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机械密封知识
浏览: 发布日期:2019-10-01

  机械密封知识 何兵 2014年3月26日 1 第一节 机械密封原理和基本结构型式 一、密封原理和特点 1.结构 1 2 3 4 (1)组成 9 8 7 6 5 1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉 2 (2)固定 1 2 3 4 9 8 7 6 5 1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉 ? 紧定螺钉把弹簧及动环部分固定 在轴上 ? 静环的周向固定:静环上开槽, 然后通过防转销与静环座固定。 而静环座又与设备联在一起。 3 2.密封原理 1 2 3 4 9 8 7 6 5 1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉 机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的 端面密封。如图3-1所示,当轴转动时,带动了弹簧座、 弹簧压板、动环等零件一起转动,由于弹簧力的作用使 动环紧紧压在静环上。轴旋转时,动环与轴一起旋转, 而静环则固定在座架上静止不动,这样动环与静环相接 触的环形密封面阻止了介质的泄漏。 4 机械密封一般有四个密封处: A、动环与静环之间的密封——动密封 B、动环与轴或轴套之间的密封——相对静密封 C、静环与静环座之间的密封——静密封 D、静环座(压盖)与设备之间的密封——静密封 1 D 2 3 4 C B 9 8 7 A 6 5 机械密封的主要 特点主是密封面 为垂直于旋转轴 线-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉 5 3.基本构件 (1)动环和静环 材料 ? 较好的耐磨性,能有减摩作用(即f要小) ? 良好的导热性,把摩擦热及时传出 ? 孔隙率小,结构紧密,以免介质在压力下有渗 透。 ? 动、静环是一对摩擦副,它们的硬度各不相同。 一般动环的硬度比静环的硬度大。动环的材料可用 铸铁、硬质合金、高合金钢等,在有腐蚀介质的条 件下可用不锈钢或不锈钢表面(端面)堆焊硬质合 金、陶瓷等;静环的材料可用铸铁、磷青铜、巴氏 合金等,也常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。 6 配对方法: 当介质粘度小,润滑性差时,采用金属配各种非金 属(因为大多数非金属材料都有自润滑作用);当 介质粘度较大时,采用金属与金属配对。口▲=○▼ 加工精度 由于摩擦副的端面要起密封作用,并且摩擦环要相 互滑动摩擦,故端面的加工精度影响着密封的效果 和使用寿命。 7 (2)弹簧加荷装置 作用:产生压紧力,保持动、静环端面紧密接触,且 是一个缓冲元件,可以补偿轴的跳动及加工误差而引 起的摩擦面不贴合。 把弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力称为弹簧 比压ps,那么ps的作用有两点:①起动停车或介质压 力波动时,使密封面维持足够的比压;②克服密封圈 与轴的摩擦力,保持动环沿轴向移动,以补偿端面的 磨损。 因此有人把机械密封定义为:机械密封是一种带有缓 冲机构,并通过与旋转轴大体垂直做相对转动的密封 端面进行密封的装置。 (3)辅助密封元件 型式:O形、V形、矩形等 8 4.