密封

机械密封(mechanical seal)是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。

弹力加载机构与辅助密封是金属性纹管的机械密封我们称为金属波纹管密封。

在轻型密封中，还有使用橡胶波纹管作辅助密封的，橡胶波纹管弹力有限，一般需要辅以弹簧来满足加载弹力。

“机械密封”通常被人们简称为“机封”。

机械密封是一种旋转机械的轴封装置。

比如离心泵、离心机、反应釜和压缩机等设备。

由于传动轴贯穿在设备内外，这样，轴与设备之间存在一个圆周间隙，设备中的介质通过该间隙向外泄漏，如果设备内压力低于大气压，则空气向设备内泄漏，因此必须有一个阻止泄漏的轴封装置。

轴封的种类很多，由于机械密封具有泄漏量少和寿命长等优点，所以世界上机械密封是在这些设备最主要的轴密封方式。

机械密封又叫端面密封，在国家有关标准中是这样定义的：“由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。

”主要部件动环和静环。

辅助密封件密封圈（有O形、X形、U型、楔形、矩形柔性石墨、PTFE包覆橡胶O圈等）。

弹力补偿机构弹簧、推环。

弹簧座及键或各种螺钉。

分类分为单端面、双端面；平衡型、非平衡型；任意旋向、固定旋向……原理概述机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。

