机械密封的设计制造与研究设计

机械密封的设计制造与研究设计毕业设计论文机械密封的设计制造与研究摘要在现代的工业装置系统中，流体机械被广泛的使用着。

轴封在这些机械行业当中起到至关重要的作用。

轴封的泄漏不仅浪费能源和原料，同时污染环境。

本文在分析机械密封结构、工作原理的基础上讨论了高速机械密封的特点。

并以公司设计生产制造的32JF型高速机械密封为例，总结了机械密封设计的方法、机械密封的结构特性、密封的分类、机械密封系统的设计与介绍以及机械密封的故障分析与检测，主要参数及重要零件结构材料的选择、机械密封的选用等内容的设计与研究。

关键词:1.高速机械密封，2.故障分析与检测，3原理及结构特性，4.密封系统目录一、机械密封的介绍 (4)1、机械密封的含义及工作原理………………………………………………… (4)2、机械密封的分类………………………………………………… (5)3、机械密封系统…………………………………………………................... . (6)4、高速机械密封的特点………………………………………………… (6)二、高速机械密封的设计 (7)1、主要零件结构型式的确定………………………………………………３........ (7)1.1动环的结构型式 (7)1.2静环的结构型式 (8)1.3辅助密封圈的型式 (8)2、机械密封材料的确定 (9)2.1密封端面摩擦副材料的选择.................................................................... (9)2.2辅助密封圈材料的选择 (10)2.3弹簧及其它零件材料的选择.…………………………………………………….. ..103、主要零件结构尺寸的确定..... .............................................................. . (11)3.1密封端面尺寸的确定 (11)3.2密封端面直径的确定 (12)3.3密封圈尺寸的确定 (12)3.4弹簧的确４定 (13)4、主要参数的确定 (13)4.1弹簧比压的计算 (13)4.2端面比压的计算 (14)三、机械密封的失效分析与对策 (16)四、机械密封的现状与发展 (17)五、 32JF型高速机械密封 (18)尾声 (21)参考文献 (22)致谢 (23)一、机械密封的介绍1、机械密封的含义及工作原理机械密封是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。

它是靠弹性构件的弹力（如弹簧或波纹管，及弹簧组合构件）和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面（端面）上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴和，端面间维持一层极薄的液态膜而达到密封的目的。

这层液体膜具有流体５６动压力与静压力，起着润滑和平衡压力的作用。

43 5DBA `C10 98 7图1.1 机械密封结构原理1-弹簧座; 2-弹簧; 3-动环; 4-压盖;5-静环密封圈6-防转销; 7-静环; 8-动环密封圈; 9-轴;10-紧钉螺钉A、B、C、D-密封部位（通道）如图（1.1）旋转轴9旋转时，通过紧定螺钉10带动动环3旋转。

防转销6固定在静止的压盖4上，防止静环7转动。

当密封端面磨损时，动环3连同动环密封圈8在弹簧2推动下，沿轴向产生微小移动，所以被称为非补偿环。

通过不同的结构设计，补偿环可由动环承担，也可由静环承担。

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。

机械密封一般有四个密封部位（通道），如图（1.1）A、B、C、D。

A处为密封端面，又称主密封；B处为静环7与压盖4端面之间的密封；C处为动环3与轴（或轴套）9配合面之间的密封；因能随补偿环轴向移动并起密封作用，所以又称副密封；D处为压盖与泵壳端面之间的密封。

B、C、D三处是静止密封，一般不易泄漏；A处即为密封端面相对旋转密封，只要设计合理即可达到减少泄漏的目的。

上述密封基本结构是旋转式机械密封，他的补偿环组件处于高速旋转状态，但是高速情况下的圆柱螺旋弹簧会因离心力而失效，如此的运转过程中导致密封腔中液体温度升高，直至气化。

降低机械密封的效率，减少使用寿命。

所以在我们的日常生活中或是大型的机械设备中应采用静止式机械密封，它的结构和布置形式与旋转式的机械密封相反，但其作用完全与旋转式机械密封相同。

2、机械密封的分类本文为了方便识别和理解进行分类。

通过对机械密封的分类。

可以进一步了解其工作原理、结构特性和性能特点。

机械密封大致可按以下进行分类：７结构布置、端面比压大小、端面组合等。

1）按布置结构分为:（1）滑动与非滑动机械密封，滑动式机械密封的初始闭合力的力源一般是由弹簧提供的，补偿环借助辅助密封圈支承于轴或是轴套上；而非滑动机械密封是补偿环支承在波纹管式的辅助密封上，靠波纹管的伸长来实现补偿的机械密封。

二者之间在性能上有很大差异。

（2）旋转式与静止式机械密封，旋转式机械密封是补偿环随轴一起转动，静止式机械密封则是相反的。

（3）内装式与外装式机械密封，内装式机械密封指处于相对静止状态的密封环的端面面向主机工作腔的机械密封，而外装式机械密封则是相反的，静止密封环的端面背向主机工作的。

下面我只是简单的比较一下滑动式与非滑动式机械密封的性能，如表2-1所示：表2-1 滑动式与非滑动式机械密封性能比较2）按端面比压大小分为：接触式机械密封，主要是指密封端面相互接触，端面比压Pc＞0的机械密封。

８非接触式机械密封两密封端面不接触。

而其端面比压Pc的大小取决于载荷系数K值得大小。

只有接触式密封才有端面比压（Pc=Ps+P（K-λ））。

3）另外还有一些如：按端面组合分类和按初始闭合力源分类的，因其内容很简单，所以在这里略之。

3、机械密封系统密封系统的功能在于采用冲洗、循环、热对流等工作方式，控制机械密封的工况参数，即温度、压力、润滑、腐蚀、结晶等，以及防止危险介质正常泄漏对环境的污染。