机械密封的优缺点:(与软填料密封比较) 优 点 ① 密封可靠,在一个较长的使用期中,不会泄漏或很少 泄漏; ② 使用寿命长,◆●△▼●正确选择摩擦副材料和比压的机械密封 可用2—5年,最长的达9年; ③ 维修周期长,在正常工作的情况下,不需要维修; ④ 摩擦功率消耗少; ⑤ 轴或轴套不受磨损; ⑥ 对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感; ⑦ 适用范围广,能用于低温、高温、高真空、高压、各 种转速以及各种腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封。 缺 点 ① ② ③ ④ 结构较复杂,对制造加工要求高; 安装与更换比较麻烦,要求工人有一定的安装技术水平; 发生偶然事故时,处理比较困难; 一次性投资高。 9 表3-1机械密封与填料密封的比较 比较 泄漏量 软填料密封 180~450ml/h 机械密封 一般为软填料密封的1% 几乎无磨损 摩擦功率损失 轴磨损 维护及寿命 高参数 加工及安装 对材料要求 机械密封为软填料密封的10~50% 有磨损,用久后要更换 要经常维护,更换填料,个别情况 寿命很长,很少需要维修 每班换一次 高压、高温、高真空、高转速、大 可以 直径密封不能解决 加工苛求一般,填料更换方便 一般 动、静环表面粗糙度及平直度 要求高,不易加工,成本高, 装拆不便 动、静环要求较高 10 二、结构类型 1、内流式和外流式 2、内装式和外装式 3、旋转式与静止式 4、平衡型和非平衡型 5、单弹簧与多弹簧 6、单端面、双端面和多端面 11 1、内流式和外流式(图3-2) 按介质泄漏方向分为内流式和外流式。 内流式:介质沿半径方向从端面外周向内泄称为内流式。 外流式:介质沿半径方向从端面内周向外泄称为外流式。 内流式的泄漏方向与离心力方向相反,离心力阻碍着流体的 泄漏,因而内流式泄漏比外流式泄漏量小。于是,有固体颗 粒的情况尤其应该采用内流式。这样可防止固体颗粒进入摩 擦面。 12 2、内装式和外装式(如图3-3) 按弹簧是否与介质接触分为内装式和外装式。 内装式是弹簧置于工作介质之内,外装式是弹簧置于工作介 质之外。 13 外装式特点:外装式机械密封弹簧不与介质接触 ,可以用于 强腐蚀、高粘度、易结晶以及含有固体颗粒的介质等工况条 件。但其动环端面在介质压力的作用下存被打开的趋势,因 此使用压力比较低,一般应不大于1Mpa。内装式机械密封则 可以满足较高压力的工况要求。 内装式受力情况比较好,刚开车时介质压力较低,由不太大 的弹簧力即可对摩擦面构成初始的密封,此时因端面比压较 小,容易形成液膜。内装式端面比压随介质压力增在而增大, 因而增加了密封的可靠性。 一般情况下内装式(内流式)的介质泄漏方向与离心力方向相反,泄漏 情况较外装式好。所以在介质无腐蚀以及不影响弹簧机能时,应尽可能 采用内装式(内流式)结构。 14 3、旋转式与静止式 按弹簧的运转状态分为旋转式与静止式。 旋转式:即是弹簧装置及轴的结构简单,径向尺寸较小。 高转速情况下,弹簧及其它转动零件产生的离心力很大,动 平衡要求高,有的介质经强烈搅拌后易结晶,对于这种情况 宜采用静止式较适宜。 15 4、平衡型和非平衡型 主要按介质作用在端面的载荷程度分。 当不计摩擦副间反压力及密封圈摩擦力时,作用在端面上 的比压为: Pc ? Ps ? (d 2 ? d b ) (d 2 ? d 1 ) 2 2 2 2 P ? Ps ? KP 式中:Pc—端面比压,是指作用于密封面环带的单位 面积上净剩的闭合力,它主要取决于密封结构型式和 介质压力。 