工程硕士学位论文-热应力变形对机械密封性能影响的数值分析及研究.doc

学校代号 10731 学 号 0220030210 分 类 号 TH452 密 级 公开 工程硕士学位论文热应力变形对机械密封性能影响的数值分析及研究学位申请人姓名 培 养 单 位 机电工程学院 导师姓名及职称 学 科 专 业 机械工程 研 究 方 向 先进制造技术 论文提交日期 2006年09月16 日 学校代号：10731学号：0220030210密级：公开兰州理工大学工程硕士学位论文热应力变形对机械密封性能影响的数值分析及研究学位申请人姓名： 李超前 导师姓名及职称： 谢黎明 副教授 培养单位： 机电工程学院 专业名称： 机械工程 论文提交日期： 2006年09月16日 论文答辩日期： 2006年11月27日 答辩委员会主席： -The Numerical Analysis and Research on the Mechanical Sealing Properties influenced by Thermal Stresses Transform byLI ChaoqianB.E.(Shandong University of Technology)1990 A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of Sciencein Mechanical Engineeringin the Graduate SchoolofLanzhou University of TechnologySupervisorProfessor Xie Li MingOctober,2006兰 州 理 工 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 本课题研究的背景及意义11.2问题的提出21.3国内外研究状况21.3.1 机械密封性能的主要参数21.3.2机械密封环热变形研究现状31.3.3机械密封环温度场研究现状- 41.4机械密封环热变形研究现状51.5本文的主要内容、关键技术问题和方法第2章 机械密封的结构原理密封环的变形问题72.1 机械密封的结构与工作原理72.1.1机械密封的结构72.1.2机械密封的基本原理82.1.3机械密封的特点和技术指标92.2机械密封的变形问题102.2.1密封环的力变形和热变形102.2.2密封环变形对密封性能的影响10第3章 密封环的结构分析123.1 密封环的结构分析基本理论.123.2 轴对称的弹性力学基本方程123.3 密封环的结构分析方法143.3.1 密封环结构分析的基本要求.143.3.2 密封环结构分析的建模前提.143.3.3 密封环结构分析的已知条件.14 3.4密封环的整体接触分析法.153.4.1密封端面的接触理论及分析思路153.4.2接触类型和接触方式的选择163.4.3整体接触分析的建模.163.4.4整体接触分析法的计算结果分析173.4.5密封端面力平衡的校核22 3.5本章小结22第4章 机械密封副的温度、应力数值模拟分析244.1 建立计算模型.244.2密封环热边界条件的确定274.2.1 材料热物理性参数.274.2.2 对流换热系数的计算.284.3热应力场模型的建立304.4 热应力场的数值模拟结果及分析.314.4.1 温度场的分布314.4.2热应力场的分布荷.34第5章 机械密封性能优化方法365.1密封环的结构优化365.1.1密封环结构优化的基本原则365.1.2密封环结构优化的方法365.1.3密封环结构优化的优化计算395.2密封环的环境优化425.2.1内侧冲洗对密封环性能的改善425.2.2内侧冲洗对密封环性能的改善极限435.3本章小结44结论45参考文献48致谢51附录A（攻读研究生期间所发表的论文及研究成果）52 摘 要在机械密封装置中，机械密封动静环接触面上的摩擦热容易造成干摩擦或产生较大的温度梯度，从而使密封环内产生过大的热应力并出现热裂纹。本文针对机械密封环的温度场进行了研究，建立了密封动静环的轴对称模型并对其传热规律进行了探讨。首先基于有限元模型，将机械密封动静环简化为两个独立的轴对称模型，用有限单元法求解其稳态、瞬态温度场及热应力场的数值结果。介绍了用轴对称问题的有限单元法求解温度场及应力场的具体过程，并指出了在计算中需要注意的问题。给出了密封动静环的温度场分布和热应力分布规律。同时给出了密封动静环在系统启动阶段，密封端面上某点不同时刻的温度、应力分布图，得到系统达到稳态所需要的时间。在重载条件下机械密封端面容易出现局部高温和高应力，严重影响密封装置整体性能。由于传统理论计算密封性能参数的精度有限，因此迫切需要一套科学系统的机械密封性能计算模型。本文基于ANSYS软件平台，综合国内外在机械密封性能理论研究的新成果，从结构静态、热结构耦合稳态和瞬态三个角度建立了计算机械密封性能的有限元新模型，并进行了密封性能优化研究。 经过计算与测试表明，影响密封环温度场、应力场的主要因素:材料的导热性能、密封环所处的工作状态(PcV),密封环的结构以及密封环与介质之间的对流换热系数等，为实现机械密封端面温度等热信息提取的状态监测和控制提供依据。在密封性能优化方面，从接触均匀性和内接触类型两角度，借助ANSYS的优化模块进行了静环端面轴向伸出长度的优化运算，优化结果可在保证内接触条件下提高接触均匀性;针对密封端面局部温升问题，分析了适当冲洗和冲洗极限对密封端面性能影响，结果表明适当冲洗可显著提高密封性能，冲洗极限还可大幅提高密封性能，但目前远不能达到。关键词:机械密封，温度场，应力场，有限元法，密封性能优化 ABSTRACT For mechanical seals equipment, the friction heat between mechanical seal rings may result in dry friction or a bigger temperature gradient which should produce greater thermal stresses and even hot crack. .In this paper, the mechanical seal rings temperature has been computed in terms of FEM. Firstly, seal ring can be simplified as two axisymmetric indepen-dent models, and thefinite element method is used to solve the problem of the temperature field and stress field of seal ring. After building up the physical model of the ring, the axisym-metric finite element formulas has