机械密封设计概述

2016/12/231机械密封设计概述合肥通用机械研究院2016.9汇报人：杨博峰目录1.机械密封发展简介2.机械密封原理及构成3.机械密封分类及特点4.主要零件的结构及设计5.几何参数6.力学和性能参数7.互动及交流2016/12/2321.机械密封发展简介概况1.1国外发展简介1.2国内发展简介ShaftProcessFluid密封流体Leakage泄漏Environment环境VesselWall器壁1.机械密封发展简介2016/12/233动密封发展简介-概况填料密封机械密封迷宫密封1.机械密封发展简介迷宫密封梳齿密封螺旋密封大气侧介质侧介质侧大气侧大气侧介质侧介质侧节流套（直筒）密封迷宫密封大气侧动密封发展简介——迷宫密封1.机械密封发展简介2016/12/234软填料密封动密封发展简介——填料密封1.机械密封发展简介硬填料密封动密封发展简介——填料密封1.机械密封发展简介2016/12/235湿式机械密封动密封发展简介——机械密封1.机械密封发展简介干式机械密封动密封发展简介——机械密封1.机械密封发展简介2016/12/2361.机械密封发展简介概况1.1国外发展简介1.2国内发展简介1.机械密封发展简介1.1国外1885年，英国人申请机械密封的第一个专利，1900年开始应用于轴承密封。1930年，美国的公司研制出平衡型机械密封，并用于发动机上。1954年，发明密封用的碳石墨，硬质合金等材料，机械密封加工精度也有了很大的提高。20世纪50年代后期，石化、宇航与核电等行业的迅速发展，推动了机械密封的快速发展。机械密封获得了广泛的使用。美国、西欧、日本、前苏联等国家都开始系列化生产机械密封。20世纪60年代，出现了非接触式机械密封，应用于高温，高压工况。1977年，出现各种密封的组合机械密封和螺旋槽干气密封工业应用。2000年，激光加工的表面改形技术开始应用于机械密封。2016/12/2371.机械密封发展简介概况1.1国外发展简介1.2国内发展简介1.机械密封发展简介1.2国内50年代末，兰州炼油厂、沈阳水泵厂等单位首先试制泵用机械密封，与此同时原一机部通用所成立密封研究组，开始系统研究密封装置。1965年，由原第一机械工业部组织通用所等单位开展泵用机械密封联合设计。1970年，由机械、化工、石油三部联合组织，制订并颁布了《泵用机械密封标准》。1973年，出台了“釜用机械密封系列”标准。1980年，机械工业部成立了机械密封行业组，开展行业交流检查，并组织技术攻关，使机械密封技术有了新的发展。20世纪末，在常规机械密封的设计、生产方面已基本达到国际水平，但在高参数、高性能材料和产品规格方面，仍有很大差距。2016/12/2382.机械密封原理及构成2.1机械密封定义2.2密封副摩擦面特征2.3润滑目的2.4主要构成2.5特点2.机械密封原理及构成2.1机械密封定义由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用以及辅助密封的配合下保持端面贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。2016/12/2392.机械密封原理及构成2.1机械密封定义2.2密封副摩擦面特征2.3润滑目的2.4主要构成2.5特点2.2密封副摩擦面特征密封表面的特征—真实几何形状是由表面形状误差、表面波度和表面粗糙度三部分组成：普通机械密封液膜极薄，与表面粗糙度处于同一数量级，因此表面形貌中的高频粗糙度、低频波度和整体形状误差都对机械密封性能影响很大。2.机械密封原理及构成2016/12/2310表面形状误差：是密封件在加工成形时加工成形时所具有的宏观几何形状误差。对于机械密封其端面形状误差用平面度表示。此外，由于压差压差和温温差差的作用，密封面具有径向表面锥度。端面平面度≤0.9um表面波度：是指密封表面形成较长而有规律的波浪形纹理，如加工时机床一工具一工件系统的低频振动所引起的密封件表面几何形状误差，具有一定的波高结构和受力不匀称也会产生表面波度波距和波数。