P——介质压力 Pn——弹簧比压(弹簧施加到密封环带单位面积上的 压紧力) 16 d 2 ? db Ae ?K? A 2 2 A d 2 ? d1 2 2 AP A K=0 K 1 其中: Ae——流体介质作用的有效载荷面积 A——接触面积(密封环带面积) K——载荷系数,动环的轴向受压面积与端面接触面积 之比。 d1、d2——密封环带内、外径 A db—— 平衡直径(介质压力在补偿环辅助密封处的有效 A A 作用直径) A 减小动环的轴向受压面积,可将流体压力施加在摩擦副 端面上的载荷部分甚至全部卸除。这一方法称为卸荷。 K 0 0 K 1 因此K表示的是介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程 图3-4 度。 根据d1、d2 和db的不同,K有不同的值。(图3-4) P P 17 A AP A K=0 K 1 AP A AP A K 0 图3-4 0 K 1 18 K≥1非平衡型 :介质作用于单位密封面上的轴向压力 大于或等于密封腔内介质压力,K=1.1~1.2 0K1部分平衡型: 介质作用于单位密封面上的轴向压 力小于密封腔内介质压力,K=0.6~0.9 K=0全平衡型:介质对密封面无轴向力 K0过平衡型:介质对密封面为推开力 令β=1-K,称β为平衡系数,它表示介质产生的比压在 摩擦副上的卸荷程度。 由前面Pc公式可知,β愈大,K愈小,由于介质引起的 端面比压愈小,虽然磨损很小,但不易保证密封;反 之β愈小,K愈大,端面磨损加剧并产生热,甚至有咬 坏的危险,那密封就失效了。因此根据经验与试验,β 不宜超过0.5。 19 5、单弹簧与多弹簧 单弹簧又称大弹簧,即是在密封装置中仅有一个弹簧与轴同 中心安装。 多弹簧又称小弹簧,◇•■★▼即是在密封装置中有数个弹簧沿圆周均 匀分布。 一般说负荷较轻而且大量生产的密封采用单弹簧为佳,小量 生产且在严格的条件下使用时,则都采用多弹簧。 20 6、单端面、双端面和多端面 按摩擦面对数分为单端面、 双端面和多端面。 单端面:指在密封机构中仅 有一对摩擦副。 双端面:指在密封机构中有 两对摩擦副,且两对摩擦副 处于相同密封液压力下(图 3-5)。 密封机构中有两对以上的摩 擦副且密封腔的压力逐渐降 低,根据摩擦副的对数分别 称为双端面、三端面和多端 面。 21 从结构比较来看,单端面比双端面简单,在制造和装拆上较 容易,因而使用很普遍。双端面因要通入带液体(封液)至 密封腔内起“封堵”和润滑作用,就需另设一套装置。单端 面只适用于一般场合。双端面适用于强腐蚀、主温、带悬浮 颗粒及纤维的介质、气体介质、易燃易爆介质、易挥发粘度 低的介质、高真空、贵重物料及要求介质与空气隔绝且允许 内漏的情况。 22 第二节 机械密封的选用 1、分析密封使用条件 (1)工作参数 压力、温度、转速、轴径 (2)介质特性 浓度、粘度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维 杂质、是否汽化或结晶 (3)主机工作性质与环境条件 连续或间隙操作 23 2、主机对密封的要求 ① 密封性 ② 寿命 ③ 结构尺寸的限制 ④ 可靠性和稳定性 3、密封类型与材料的选择 4、密封系统的综合措施及加工、安装、维修、 经济效益等考虑 5、结构形式的选择 24 1)工作压力:密封的工作压力是指密封腔处的 压力。●当P介>0.5~0.7MPa时,需采用部分平 衡型。