机械密封结构

机械密封结构
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。
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第二节 密封特性与端面液膜承载能力
一、密封特性
1.轴承润滑理论
（1）两平行平板
贴近移动板的油层速度 贴近静止板的油层速度 各油层以不同速度 移动
FX
v
u
y
移动件
O
静止件
Y
油层间剪应力 与速度梯度油层
成正比
此式也称为牛顿粘性液摩擦定律 式中，A——移动板的面积 η——比例常数，即液体的粘度。
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 结构。
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4、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 处于相同封液压力下（图35）。
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。
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2）104、110型机械密封 104为非平衡型，110为平衡型，也按内流骨装式设计， 与前两种不同之处在于它们是靠带耳环的传动套传动。
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3）105、111型机械密封 105型为非平衡型，111型为平衡型，与和第一种型式 比较，不同的是弹性元件为多个沿周向均匀布置的小 弹簧，传动方式是靠传动螺钉，通常也按内流内装式 设计。
高压、高温、高真空、高转速、大 直径密封不能解决
可以
加苛求一般，填料更换方便
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
一般
动、静环要求较高
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二、结构类型
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者称为内流式。 外流式：介质沿半径方向从端面内周向外泄者称为外流式。 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。
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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 db——平衡直径（介质压力在补偿环辅助密封处的有效 作用直径） 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。 因此K表示的是介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程 度。 根据d1、d2 和db的不同，K有不同的值。（图3-4）
取微元体进行分析，根据X方向力的平衡，得：
整理后得：
(牛顿粘性 液摩擦定律)
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积分后，已知：y=0时，u=v；y=h时，u=0，利用边界 条件，可得：
再分析任何剖面沿x方向的单位宽度流量
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如图3-11二平面间存在一定的斜楔。随着间隙减小，液压 增大，而斜楔的进出口处压差为零。故有一液压极大值， 对应该处的液膜厚度为h0，则流量
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3、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：
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）
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（2）弹簧加荷装置
作用：产生压紧力，保持动、静环端而后紧密接触， 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。 再进一步，如果我们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并做相对转动的密 封端面进行密封的装置。
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4）114型机械密封 114型机械密封为单端面、单弹簧、非平衡结构，旋转 环是靠推环的拨叉带动耳环传动，按外流外装式设计， 主要用于化工腐蚀泵上。
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2、釜用机械密封标准结构 釜用机械密封标准（HG-、5-751-78至HG5-756-78） 列出了化工反应釜搅拌轴用机械密封六种型式共 108种规格，并规定了密封件的材料级别及主要技 术要求。
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三、常用机械密封标准结构简介
1、泵用机械密封标准结构 2、釜用机械密封标准结构
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三、常用机械密封标准结构简介
1、泵用机械密封标准结构 1）103、109型机械密封 103和109型均为单端面、单弹簧、旋转式结构，靠并圈弹簧 及带耳环的推环传动，103为非平衡型，109为平衡型，通常 按内流内装式设计，为国内使用最为普遍的一种结构。
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4、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。
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4、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。
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。
① 结构较复杂，对制造加工要求高；
缺 ② 安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水平； 点 ③ 发生偶然事故时，处理比较困难；
④ 一次形等
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4.机械密封的优缺点：（与软填料密封比较）
① 密封可靠，在一个较长的使用期中，不会泄漏或很少
优
泄漏；
点 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；
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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 0<K<1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 K<0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，端面磨损加剧并的热，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。
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。
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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
D BA
C
机械密封的主要 特点主是密封面 为垂直于旋转轴 线的端面。
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3.基本构件
（1）动环和静环
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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。
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外装式特点：一般来说大部分机械密封零件不与介质接触， 且暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外装式结 构的介质作用与弹簧力相反（指常用结构）。当介质压力有 波动或升高的情况下，弹簧力余量又不大时，会出现密封不 稳定的情况以致产生泄漏。当介质压力降低时，因弹簧力不 变，在摩擦面上受负荷增大，特别在低压起动时，摩擦副的 表面间尚未构成液膜，此时比压又是最大，容易擦伤端面。
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（2）雷诺润滑方程式
两刚体被润滑油分隔开，移动件以速度v沿x方向滑动， 另一刚体静止不动。忽略压力对润滑油的影响，同时假 设：润滑油沿Z向没有流动；润滑油的流动是层流流动； 油与工作表面吸附牢固，表面油分子随工作表面一同运 动或静止；不计油的惯性和重力的影响，认为润滑油不 可压缩等等。
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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。