在使用场合中，机械密封是由机械密封本身和机械密封循环系统两部分组成。

密封系统通过这些功能，建立一个较理想的机械密封的工作环境，可大大提高机械密封工作的可靠性，延长使用寿命。

一些高参数的机械密封出现，如耐高温耐强腐蚀的机械密封，就需要这些密封系统建立一个较理想的工作环境。

仅以温度控制功能为例，在常温下采用不同材料制造的密封环，若温度超出常温范围，就会因温度升高、热膨胀不同而影响使用性能。

密封系统的主要器件有：储罐、增压罐、换热器、过滤器、旋液分离器、孔板、节流套、循环套、泄漏指示器、管道、管件、以及控制仪表等。

4、高速机械密封的特点端面速度超过25m/s时使用的机械密封为高速机械密封.密封结构多采用多弹簧\静止式\平衡密封;高速时端面摩擦热多、PcV值高使端面液膜汽化。

因此设计时应注意：(1)加强对端面的润滑和冷却；(2)选用高[PcV]的端面材料；(3)尽量选用较小的端面压强；(4)选用静止式机封,尽量减少旋转零件，传动方式不９推荐用销子、键等，以减少不平衡力的影响；(5)旋转件应尽量采用平衡式或非接触式密封。

二、高速机械密封的设计设计机械密封时首先必须进行周密的调查研究，以获得设计条件及所需要的参数：1.主机的类型及需要密封的部位。

2.使用工况。

即介质压力、介质温度及轴的转速。

被密封介质的名称、成分及性质。

包括密度、粘度、汽化压力，是否有腐蚀性、悬浮颗粒等。

3.泄漏量的允许极限值。

4.轴的振动及偏摆情况。

5.密封部位的结构。

包括(轴或轴套)的尺寸，密封腔结构，密封腔内径及深度，密封压盖的装配尺寸和各表面的粗糙度。

6.辅助系统情况。

冷却水的温度，是否具备采取冲洗、冷却措施的条件，有无过滤装置等。

32JF的工作参数及密封的指标工作参数：性能指标：１０被密封的介质：丙稀、液化气泄漏量：10mm/h介质压力:0.10MPa 使用寿命：一年以上转数：7800r/min温度：常温轴径：32mm这样就可以根据已知的设计条件进行机械密封的如下设计：1、主要零件结构型式的确定确定各个零件结构型式之前首先应在了解机械密封的分类及适用范围的基础之上根据设计条件确定机械密封的基本结构。

如：确定单（双）端面、平衡（非平衡）型、内（外）装式、旋转（静止）型、单（多）弹簧结构等内容。

32JF根据高速泵的工况及第一章第四节中“高速机械密封的特点”确定为单端面、内装、静止式、平衡、多弹簧等基本结构内容。

1.1动环的结构型式动环可分为非补偿型和补偿型两种。

在静止型机械密封中，非补偿型动环，如32JF的动环紧固在轴上，并用轴套压紧，显然这种动环不能进行浮动。

补偿型动环广泛地应用于旋转型机械密封中。

密封端面磨损后，动环在弹性作用下自动补偿，动环和轴套的密封方式靠辅助密封圈实现。

目前动环在结构上差异很大，根据动环和轴套密封的方法可归纳为三类：辅助密封圈轴向安装的动环、辅助密封圈径向安装的动环和带波纹管的动环：辅助密封圈轴向安装的动环，靠弹簧力压紧密封圈来实现密封。

弹簧力可视为不变化密封可靠、使用寿命长、安装较方便，从而得到广泛应用；辅助密封径向安装的动环靠密封圈的过盈和弹性实现；第三种动环是指靠波纹管型密封，将动环和波纹管制成一个整体，故不需要动环密封圈。

1.2静环的结构型式静环安装在泵的壳体、压盖等静止部位上它与动环组成的密封端面防止介质泄漏，也有补偿环和非补偿环之分。

当补偿机构设计在动环一侧时，密封端面磨损后，静环不能进行补偿，叫做非补偿型静环。

反之称为补偿型静环如32JF中当密封端面磨损后，静环在弹性元件（弹簧）的作用下，做轴向移动进行补偿。

非补偿型静环应用较多,多用于旋转型密封。

静环与压盖的密封和固定方式有两种:一是浮动型，一是固定型，具体的结构很多。

这里只各举一例说明结构，如图2.1所示:a b图2.1 静环的结构型式a为浮动型静环,b为固定型静环1.3辅助密封圈的结构型式动环和轴（轴套）以及静环和压盖之间的密封靠辅助密封圈来实现。

他们基本上属于静密封，当密封端面和轴中心线不垂直时，动环沿轴有很小的轴向运动，其位移量取决于密封端面和轴中心线的垂直误差、运动的次数和轴转速等。

密封圈的种类很多从断面形状分类有圆形、方形、V形、及包覆形密封圈(如图2.2所示)。

a b c d e图2.2 密封圈的种类a圆形;b V形;c方形;d包覆形32JF使用的是O形圈，O形圈设计、制造简单，安装使用方便。

工作可靠，具有自封作用。

但介质含颗粒时，颗粒会在O形圈处堆积，防碍轴向浮动。

2、机械密封材料的确定2.1密封端面摩擦副材料的选择目前用做密封摩擦副材料的种类很多。

常用的非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯、酚醛塑料、陶瓷等。

常用的金属材料有：铸铁、碳钢、铬钢、铬镍钢、青铜以及硬质合金等。

此外还有通过堆焊、烧结、喷涂等表面处理及复合工艺改变或改善金属材料或摩擦副表面性能来做摩擦副材料的。