由前面可知,K(载荷系数)表示介质 产生的比压加到摩擦副上的载荷程度,▲●…△P介增 加,则K增加,据资料介绍,当P=0.5~0.7MPa 时,用部分平衡型就能保证密封(即K<1) ,若 此时采用非平衡型,则K很大,介质产生的比 压加到摩擦副上的载荷程度也很大,从而密封 端面磨损,发热,密封失效。尤其是对于介质 粘度低,润滑性能差者,往往压力达 0.3~0.5MPa以上就应考虑选择部分平衡型;若 是超高压、高压,就应选双端面或多端面密封 使之逐级降压。 25 2)温度超出120℃是高温。 3)圆周速度当V﹥30m/s时可选用静止型,即是 高速又是高压力时,可考虑用流体动压型机 械密封。 4)介质的腐蚀性及易燃易爆、结晶等性质:对于 腐蚀较弱,选内装式较好,因结构上端面受 力和泄漏方向比外装式合理,•●反之,选用外 装式。外装外流式介质压力不起自紧作用, 故适用于压力较低的情况(0.2~0.3MPa) 26 第三节 冷却、冲洗与安装、使用 一、密封环端面发热 机械密封的摩擦副就是动环和静环,其端面贴紧 且一个静止,一个旋转,它们之间存在相对运动, 所以会产生摩擦和磨损,同时会伴有热量的产生。 如果摩擦产生的热量越多,密封的工作PV值就越 大。当然摩擦热除与PV值有关外,还与摩擦系数 及端面面积有关。 假设端面比压是均布的,则摩擦热 Q ? fPcVA 27 热量的传递有三种方式:对流、间壁导热、辐射。 显然机械密封端面的摩擦热就是以这三种方式传递 出去的。如果密封环向周围散失的热量与产生的摩 擦热相平衡,则可得到一个稳定的温度值。 对于普通机械密封,泄漏量较小,它带走的热量可 以忽略,那么摩擦热主要是由轴导入动静环,再由 动静环传给周围介质,即: Ql ? ? A? T l △T------环端面温度与周围介质温度差 l------温度降方向的壁厚,轴向为环厚h,径向为端面宽度b。 显然,λ越小,△▪️▲□△传出的热量就少,温升越高,PV值就越大; 反之,λ越大,传出的热量就多,温升越低,PV值就越小。 因此要选择导热系数大的材料。◆▼ 28 二、冷却、冲洗方法及系统设计 如果密封环材料的导热性差,介质温度又高,或 PV值比较高的情况下,端面间的大量热量不能及 时导出,必然引起端面温度急剧上升。其结果可 能造成端面间液膜汽化,恶化润滑条件,甚至完 全处于干摩擦状态,这不仅使磨损加剧,还会导 致密封环的热裂、变形等等。因此只是依靠选择 耐高温、导热性好的密封环材料或仅从结构上考 虑,都很难达到预期的效果。合理的方法就是强 化冷却,使端面摩擦热及时导出。 使端面冷却的方式主要有三种: 29 1、端面直接冷却 (1)闭路自冲洗(图3-24,a) 将密封介质从系统中高于密封 腔压力处引出,通过接管引入 密封腔,对于密封介质的温度 高或含固体粒子的场合,可在 管路上设置冷却器或过滤器, 使进入密封腔内的介质净化并 降低温度。 30 1、端面直接冷却 (2)反向自冲洗 将密封腔内的介质引入 主机低压侧,使介质通过密 封腔进行自循环而带走摩擦 热(图3-24,b),这种方法 适用于密封腔压力与主机工 作压力比较接近的场合。 31 1、端面直接冷却 (3)贯通自冲洗 将介质从高压侧引出, 流经密封腔进行冲洗后流回 主机吸入侧(图3-24,c),这 种冲洗冷却效果优于前两种。 32 1、端面直接冷却 (4)内冲洗 利用其它压力源将冲洗冷却液 注入密封腔内(图3-24,d)。 冲洗液应为低温、清洁液体, 并且少量内漏与密封介质相混 在工艺上必须是允许的,冲洗 液压力应比密封介质压力大 0.05~0.1Mpa。对于高温或含固 体颗粒的介质,◆◁•效果较好。 33 1、端面直接冷却 (5)局部循环冲洗 在密封腔内的一段轴上装上小型动力元件(图325),使密封腔内介质进行局部循环,或在旋转环 外周开槽同样能直到泵送作用。 