机械设计手册之 密封装置

机械设计第二十一章密封装置第一节概述第二节密封类型与选择第三节静密封第四节动密封第五节机械密封第六节其他密封返回章目录第一节概述密封的功能一是防止机器内部的液体或者气体从两零件的结合面间泄漏出去，二是防止外部的杂质、灰尘侵入，保持机械零件正常工作的必要环境。起密封作用的零、部件称为密封件或密封装置，简称密封。密封的好坏，直接关系到一个机器的工作质量和使用寿命，切不可掉以轻心。有些场合，密封的可靠程度尤为重要，比如飞机和航天器上的密封，毒气、毒液储罐，易燃、易爆气体储罐等的密封。多数密封件已标准化、系列化，根据工作条件和使用要求加以选用。第二节密封类型与选择密封按被密封的两结合面之间是否有相对运动而分为静密封和动密封两大类。动密封又按密封件和被密封面间是否有间隙分为接触式动密封和非接触式动密封。一、密封的类型具体分类如下：密封动密封静密封垫片密封研合面密封O形圈密封密封胶密封非接触式密封接触式动密封间隙密封离心式密封迷宫式密封毡圈密封O形圈密封唇形密封油封密封圈密封软填料密封涨圈密封机械密封其他密封的形式五花八门，多种多样，作用和原理各不相同，在实际使用过程中，要根据使用场合，工作条件合理地选择密封的形式。如非接触式动密封，可以用在转速比较高的场合，但密封的可靠程度有限，接触式动密封密封可靠，但由于有摩擦磨损的存在，不宜用在旋转速度较高的场合。对于有一定的压力和转速较高的轴的密封要选用机械密封等。二、密封的选择1、密封形式的选择（1）液体材料多为高分子材料，如液态密封胶、厌氧胶、热熔型胶等，它们在使用过程中通常会固化。主要用于静密封。2、密封材料的选择用于密封件的材料常有以下几种：（2）纤维材料植物纤维有棉、麻、纸、软木等；动物纤维有毛、毡、皮革等；矿物纤维有石棉等；人造纤维有玻璃纤维、碳纤维、有机合成纤维、陶瓷纤维等。主要用于垫片、软填料、油封、防尘密封件等。矿物纤维可以耐酸、耐碱、耐油，温度最大可耐到450℃。（3）弹塑性体橡胶和塑料。橡胶类有天然橡胶和合成橡胶之分。橡胶主要用于垫片、成型填料、软填料、油封、防尘密封件等。塑料有氟塑料、尼龙、酚醛塑料、聚乙烯、聚四氟乙烯等。主要用于垫片、成型填料、软填料、硬填料、防尘密封件、活塞环、机械密封等。可耐酸、耐碱、耐油等。聚四氟乙烯最高可耐温度300℃。（4）无机材料石墨和工程陶瓷，如氧化铝瓷、滑石瓷、金属陶瓷氧化硅等。主要用于垫片、软填料、硬填料、密封件、机械密封、间隙密封等。可耐酸、耐碱，最高可耐温度800℃。（5）金属材料黑色金属有碳钢、铸铁、不锈钢等，有色金属有铜、铝、锡、铅等，硬质合金有钨钴硬质合金、钨钴钛硬质合金等，贵重金属有金、银、铟、钽等。主要用于垫片、软填料、硬填料、成型填料、防尘密封件、机械密封、间隙密封等。可耐酸、耐碱，最高可耐温度450℃。贵重金属主要用于高真空、高压和低温等场合。垫片密封是静密封中最常用的一种形式。在两连接件的密封面之间垫上不同材质的密封垫片，然后拧紧螺纹或螺栓，使垫片产生弹性和塑性变形，填塞密封面的不平处，达到密封的目的。一、垫片密封两密封面在工作时没有相对位移的密封为静密封。压力容器的封头和筒体的密封，减速器箱体和箱盖的密封，内燃机汽缸和汽缸盖的密封等都属于静密封。第三节静密封法兰之间法兰和法兰盖之间轴承端盖和箱体之间上法兰下法兰罐体封头垫片垫片法兰法兰盖管道箱体轴密封垫片轴承轴承端盖靠两密封面的精密研配来消除间隙，用外力压紧来保证密封。在实际使用中，密封面往往涂敷密封胶，以提高严密性。