称为补偿环或非补偿环。

轴封箱密封环是动环和静环的总称(下同)，是构成机械密封最主要的元件。

密封环在很大程度上决定了机械密封的使用性能和寿命，因此，对它提出了一些要求。

有足够的强度和刚度在工作条件下(如压力、温度和滑动速度等)不损坏，变形应尽量的小，工作条件波动时仍能保持密封性。

尤其是密封端面要有足够的强度以及一定的耐腐蚀能力，以保证产品有满意的使用寿命。

有良好的耐热冲击能力为此，要求材料有较高的导热系数和较小的线膨胀系数，承受热冲击时不至于开裂。

较小的摩擦系数密封环匹配应有较小的摩擦系数。

良好的自润滑性工作中如发生短时间的干摩擦，不损伤密封端面。

因此，密封环要有良好的自润滑性，密封环材料与密封流体还要有很好的浸润性。

结构简单密封环结构应力求简单对称，优先考虑用整体型结构，也可采用组合式(如镶装式)密封环，尽量避免用密封端面喷涂式结构。

密封环要容易加工制造安装和维修要方便，价格要低廉。

E. Mayer [S狱为，普通机械密封的端面一般处于边界摩擦状态，解释了在较大接触应力下，软质摩擦副无论在高粘度或低粘度介质中以不同转速运转时仍具有较长使用寿命的原因。

他基于边界摩擦学说提出了流体交换流动理论。

一般机械密封端面会因其表面微凸体的接触而温度升高，或由其他原因发生干摩擦。

干摩擦产生较大的摩擦热，从而使接触区附近产生很大的热应力，造成热裂。

虽然热应力是压缩应力，但因接触运动而使热应力释放，在表面形成残余拉应力，出现较浅的表面裂纹，这就是干摩擦的热裂理论。

Golubiev [6}对此进行了研究，认为热裂主要是由于环内切向应力过大导致密封面出现细微的径向裂纹。

Nau[}]研究表明，目前工程应用中的机械密封大都处于流体动力摩擦工况，并且探讨了有些密封在低摩擦条件下的运行机理。

然而Lebeck[g】的试验研究则表明，在水润滑条件下的普通机械密封中并不能形成足够的流体动压承载能力，认为可能存在平行滑动中的流体动压承载机理。

A.H戈卢别夫应用传热学和流体动力学分析流体膜动压，认为流体动压是由两端面中的其中一个端面局部变形产生的，提出了混合摩擦理论。

Summers-smith等[[9]应用试验的方法验证了在一定条件下，端面运转工作状态不能处于分离状态，而是处于混合摩擦状态。

Lebeck[g}也认为端面间载荷由流体膜压力和接触压力共同承担，并建立推导出平行平面的混合摩擦模型。

他通过分析研究众多研究学者关于机械端面平行平面滑动的大量试验数据，得出了平行平面滑动中流体膜也具有一定的流体动压效应，能够产生有效承载能力的结果。

因而对于普通机械密封，大多数人所接受的为混合摩擦学说，即机械密封正常工作状态为混合摩擦，在开、停车会出现干摩擦，在润滑性良好的工况可能会出现边界摩擦。

但对此也尚无定论，需要进一步研究。

顾永泉等[}o}研究了机械密封端面摩擦和润滑问题，认为机械密封的摩擦状态主要取决于密封端面结构参数，当在流体摩擦状态时，随着流体粘度的增大，液体润滑膜变薄，泄漏量减小。

杨惠霞等f川提出了同时考虑机械密封端面的环向波度、径向锥度和表面粗糙度作用的二维混合摩擦模型。

模型中微凸体的接触承载方式为弹性变形模型。

1998年提出了考虑微凸体塑性变形的接触式机械密封的二维混合摩擦模型[m。

常用的机械密封的密封环墓本为硬环和软环配对使用，因此该模型更接近实际_卜况。

葛培琪等[13]根据弹性固体接触模型，提出了机械密封混合摩擦模型，并运用该模型进行实例一计算。

计算结果表明:机械密封端而压力分布呈凸抛物线状，增加密封端面锥度可降低摩擦系数。

刘;刃川建、)_了机械密封流体动从效应的一维‘:{!’诺方程，井得全}J以卜结沦:ee}动从产‘胜的流体膜月、力’、转速、流体脱}v;度、衍封环端liii倾斜角I以及膜厚一人小有}'1.接关系，【司时还Vii) }究了端}(I I流体动几对密封性能的彩响。

多利‘机械密封理论的提{匕，部分揭示了机械密封机理，进而促进J勺L械密封技术的进步。

了旦是在狄小的密封端面界面中存在着摩擦、磨损、变形、流体流动、lice蚀等许多夏杂的物理和化学过程，想要全面真实地反映各种因素的影n}i;}和相FI之间的影响还有待r进一步研究。

1.3.1机械密封性能的主要参数综合国内外的研究现状，机械密封性能参数主要有以下几项〔9，’‘).”’:1)泄漏量，指单位时间内从密封端面泄漏的被密封介质体积。

泄漏量的大小可直接反映机械密封效果的优劣。

通常密封装置的实际泄漏量超过理论计算的250倍时，密封装置的工作肯定不正常。

2)摩擦功和PV值一P}V, P}V, PhV值，分别表示密封介质压力、端面比载荷、端面接触比压与端面平均圆周速度的乘积。

摩擦功和PV值可反映密封环的工作负荷。

3)端面温升，指密封端面温度与密封介质或环境温度之差。

过高的端面温升会引起密封端面间液膜的汽化，导致密封系统的振动甚至开启失效，因此端面温升大小直接影响密封系统安全性。

4)冲洗量，指单位时间内进出密封系统的冷却液的流量。

冲洗量越大，进出冷却液的温差越大，对密封系统的冷却效果就越好。

5)摩擦系数f，包括流体摩擦系数和固体接触摩擦系数。

它的大小可反映密封端面的摩擦状况，同时还可与PV值和转速等一起决定摩擦功，因此摩擦系数是一项工况指标。

6)磨损率，指单位时间内密封端面的磨损量。

它可粗略反映机械密封环使用寿命。

以上所列参数虽然比较粗略、零散，而且还保留许多试验研究痕迹，并不一定都适合深入的理论研究，但提供了良好的切入点和参考。

目前在机械密封技术的理论研究上，国内外已逐渐形成了以变形和温度场分析为基础，祸合分析为前沿的研究状况，可计算的主要参数有端面的变形、间隙、接触压力、应力、温度和对流换热系数等。