表面粗糙度：是指加工时在表面波纹上形成较小的几何轮廓。它是微观形状误差微观形状误差，而表面形状误差是宏观形状误差，波度是介乎两者之间的形状误差。硬质材料Ra≤0.2um，软质材料Ra≤0.4um。2.机械密封原理及构成2.机械密封原理及构成2.1机械密封定义2.2密封副摩擦面特征2.3润滑目的2.4主要构成2.5特点2016/12/2311Lubricant润滑剂Separation分离面MagnifiedSurfaceA放大面MagnifiedSurfaceB放大面Heat热量2.3润滑目的Separatesurfaces分离两个面Preventcontactofhighsurfacepoints防止出现面接触Reducefriction/heatgeneration减少摩擦/生热2.机械密封原理及构成当闭合力较大时，微凸体尖峰处的表面膜将破裂而导致固体直接接触，如图中的A部分。图中B部分为边界膜接触。当ho较小时，各微观空腔C之间基本上是不连续的，因而不充满液体或虽充满了液体但压力很小，密封闭合力主要由边界膜和固体直接接触来承受，此时对应于边界摩擦状态。随着ho的增加，微观空腔C将部分的连接起来，产生较大的流体静压力和流体动压力，密封闭合力由流体压力、边界膜和固体接触三部分承受，此时对应于混合摩擦状态。当ho增大到一定值时，微观空腔C已连成一片，密封缝隙中的流体静压力和流体动压力足以承受密封闭合力，表面微凸体不再接触，此时对应于流体摩擦状态。2.机械密封原理及构成2016/12/23122.机械密封原理及构成2.1机械密封定义2.2密封副摩擦面特征2.3润滑目的2.4主要构成2.5特点2.4主要是由4+1个部分构成①动、静环组成的摩擦副；②以弹性元件为主的补偿机构：弹簧，波纹管，磁力；③辅助密封机构：橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨；圆形，V形，包覆形，L形等；密封、减震；④传动机构：使动环、动环座和轴一起回转；类型有：销钉，突耳，弹簧，波纹管，紧定螺钉，键传动，拨叉传动。⑤辅助设施：遇到高温或特殊介质时，通过冲洗、冷却、过滤、分离等方式进行冷却和润滑，从而改善密封的工作环境，减少密封的泄漏量，延长使用寿命。2.机械密封原理及构成2016/12/2313机械密封一般有四个密封处：机械密封一般有四个密封处：AA、动环与静环之间的密封、动环与静环之间的密封————动密封动密封BB、动环与轴或轴套之间的密封、动环与轴或轴套之间的密封————相对静密封相对静密封CC、静环与静环座之间的密封、静环与静环座之间的密封————静密封静密封DD、静环座（压盖）与设备之间的密封、静环座（压盖）与设备之间的密封————静密封静密封2.机械密封原理及构成典型非集装密封结构图1234567891-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AABBCCDD2.机械密封原理及构成2016/12/2314轴套胶圈轴套弹簧动环静环静环胶圈定位圈压盖套筒胶圈弹簧套筒垫片2.机械密封原理及构成典型集装密封结构图2.机械密封原理及构成2.1机械密封定义2.2密封副摩擦面特征2.3润滑目的2.4主要构成2.5特点2016/12/23152.5特点密封性好。在长期运转中密封状态很稳定，泄漏量很小，据统计约为软填料密封泄漏量的1%以下。使用寿命长。机械密封端面由自润滑性及耐磨性较好的材料组成，还具有磨损补偿机构。因此，密封端面的磨损量在正常工作条件下很小，一般的可连续使用1~2年，特殊的可用到5~10年以上。运转中不用调整。由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中即使摩擦副磨损后，密封端面也始终自动地保持贴合。因此，正确安装后，就不需要经常调整，使用方便，适合连续化、自动化生产。功率损耗小。由于机械密封的端面接触面积小，摩擦功率损耗小，一般仅为填料密封的20%~30%。2.机械密封原理及构成轴或轴套表面不易磨损。由于机械密封与轴或轴套的接触部位几乎没有相对运动，因此对轴或轴套的磨损较小。