密封设计手册

一、密封的分类：1、静密封：（1）根据工作压力：高压静密封、中压静密封、低压静密封（2）根据工作原理：法兰连接垫片密封、自紧密封、研合面密封、O形环密封、胶圈密封、填料密封、螺纹连接垫片密封、螺纹连接密封、承插连接密封、密封胶密封2、动密封：（1）根据密封面间是滑动还是旋转运动：往复密封、旋转密封（2）根据密封件与其做相对运动的零部件是否接触：A.接触式动密封a.按密封件的接触位置：圆周（径向）密封、端面（轴向）密封（机械密封）b.按密封原理：填料密封（毛毡密封、软填料密封、硬填料密封、挤压型密封、唇形密封）、油封密封、涨圈密封B.非接触式动密封：迷宫密封、动力密封（离心密封、浮环密封、螺旋密封、气压密封、喷射密封、水力密封、磁流密封等）C.无轴封密封（隔膜式、屏蔽式、磁力传动式）二、机械密封：机械端面密封是一种旋转传动件密封，是由一对或数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置。

主要部件是动环和静环，一个随主轴旋转，一个固定不动构成机械密封的基本元件：端面摩擦副（动环、静环）、弹性元件（弹簧）、辅助密封（O形圈）、传动件（传动销、传动螺钉）、防转件（防转销）、紧固件（弹簧座、压环、压盖、紧钉螺钉、轴套）静环，又称为非补偿环动环，又称为补偿环由补偿环、弹性元件和副密封等构成的组件称为补偿环组件。

机械密封分类：根据端面接触状态：接触式机械密封、非接触式机械密封、半接触式密封根据静环安装位置：内装式密封、外装式密封根据介质泄漏方向：内流型、外流型根据弹簧元件运动状态：静止式密封、旋转式密封根据密封流体在密封端面引起的卸载程度：平衡型密封、非平衡型密封根据弹性元件的结构和布置：单弹簧式密封、多弹簧式密封、波纹管密封、膜片密封根据密封端面数目：单端面密封、双端面密封、多端面密封根据载荷程度不同：平衡型、非平衡型、过平衡型机械密封计算：1、端面液膜压力：机械密封端面间隙液膜的承载能力。

（1）液膜静压力：当密封间隙有微量泄漏时，由于密封环内外径压差促使流体流动，而流体通过缝隙受到密封面的节流作用，使压力逐步降低Pm=λpPm -------端面上平均液膜静压力，Paλ----液膜反压系数p---密封流体压力（2）液膜动压力：机械密封环端面即使经过精细的研磨加工，在微观上仍存在一定的波动，当两个端面彼此相对摩擦时，由于液膜作用会产生动压效应。

əp/ əx=6ήv（h-h0）/h3əp/ əx---端面间液体沿运动方向的压力增量，即液膜动压力ή---端面间液体黏度v---液体沿运动方向流动的线速度h---两端面的间隙，即膜厚h0---液膜压力出现最大值处的膜厚2、载荷系数：K=Ae/A介质压力作用在补偿环上使之与非补偿环趋于闭合的有效作用面积（即载荷面积）Ae与密封端面面积（即接触面积）A之比为载荷系数K。