以下就各方面的研究状况作分别介绍。

本文所研究的涉及动力学问题的密封环系统主要包括动环、静环、弹簧、O形圈以及位于动静环之间的流体液膜。

其中动环与主轴同步转动，静环通过背部的弹簧始终保持与动环贴合的趋势，在角向和轴向都可产生微量的移动，在稳定工作时，两个密封环之间隔着一层极薄的流体静压液膜。

由于动环通过基座与主轴固定在一起，所以只需对浮动的静环进行相关动力学分析，如图2. 1所示，在密封系统正常作业时，静环只受到端面液膜、弹簧和O形圈以及和密封介质的作用力，若暂时忽略O形圈的影响，则液膜压力作为开启力，与弹簧力和介质压力组成的闭合力相平衡。

其中，由于液膜的刚度和阻尼都比较大，故其所产生的力和力矩对静环的影响较为明显。

由于加工制造的误差不可避免，使得动环在安装之后，其中心线与主轴的回转中心存在角向的摆动的偏差，该偏差在密封系统正常运转中会通过液膜对静环产生一定的周期性的回转力矩[[4]在工作状态时，往密封液输入孔输入一定压力的密封液后，密封液会注入动环和静环之间，由于密封环的形状采用的是径向收敛坡度型，会使密封液从外径的进口流向内径的出口时，在密封环间隙进出口压差的作用下形成具有静压效应的压力膜，阻止被密封介质溢出。

O形密封圈虽然刚度和阻尼较小，但与弹簧共同组成一个具有弹性的系统，若二者能与端面间的液膜达成较好的刚度匹配，就会使静环的大跳动发生在O形密封圈和弹簧处，从而维持液膜厚度[}s}温情封：硬质合金材料：机械密封是一种依靠弹性元件对静、动环端而密封副预紧，依靠介质压力与弹性元件压力达到轴向平衡，从而实现轴向端而密封的装置。

图1所示为常见的1种机械密封装置结构图[’]。

密封部位中动环与静环的端而作相对滑动，其接触而由于热、化学、物理及机械的综合作用，最容易发生泄漏甚至破坏。

密封环的工作状况决定了机械密封的使用性能和寿命，而密封环材料的性能直接影响密封环的工作状况。

因此，了解机械密封对密封材料性能的要求，选择合适的密封材料是保证机械密封安全运行的关键[2-4] 为了保证机械密封装置中的密封环正常运转，从减磨、耐腐蚀和防止咬合等方而考虑，密封环通常配置成一对硬度不同的硬环和软环。

由于在工作过程中，密封环在启停或工况发生波动时密封端而间会发生接触而产生摩擦，因此需要密封硬环材料有足够的强度、刚度、耐磨性和导热性能。

摩擦和流体剪切作用会使的密封环处于较高的温度中，因此要求密封材料具有良好的导热性、耐热性和耐热冲击能力。

为保证工作寿命，还要求密封环具有良好的耐腐蚀性能。

此外，硬环还应具有良好的成形和加工性能、低密度和低渗透性及良好的自润滑性。

任何一种材料都难以完全满足上述全部要求，通常根据使用环境，提出密封材料的主要性能要求，据此选择合适的材料fs-}l在硬质合金领域开展了减钻、代钻的研究。

由于镍在元素周期表中与钻近邻，密度、熔点和原子半径都比较接近，能润湿并很好地支撑硬质相，且比钻的放射性低，因此是减钻代钻的常用元素[f}lWC-Ni和WC-Co系硬质合金在烧结过程中的特点是类似的。

由于Ni和Co对硬质相的粘结强化程度不同，从而使WC-Ni在某些性能上略低于WC-Co硬质合金。

通过添加少量金属元素强化粘结相，选用低碳细颗粒WC以及采用真空烧结工艺等可获得具有较低孔隙度和均匀细小晶粒结构的W C-Ni硬质合金组织，且其硬度、抗弯强度和摩擦学性能指标可达到或超过WC-Co系硬质合金的性能指标，同时，其耐腐蚀性能也大大提高。