34 2、静环背部冷却 从静止环背部将清水、油等冷 却液直接引入密封环内表面的 一种冷却方法(图3-26),又 称为急冷法、外冲洗法。冷却 效果好,但冷却水硬度高时产 生的无机物水垢在轴上沉 积,会影响动环密封圈的浮动 性,可能会引起密封失效。 35 3、间接冷却 冷却液不直接与密封面接触,其效果没有直接冷却效果好, 但对冷却液要求不高。常用 静环外周冷却(图3-27,b)夹套冷却(图3-27,a) 轴套冷却(图3-27,c)蛇管冷却(图3-28) 36 三、机械密封的安装 1、安装前的准备及注意事项 ① 检查机械密封的型号、规格是否符合设计图 纸的要求,所有零件有无损伤、变形、裂纹 等现象,若有缺陷,必须更换或修复。 ② 检查机械密封各零件之配合尺寸、粗糙度、 平行度是否符合要求。 ③ 使用小弹簧机械密封时,须检查小弹簧的长 短和刚性是否相同。使用并圈弹簧时,须注 意旋向是否与轴的旋向一致,其判别方法是: 面向旋转环端面,若转轴为顺时针方向旋转 的用右旋弹簧;反之,用左旋弹簧。 37 三、○▲机械密封的安装 1、安装前的准备及注意事项 ④ 检查主机轴的窜动量、摆动量和挠度是否符 合技术要求。 ⑤ 安装过程中应保持清洁,特别是旋转环和静 止环密封面及辅助密封圈表面应无杂质、灰 尘。不允许用不清洁的布擦试密封面。 ⑥ 安装中不允许用工具敲打密封元件。 38 三、▲★-●机械密封的安装 2、安装顺序 ① 确定动环安装位置 ② 旋转组件的安装。 ③ 静止件的安装 ④ 压盖安装 39 第四节 特殊工况下机械密封选用要点 在石油、化工生产中,由于所处理的介质非常 复杂,介质的特性、温度、压力、轴径、轴的 转速等各有差别。因此,机械密封必须从结构、 材料以及附加装置等方面加以考虑,以适应各 种使用条件的要求,☆△◆▲■尤其在苛刻条件下工作的 机械密封,在设计时必须对这些问题提出相应 的解决措施。 40 一、高温条件 当温度大于120℃时,即认为是高温。 ① 高温介质不但不能带走端面摩擦热,还可 能对密封环起加热作用,使密封端面温度 过高,造成端面液膜汽化,出现干摩擦; 密封环还可能发生热变形和热裂。 ② 当高温超过一定限度时,浸树脂石墨中的 树脂碳化析出的硬粒划伤密封面;浸金属 石墨中的金属熔化渗出,使密封失效。 ③ 高温条件下的橡胶、塑料等辅助密封圈材 料易老化,分解变质。 ④ 在腐蚀性介质中,高温会加剧金属密封件 的腐蚀。 41 要解决以上问题。一般是采取积极的冷却措施 和耐高温的材料。也可以从结构上采取措施, 如工作温度在250℃以上,可采用单弹簧金属波 纹管密封。 42 二、低温条件 温度为0~-50℃时视为普冷机械密封,当 温度低于-50℃时视为深冷机械密封。 低温工作的介质多属液化气体,具有低沸点、 低粘度、高蒸汽压的特点。 这种情况下,一般材料都会发生冷脆现象; 辅助密封圈发生老化,失去弹性,影响密封 性能;密封装置若与大气接触,其低温使大 气的水蒸汽冻结在密封面上,加速摩擦副的 磨损;另外密封面上的液膜汽化现象对密封 特性也有重要影响。所以低温用机械密封需 要考虑以下几个方面的问题: 43 二、低温条件 ① 用金属密封圈或金属波纹管代替辅助密封圈,在超 低温条件下常采用不锈钢或铜合金来制作的金属波 纹管。这样能保持优异的弹性补偿和消除种种因素 引起的机械振动,使两密封面紧密贴合保持良好的 运动状态。 ② 防止波纹管疲劳,波纹管虽然有优异的弹性,但在 超低温时,其塑性也有一定的下降,硬度增大,疲 劳寿命降低。若把波纹管置于旋转运动中,则会加 速疲劳破坏。