密封面的表面粗糙度Ra≈25mm，自由状态下，两密封面之间的间隙不大于0.05mm。多用于气轮机、燃气轮机等汽缸结合面的密封。二、研合面密封上法兰缸体下法兰缸盖O形圈密封寿命长，结构紧凑，装拆方便，密封性能好，根据不同的材料，可在-100℃260℃的温度范围和100MPa的压力下使用。三、O形圈密封如果在更高或更低的温度和压力条件下工作，可以采用金属空心O形环密封，它可以在280MPa压力下工作，温度范围为-250℃650℃。法兰缸体法兰盖O形圈自由状态金属空心形环O缸体压紧状态O金属空心形环用刮涂、压注等方法将密封胶涂在要压紧的两个面上，靠胶的浸润性填满密封面的凹凸不平处，形成一层薄膜，能有效起到密封作用。它密封牢固，方法简单，效果好，但耐温性差，通常用于150℃以下。四、密封胶密封第四节动密封两密封面在工作时有相对运动的密封为动密封。通常是一个静止，一个运动，既要保证密封可靠，又要防止相对运动元件间的摩擦、磨损，损坏密封件，保证密封件有一定的寿命。按照相对运动的类型不同分为移动式动密封和旋转式动密封。移动式动密封主要用在直线运动或往复运动的机械中，如液压千斤顶、液压升降台等液压机械和发动机的汽缸和活塞之间的密封等，本章主要讨论旋转式动密封。一、非接触式动密封1、间隙密封间隙密封是靠相对运动件的配合面之间的微小间隙防止泄漏而实现的密封，它的工作原理是基于流体黏性摩擦理论，即当油液通过缝隙时存在一定的黏性阻力而起密封作用。2、离心密封离心密封主要是利用轴在旋转时产生的离心力，将泄漏出来的润滑油再甩回到油腔。也有在轴上直接开螺旋槽，在紧贴轴承处安装一甩油环，将油再甩回去，螺旋槽的旋转方向要保证轴在旋转时是使油甩到油腔里，而不是相反，这种密封通常只能在单向回转的轴上使用。3、迷宫密封迷宫密封是在需要密封的表面加工几个拐弯的沟槽，形成象迷宫一样的“曲路”，使泄漏的介质在沟槽里产生压力降，不能顺畅的通过，即可形成密封。曲路的布置可以是轴向的，也可以是径向的。当采用轴向曲路时，假若轴的热伸缩比较大或者设计不严谨，都有使旋转片和固定片相接触的可能，因此在一般情况下以径向布置为宜。工作时沟槽内涂满润滑脂，以增加密封效果。二、接触式动密封1、密封圈密封（1）毡圈密封在轴承端盖上开出梯形槽，将毡圈（按标准选取），放置在梯形槽中与轴密合接触。这种密封主要用于脂润滑的场合，它结构简单，使用简便，但摩擦较大，只适用于线速度较小(不大于45m/s)的场合。与密封毡圈相接触的轴表面如经过抛光且毛毡质量较高时,线速度可达到78m/s。毡圈密封是标准件，按照轴的直径确定毡圈的尺寸和沟槽的尺寸。也可两个毡圈并排放置以增强密封效果。毡圈轴承端盖（2）O形圈密封O形圈用作动密封时，主要用于移动密封，如活塞和活塞杆的密封。当圆周速度小于2m/s时，也可用于旋转密封。O形密封圈结构简单，密封性可靠。运动摩擦阻力很小，沟槽尺寸小，容易制造等，故应用十分广泛。其主要的缺点是起动摩擦阻力较大。（3）唇型密封唇型密封是依靠其唇形部分与被密封面紧密接触来进行密封的。唇型密封圈的种类繁多，形状各异。它装填方便，更换迅速，但与O形密封圈相比有结构复杂，尺寸较大，摩擦阻力大等缺点。在许多场合，已被O形密封圈所替代。现在主要应用在往复运动的零、部件中。唇型密封圈密封唇的方向要朝向密封的部位，即开口应向着密封介质，这样才有密封效果。（4）油封密封油封密封是依靠其弯折了的橡胶弹性力和附加的环形螺旋弹簧的扣紧作用而紧套在轴上，阻断了泄露间隙，达到密封作用的。