载荷系数的大小表示介质压力加到密封端面的载荷程度，通常可通过在轴或轴套上设置台阶，减小Ae改变K值。

K值的大小与介质的黏度、温度、汽化压力有关，黏度低时取小值，但一般取K≥0.5。

3、端面比压密封端面单位面积上所受的力称为端面比压，用Pc表示。

由弹簧力作用在密封端面单位面积上的压力称为弹簧比压，用Ps表示。

端面比压可根据作用在补偿环上的力平衡来确定，它主要取决于密封结构型式和介质压力。

（1）内流单端面机械密封（平衡型）的端面比压：弹簧力：Fs=PsA (A=π(d2²-d1²)/4)Ps-----弹簧比压，弹性元件施加到密封环带单位面积上的压紧力，PaA-----密封环带面积，m²d2、d1---密封环带外径和内径，m作用于端面的介质总压力：Fp=pAe (Ae=π(d2²-d b²)/4)p---介质压力，PaAe---介质压力作用于补偿环上的有效载荷面积，m²d b---平衡直径，即介质压力在补偿环辅助密封处的有效作用直径，mFs、Fp都是使端面趋于闭合的力端面液膜压力Fm(液膜静压力和液膜动压力)都是使端面开启的力： Fm≈R=λpAR----作用在密封面上的开启力端面所受净闭合力：Fc′=Fs+Fp-Fm该式是以密封环带单位面积上净剩的闭合力计算，最终推出端面比压Pc=Ps+（K-λ）P各种平衡程度的内流式或外流式机械密封均可按此式计算端面压力，区别仅在于K值的大小和正负不同。

（2）双端面机械密封的端面比压：靠大气侧的密封面受力情况与内流式单端面机械密封完全相同Pc=Ps+（K-λ）PfPf-----封液压力，Pa靠介质侧的密封面受力情况同上述方法得出端面比压为Pc=Ps+（K1-λ）Pf +（K2-λ）P按内流式计算的载荷系数为K1= d2²-d b²/d2²-d1²按外流式计算的载荷系数为K2= d b²-d1²/d2²-d1²（3）波纹管机械密封的端面比压：Pc=Ps+（K-λ）PPs---波纹管（或加弹簧）的弹簧比压d---轴直径d e ---波纹管有效直径d3----波纹管内径，md4----波纹管外径，m对于内流式 K= d4²-d e²/d2²-d1²对于外流式 K= d e²-d²/d2²-d1²（4）端面密封中各项参数的确定(详情见密封手册)：①弹簧比压Ps弹簧压力的主要作用是为了克服辅助密封的摩擦和动环的运动惯性，保持一定的密封面压力，使主机在启、停或介质压力波动时密封端面能紧密接合，使补偿环能追随端面的磨损沿轴向移动。

弹簧比压Ps的选择原则：a.弹簧比压应能保证密封低压操作、停车时的密封和克服密封圈与轴（轴套）的摩擦力。

b.辅助密封圈若采用橡胶材料，弹簧比压可低些；若采用聚四氟乙烯材料，弹簧比压应取的高些。

c.压力高、润滑性好的介质，弹簧比压可大些；反之应取小些。

②载荷系数K在结构设计中初步计算端面比压时，可根据介质压力和pv值、介质特性和摩擦副材料等按经验或通过实验选定K值，K值大小与介质黏度、温度、汽化压力有关，黏度低时取小值，但一般取K≥0.5，否则介质压力作用在密封端面上的轴向载荷过小，易使端面被液膜压力等推开而增大泄漏量。

③液膜反压系数λλ为密封面间的平均液膜压力与密封介质压力之比，λ值的大小不仅与密封端面尺寸有关，还与介质性质、转速、压力以及密封表面状态等有关。

④端面比压Pca.端面比压应始终为正值，且不能小于端面间液膜的反压力，使端面始终被压紧贴合；b.端面比压应大于因摩擦使端面间温度升高时的介质饱和蒸汽压，否则因介质蒸发而破坏端面间液膜，会造成干摩擦而加剧磨损；c.控制端面比压数值，使端面间液膜在泄漏量尽可能小的条件下，还能保持端面间的润滑作用；d.必须同时考虑到摩擦副线速度的影响，使PcV值小于材料允许值。

（5）几何参数的计算①密封端面宽度：初选时依据:b f=0.0025+0.022dd----轴径，m依据公式计算结果圆整后适合一般环，对于宽环应加0.015d，对于窄环应减0.015d。

最终应考虑密封面接触压力大小，与面积比一同确定。

②密封端面内径对于内外流平衡型密封：（见密封手册）对于非平衡型：d1=d+（1～5）③密封端面外径d2= d1+2b④软环端面凸台高度软环端面凸台高度e主要根据材料的强度、刚度和耐磨能力来确定。

