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=λp

Pm -------端面上平均液膜静压力，Pa

λ----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）/h3

əp/ 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，Pa

A-----密封环带面积，m²

d2、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，Pa

Ae---介质压力作用于补偿环上的有效载荷面积，m²

d 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，m

Fs、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=λpA

R----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）Pf

Pf-----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）P

Ps---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，m

d4----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λ

λ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Pc

a.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+0.022d

d----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。