耐振性强。机械密封由于具有缓冲功能，因此当设备或转轴在一定范围内振动时，仍能保持良好的密封性能。密封参数高，适用范围广。当合理选择摩擦副材料及结构，加之设置适当的冲洗、冷却等辅助系统的情况下，机械密封可广泛适用于各种工况，尤其在高温、低温、强腐蚀、高速等恶劣工况下，更显示出其优越性。结构复杂、拆装不便。与其它密封比较，机械密封的零件数目多要求精密，结构复杂。特别是在装配方面较困难，拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分(联轴器)或全部拆卸，要求工人有一定的技术水平。2.机械密封原理及构成2016/12/23163.机械密封分类及特点3.1内装式和外装式3.2平衡型和非平衡型3.3旋转式和静止式3.4高背压和低背压3.5内流式和外流式3.6多弹簧和单弹簧式3.7单端面与双端面3.8单级与多级3.9滑动式与非滑动式3.10接触式与非接触式3.11集装式与普通散装式3.12高速密封和普通密封3.13高压和低压密封3.14高温、常温和低温密封3.15泵用、釜用和压缩机用、风机用、潜水电机等用机械密封3.16耐腐蚀、抗颗粒机械密封3.17大轴径，普通轴径密封机械密封的结构形式，主要根据摩擦副的数量、弹簧的数量、弹簧是否与介质接触、弹簧运动或静止、介质在密封端面上造成的比压大小、介质的泄漏方向等来加以区别。每种结构形式适用于一定的工作条件，在选择机械密封的结构形式时，需要综合考虑设计条件及设计要求，以及制造经济性和拆装方便性等因素。3.机械密封分类及特点2016/12/23173机械密封分类及特点分类概述3.1内装式和外装式（1）内装式：弹簧置于工作介质之内。（受力情况比较好，可靠性高，常用）（2）外装式：弹簧置于工作介质之外。（便于观察及维修安装，适用于腐蚀性和低压介质）内装式外装式3机械密封分类及特点2016/12/2318外装型机械密封对于强腐蚀型介质可采用外装型机封，另外，外装型机封容易观察和拆装，但端面液体反力只靠弹簧来平衡，当介质压力高（端面反力亦大）时，可能打开端面，出现较大的泄漏，故外装式一般用于低压0.3MPa一下。3机械密封分类及特点3.2平衡型和非平衡型（1）平衡型：载荷系数K＜1.0（端面作用力随介质压力变化较小，常用）（2）非平衡型：载荷系数K≥1.0（适用于压力＜1MPa）（a）平衡型（b）非平衡型按摩擦副接触端面的比压（单位面积上所受的力）与被密封介质压力的关系3机械密封分类及特点2016/12/2319非平衡型与非平衡型机械密封的区别3机械密封分类及特点3.3旋转式和静止式（1）旋转式：补偿机构（弹性元件）随轴旋转。（安装方便，常用，但易产生不平衡，不能用于高速,且消耗搅拌功率）（2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。（适用于高速）旋转式静止式旋转密封在高速情况下，弹簧本身受离心力影响容易变形，如果弹簧在介质中，介质受弹簧强烈搅动，这对于强腐蚀介质更为不利。静止型则无这种缺点，但结构比旋转式复杂。3机械密封分类及特点2016/12/23203.4高背压和低背压（1）高背压：补偿环背面处于高压侧。（2）低背压：补偿环背面处于低压侧。高背压低背压3机械密封分类及特点3.5内流式和外流式（1）内流式：泄漏方向与离心力方向相反。（泄露量小，常用）（2）外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大，最高压力≤1~2MPa）内流型：液体以逆离心力方向进入密封端面，如双端面密封中大气侧的密封，离心力阻止液体泄漏，适合于密封含杂质的介质。外流型：液体以离心力的方向进入密封端面，如双端面中介质侧的密封当介质压力大于封液时就变成为外流型密封。3机械密封分类及特点2016/12/23213.6多弹簧和单弹簧式（1）多弹簧（小弹簧）：轴向尺寸小，轴向弹力均匀，宜用于高速，不宜用于腐蚀性介质。（2）单弹簧（大弹簧）：轴向尺寸大，轴向弹力不均匀，不宜用于高转速场合。多弹簧式单弹簧式3机械密封分类