参照《机械技术密封条件》。

端面内外径棱缘不允许倒角。

静环的内径与轴的间隙参照上表，动环则根据轴径的大小一般取0.5～1mm窄环常用软材料，宽环常用硬材料（软材料环的密封面宽度应比硬材料环窄）（6）pv值pv值是设计和使用机械密封的重要参数，计算时随着选取的压力基准不同，pv 值有不同的含义：①pv值是以被密封介质压力p与密封端面平均滑动速度v的乘积，仅仅反映密封处工艺条件下的工作参数极限（pv）值是指密封失效时达到的最高pv值许用[pv]值是极限（pv）值除以安全系数的数值②Pc V值是以密封端面比压Pc与密封端面平均滑动速度v的乘积，是机械密封实际工作时的性能参数。

极限（Pc V）值是指密封失效时达到的最高Pc V值许用[Pc V]值是极限（Pc V）值除以安全系数的数值，是密封设计时的重要依据。

若设计时计算的Pc V值大于[Pc V]值，则应调整结构参数，或改进摩擦副材料、改善润滑状况，或采取强化冲洗和冷却等措施。

4、摩擦功率机械密封的摩擦功率包括密封端面摩擦功率Pf和旋转组件对介质的搅拌功率Ps。

因后者比前者小得多，而且很难准确计算，通常仅计算密封端面摩擦功率Pf。

Pf=ƒπd m b Pc Vd m---密封端面平均直径，m，d m=（d1+d2）/2b----密封端面宽度，m，b=（d2-d1）/2v----密封面平均线速度，m/sn----转速，r/minƒ----端面摩擦因数三、机械密封结构设计：机械密封的设计步骤1、机械密封的设计步骤：（1）设计条件①使用轴封的机泵类型及轴封的部位②工作参数（温度、压力、转速、轴径等）③介质性质（密度、黏度、浓度等）④主机工作特点（连续运转、开停次数、周期、转向）⑤主机工作环境（室内、室外、环境温度等（2）对机械密封的要求①确定主机对密封的允许泄漏量、泄漏点、泄漏方向（内漏或外漏）要求等，保证生产安全可靠地运行。

②密封使用寿命，反映密封耐磨性、耐蚀性、耐温性和耐振性的综合结果，对石油化工企业，要求机泵轴封寿命长，保证工艺装置连续生产。

③可靠性和稳定性。

④主机对密封部分外廓尺寸和结构条件的限制。

⑤节省能耗与物料消耗。

⑥操作及生产工艺的稳定性。

⑦材料和价格。

2、机械密封的结构选型：（1）根据工作参数p、v、t选型①工作压力p（密封室内密封介质的压力）②周速v（密封面平均直径的圆周速度）③温度t（密封箱内密封介质温度）（2）根据介质性质选型（3）根据轴径选型3、机械密封的主要零件：摩擦副（密封副）、辅助密封、弹性元件、传动件、紧固件。

机械密封常用材料及选择1、密封副材料选择：（1）密封面软材料：石墨、树脂、铜合金（2）密封面硬材料：硬质合金、金属材料、工程陶瓷、新型陶瓷2、辅助密封材料及选择：弹性体、塑料、纤维、无机材料、金属3、弹簧和波纹管材料及选择：（1）弹簧材料：磷青铜、碳素弹簧钢、不锈钢（2）波纹管材料：金属、塑料、橡胶4、其他金属构件材料：不锈钢、铬钢四、机械密封辅助系统：冲洗、冷却、过滤、润滑五、液压、气动密封：1、概述：液压传动与气压传动都是以有压流体为工作介质，进行能量传递与控制的传动型式。

2、类型：根据被密封介质的不同：液压密封、气压密封根据密封材料的不同：金属密封、橡胶密封根据介质工作压力不同：高压密封、低压密封、真空密封根据密封偶合面间有无相对运动：静密封、动密封根据密封件的形状、型式：成型填料密封、胶密封、带密封、填料密封根据密封件在密封装置中所起的作用：辅助密封、主要密封3、工作介质：（1）液压传动常用工作介质：石油基液压液、难燃液压液（2）气压传动常用工作介质：空气（不含水蒸气的干空气）4、材料：（1）对密封材料的一般要求：致密性好，不易泄露介质，压缩性和回弹性好，高温下不软化不分解，低温下不硬化不脆裂，耐腐蚀，耐磨性好等。