它是用于旋转轴的密封件。典型油封的剖面形状见图。自由状态下的油封，内径比轴小，即具有一定的过盈量，这个过盈量会对轴产生一定的抱紧力，油封腰部由于介质压力的作用也会对轴产生一个弹性力，还有弹簧，会对轴产生一个能随时自紧补偿的力。123456油封广泛用于汽车、工程机械、机床等各种机械上，因此种类很多，通常按其结构可分为有骨架和无骨架两大类。骨架是金属加强环，用来增强油封的刚度。油封种类很多，大多已标准化，按照工作条件和轴的尺寸选取。2、软填料密封软填料密封是将各种适合作为密封材料的软填料，用压盖压入需要密封的间隙中，达到密封的作用。适合于轴旋转的线速度不大于10m/s。软填料密封发热和磨损很严重，使用寿命最长不超过半年。通过重新压紧端盖，可以补偿填料的磨损。3、涨圈密封涨圈通常是由金属制造的带有切口的弹性环，放入槽中后，靠涨圈本身的弹力，使外圈紧贴在壳体上，不随轴转动。由于介质压力的作用，涨圈一端面紧压在涨圈槽的一侧，产生相对运动，用液体进行润滑和堵漏，从而达到密封的作用。涨圈密封既可用于往复运动件的密封，也可用于旋转运动件的密封。第五节机械密封机械密封也称端面密封，属于接触式动密封，常用于泵、釜、压缩机、液压设备和其他类似设备的旋转轴的密封，适用于高压、高温、高速、或低温、真空等场合以及对酸、碱等强腐蚀介质的密封。冷却液1234567891011121－压盖；2－静环；3－静环密封圈；4－动环；5－动环密封圈；6－推环；7－弹簧；8－固定螺钉；9－弹簧座；10－传动螺钉；11－壳体；12－防转销1、单端面和双端面机械密封的结构类型很多,可根据不同的结构特点进行分类,以便合理的选择,常用的分类方法有:单端面密封，只有一对静环和动环。双端面密封，有两对摩擦面A和B。双端面密封可在密封腔C中通入带压的封液能变气相密封为液相密封，又因为封液的压力通常高于需要密封的介质压力，故可以有效地防止介质外漏。2、内装式和外装式当弹簧置于工作介质之内称为内装式。而弹簧置于工作介质之外时称为外装式。外装式外装式弹簧不与介质接触，便于观察和维修，但介质的作用力与弹簧力相反，当介质的压力变动较大时，会引起不良的结果。当介质的压力较大，弹簧的弹性力余量不够大时，可能会引起泄漏；反之，当介质的压力较小时，弹簧力可能就很大，而使静环和动环压得过紧，引起摩擦面的擦伤。内装式机械密封受力情况较好，通常情况下使用，只有在密封零件和弹簧不耐介质腐蚀，或介质过于黏稠影响弹簧的性能时，才使用外装式机械密封。3、平衡型和非平衡型根据介质压力在摩擦面上所引起的比压情况来分，不卸载的称为非平衡型；部分卸载的称为部分平衡型；全部卸载的称为全平衡型。卸载越多，摩擦端面上的比压就越小，可减轻端面的磨损，但比压过小，密封面就有被推开的危险而出现泄漏，所以，卸载的多少要根据使用情况来确定。第六节其他密封以下介绍一种铁磁流体密封。在需要密封的间隙内（通常间隙很小，大约为0.050.12mm），充满了铁磁流体，在磁场的作用下，形成较强韧的液态膜，可对流体介质进行密封。其特点是完全无泄漏，无固体摩擦，无润滑，可多级使用，来对较大压力差的场合进行密封，但不适用于高温的场合。铁磁流体的组成：铁磁性微粒：小于30纳米的四氧化三铁、钴、镍、二氧化铬等；分散剂：油酸、氟醚酸等；载流体：矿物油、水、高分子化合物等。磁路通过轴1－导磁轴；2－铁磁流体；3、5－软铁极板；4－永久磁铁磁路不通过轴1－导磁轴；2－铁磁流体；3、5－软铁极板；4－永久磁铁本章结束