦热使温度急剧上升从而很快损毁机械密封。所以集装式双端面机械密封绝对禁止无冷却水情况下运行。

b.在泵腔体内没有输送介质物料而有冷却水情况下可以短时间运行机械密封,因为冷却水是从密封内部通向两组密封面之间的,运行时两组密封面都不会产生干摩擦,不会很快损毁机械密封;但是不到万不得以情况下也不要这样运行机械密封。

C.在泵腔体内没有输送介质物料也没有冷却水情况下绝对禁止

运行机械密封,这样在很短时间内就会烧毁整个机械密封。

(五)机械密封的分类:机械密封的分类方法很多,按其结构布置、端面比压、初始闭合力源、端面组合型式等分为各种不同名称的机械密封。

1.按初始闭合力源分为:弹性力机械密封和磁力机械密封。

(1)弹性力机械密封初始闭合力源来自弹簧、金属波纹管、聚四氟乙烯波纹管、橡胶波纹管等产生的弹性力。

(2)磁力机械密封初始闭合力来自磁体等产生的磁力。

2.按结构布置分为:按补偿环是否借助于辅助密封圈在轴(或者轴套)上接触滑移来实现补偿功能可分为:滑动式和非滑动式机械密封。

(1)滑动式机械密封:                                        

   〈1〉滑动式机械密封定义:指补偿环借助辅助密封圈(O型圈、V型圈、楔形环等)支承于轴(轴套)上,以其接触滑移来实现补偿功能的机械密封。它的初始闭合力源一般由弹簧提供。

   〈2〉滑动式机械密封分类:

 A.滑动式机械密封按弹簧结构形式及数量可分为:

   a.单弹簧结构:此类机械密封常用弹簧作传动机构,结构简单;但是传动不太可靠,并且弹力分布不均匀,不宜高速运转。

   b.多弹簧结构:此类机械密封是由一组多个小弹簧作圆周方向布置;整个机械密封弹力均匀,适宜高速运转;但弹簧不能用来起传动作用,结构相对单弹簧机械密封更复杂。

   c.片弹簧结构:此机械密封结构紧凑,轴向长度短,补偿量小。

B.滑动式密封按弹簧位置布置可分为:内置式和外置式结构。

   a.弹簧内置式机械密封—是指弹簧布置在机械密封高压侧,与高压侧流体接触的密封;又叫弹簧前置式机械密封。

b.弹簧外置式机械密封—是指弹簧布置在机械密封的低压侧,不与高压侧流体接触的密封;又叫弹簧后置式机械密封。

C.滑动式机械密封按运动方式(指补偿环是否随轴旋转)可分为:旋转式和静止式机械密封。

    a.旋转式机械密封—指补偿环随轴(轴套)一起旋转的密封。

    b.静止式机械密封—指补偿环不随轴(轴套)一起旋转的密封。

旋转式和静止式密封按处于相对静止状态的密封环(补偿环或者非补偿环)的端面是否面向主机工作腔体又可分为:内装式和外装式密封。

(a)内装式机械密封—指处于相对静止状态的密封环的端面面向主机工作腔体的机械密封。它可以是滑动式,也可以是非滑动式密封。

(b)外装式机械密封—指处于相对静止状态的密封环的端面背向主机工作腔体的机械密封。它同样可以是滑动式密封,也可以是非滑动式密封。

内外装式机封的特点:(1)内装式机封从主机外面是看不见机封的;(2)外装式机封的密封环外圆部分一般都暴露在低压侧的大气中,可以直观的监视其密封面泄漏、磨损等运转情况。

外置散装式机封的缺陷:外装式散装式机封受力不如内装式机封合理,密封环受介质的拉应力,介质的作用力与弹性元件的作用力相反,有使密封面开启的趋势,泄漏量较大。

内外装式机封的使用原则:(1)外装式机封在流体介质压力<0.5MPa,主机腔体尺寸受限制情况下使用;(2)内装式机封流体介质压力在任何情况下都能使用,特别是介质流体压力≥0.5MPa情况下尽量采用内装式结构的机械密封;因为它的泄漏方向与泵内介质流体离心力方向一致,泄漏量较小。

旋转式和静止式机械密封按补偿环离端面最远的背面处

于高压侧还是低压侧又可分为高背压式和低背压式机封:

(a)高背压式机械密封—指补偿环离端面最远的背面处于高压侧的滑动式密封。情况大概有4种(略)

(b)低背压式机械密封—指补偿环离密封端面最远的背面处于低压侧的滑动式密封。(略)

高低背压式机封结构特点总结:

(1)低背压式机械密封的弹簧都置于低压侧,可避免接触高压侧密封流体,而高压侧密封流体往往是密封介质,这样就避免了弹簧受介质腐蚀的问题;因此强腐蚀的机械密封常采用低背压式结构的机封。

(2)高背压式机械密封则相反。

B.非滑动式机械密封使用地方较少,不常见。一般波纹管式机

械密封就是非滑动式密封。

非滑动式机械密封分类:

(a)按运动方式也分为旋转式和静止式结构,旋转式又分为内装内流式和外装外流式。

(b)按波纹管结构又分为压力成型金属波纹管、焊接金属波纹管、橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管结构等。

其中:(1)压力成型金属波纹管和焊接成型金属波纹管结构机械密封常用于高温高压工况;(2)橡胶波纹管结构机械密封用于常温清水工况;(3)聚四氟乙烯波纹管常用于腐蚀性强的酸碱流体工况。

3.按端面比压分类:分类原则是按端面比压是否等于零,即密封端面是否相互接触而分为接触式机械密封和非接触式机械密封。

 机械密封端面比压概念—是指密封弹簧在正常工作高度时自身产生的弹性力作用在有效密封环带单位面积上的力。

(1)接触式机械密封:指密封端面相互接触,端面比压大于零的机械密封。接触式机械密封端面比压的大小取决于载荷系数K值的大小,因此可按载荷系数K<1和K≥1再分为平衡型和非平衡型机械密封。

 A.平衡型机械密封—指载荷系数值K<1的密封。

 B.非平衡型机械密封—指载荷系数值K≥1的机械密封。

(2)非接触式机械密封:指密封端面相互不接触,端面比压Pc=0的机械密封。

特点:接触式机械密封密封面之间处于液体摩擦状态,在密封

面之间有一层完整的液压流体膜;而非接触式机械密封不处于液体摩擦状态,在密封面之间没有完整的液压流体膜,它是靠高速运转时产生吸附力实现密封,比如压缩机等上用的干气密封。

4.按端面组合数量分为:双端面、多端面、串联式机械密封。

(1)双端面机械密封:只由两对密封面组成的机械密封,它又可分为轴向双端面和径向双端面结构;

A.轴向双端面密封:分为轴向相背事和轴向相对式结构:

a.轴向相背式也就是我们平常所说的“背靠背”结构密封;

b.轴向相对式:指沿轴向相对布置的双端面密封(即两组密封环都靠在一起,弹簧座两边分布的密封)。

B.径向双端面密封:指沿径向布置的双端面密封(比如反应釜上用的204型和212型结构)。

(2).串联式机械密封:指由两套或者两套以上同向布置的单端面结构密封(略)。

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