故在超低温下常采用静止式结构。 ③ 与大气隔绝。密封腔与大气隔绝能减少冷损,提高 泵的效率和抗蚀性能,防止摩擦面上产生水结冰, 加速端面的磨损。 ④ 选择导热性和低温性能好的材料,如石墨、青铜等。 ⑤ 防止液膜汽化,可采取急冷和冲洗液(均匀低温流 体)并用的措施。 44 三、高压与真空 按照密封术语,压力在常压1MPa称作低压;大 于1~3MPa属于中压;超过3~15MPa称为高压。 高压可能使密封环产生力变形或破裂,真空 条件下,由于分子 降低,分子间摩擦力小, 与相同压差的正压相比,真空更易渗漏。 解决问题应从结构型式、材质、冷却与润滑 等方面作一合适的选择,选择的重点是密封 型式和材料。 45 ① 平衡系数β值的选择 端面比压是考核密封性能和耐磨性能的重要指标,选用 密封所允许的最小端面比压对提高使用寿命有利,高 压下一般取较大的β值,多采用平衡型结构。 ② 多端面结构 当端面负荷达到15MPa以上时,仅依靠材料的选择及结 构型式,都会非常危险。这时可采用串联式多端面结 构,将前级密封的端面比压设计得小些,允许较大的 泄漏量,也可采用流体静压式或流体动压式结构,使 密封端面维持良好的润滑状态。 对于真空用机械密封尽可能造成液膜形成的条件,如采 用双端面结构加封液循环、外装单端面结构加油盒润 滑等强化润滑的措施。 ③ 高压条件下,密封环采用强度、刚度高的材料。 46 四、高速 当线m/s时称为高速机械密封。 高速条件下,由于PcV值大,摩 擦功率消耗以及相应产生的摩 擦热也大,易使端面温度升高, 造成液膜汽化出现干摩擦出现 干摩擦而加剧磨损。 高速还会引起转动零件的振动, 动平衡是一个主要解决的问题, 必须从加强冷却、改善润滑条 件、减少端面比压和宽度等方 面来解决。 47 ① 结构上的考虑:减少端面宽度b,摩 擦产生的热量降低;将弹簧及其加荷 装置设计成静止式的结构。 ② 加强冷却与润滑,降低PcV值,减少 摩擦热,使端面液膜不汽化。 48 五、腐蚀性介质条件 ① 处于腐蚀性介质中的密封元件,不仅要注意每 一零件本身的耐蚀性,还应防止两种材料组合 一起时产生的电偶腐蚀。尤其是环端面受到磨 损和介质腐蚀的同时作用时要注意这些材料的 钝化耐磨性和钝态稳定性。 ② 在结构上我们可采用外装式结构,但辅助密封 弹簧却无法避免与介质接触。 ③ 所以辅助密封圈的材料要求除了弹性之外,还 需考虑材料对介质的耐腐蚀性和耐热性。 ④ 作为弹簧主要有以下几种方法解决:弹簧外装; 弹簧保护层;泄漏液隔离采用多端面结构等。 49 强腐蚀介质的密封结构实例 旋转环采用填充聚四氟 乙烯,静止环用氧化铝 陶瓷,弹簧用塑料软管 或涂层保护,这种结构 可用于盐酸(30%以上)、 硫酸(50%以上)、硝酸 (98%以上).氢氧化钠 (10~40%)等大部分腐蚀 性介质。 50 六、含有固体粒子条件 1.含有固体颗粒的介质容易出现: 杂质进入密封端面间,将会划伤密封面或破坏液膜的连续 性 杂质在补偿环密封圈处沉积会影响补偿环的浮动性 杂质沉积在弹簧上,将使弹簧失去作用 2.提高含固体粒子条件下机械密封的寿命方法 对降温结晶性介质,可采用保温或适当提高操作温度阻止 晶粒生成 采用开式传动大弹簧结构,减少粒子沉积的影响 采用辅助密封,如成型填料、甩砂环等 密封环摩擦副选择高耐磨材料 冲洗措施 可采用自冲洗和内冲洗,多采用自冲洗,但由于内含固体 粒子,因此应附设净化装置,对杂质进行分离与过滤,如 小型旋流器、■□过滤器等。 51 谢谢大家!!!! 52PK牛牛官网

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