been derived, and thermal boundary conditions has also been given. The distribution of the temperature field and the stress field of seal rings has been given by means of finite element analysis. Using the numerical analysis of transient temperature field to get the variation curve of the temperature and stress with the time during thestart-up and obtain the time until the system reaches a steady state. Based on ANSYS software and combined with the theory trends on mechanical sealing performance, model of analyzing sealing performance from three the systematic finite element transient state had been set up in this paper, and the respects- static，stable and optimize studying was done further.Through the calculation and testing, the major factors influencing the temperature field and stress field of seal ring are as follows; the materials thermal conductivity, the working state of the system, the structure of the seal ring and the convective heat-transfer coefficient between the ring and liquid, etc. The above-mentioned thermal parameters can provide the basis for mechanical seals monitoring and control. Optimize respect in sealing property, the optimization on the length of stator face along axis direction was done through the optimization module of ANSYS and from contact pressure and contact type. The optimization result can reduce the maximal contact pressure under the condition of contacting in the internal diameter of seal face. As for the local temperature rising, the influence of washing properly and washing limit on sealing performance was analyzed, the result indicated that washing properly can impxove the sealing performance notably, washing limit can also improve the sealing performance by a large margin, but washing limit was widely out of reach.KEY WORDS：mechanical seal, temperature field, stress field, finite element method optimization of sealing performanceI工程硕士学位论文 第1章 绪论1.1 本课题研究的背景及意义众所周知，机械密封是目前旋转轴密封常用的一种形式1，是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件。它对整台机械设备、成套设备，甚至对整个工厂的安全生产影响都很大，特别是在石油化工企业中，对保证设备运转可靠，装置连续生产具有重大意义。由于机械端面密封有着工作可靠、泄漏量少、使用寿命长、适用范围广等优点，故在工业中获得了广泛的应用，尤其是在石油化工机泵中应用最广，在炼油工艺装置中85%以上机泵使用了机械密封。此外，机械密封在许多高压、高温、高速、易燃、易爆和腐蚀性介质等工况下也取得了较好的使用效果。机械密封2大约于1885年首先在英国申请专利，用以解决困难的密封问题。本世纪初，冷冻机和内燃机水泵上先应用了机械密封。二战中，美国把机械密封用于化工泵和海军、空军的机器设备中。二战后，石油化工的发展及材料方面的技术进步、加上技术的提高，使机械密封技术得到了发展。1956年在结构上出现了平衡型密封专利。随着原子能、宇航和核电等工业发展提出的特殊要求，又出现了流体动压密封和流体静压密封，螺旋机械密封组合和浮环机械密封组合等新结构。随着工业发展对密封技术提出日益高的要求，以及机械制造和材料方面的技术进步，促进了机械密封结构上的改进和原理上的创新，使机械密封参数不断提高，机械密封技术的发展呈现如下特点3.4 :（1）技术不断创新新技术、新概念、新产品、新材料、新工艺和新标准不断涌现:高参数(如高压、高速、高温、大直径)、高性能和高水平的密封产品大量研制;失效机理(如炮疤、热裂、空化气蚀、橡胶及密封圈泡胀和老化)、失效分析(如：可靠性和概率)和失效监控(如流体膜、摩擦状态和相态)的研究得到普遍重视和实际应用。（2）使用范围不断扩大机械密封不仅机泵阀采用，而且工艺设备(如反应釜、转盘塔、搅拌机、离心机等)都采用。（3）发展要求重视密封系统过去只重视单独密封件，现在己经发展到重视整个密封系统，而且己制订了新的密封系统标准(API682“离心泵和转子泵的轴封系统”标准)（4）注意安全和环境保护过去只注意眼睛可视的“泄漏”，不注意眼睛看不见的易挥发物的“溢出”:现在发展到要求控制易挥发物的溢出量，也就是说从要求“零泄漏”到要求“零溢出”。美国摩擦学家和润滑上程师学会(简称STLE摩擦学会)己制订了SP-30等易挥发物溢出量控制规定的指南。（5）要求不断提高在石油化工方面，为了延长工艺装置的检修周期和装置的操作周期，要求机械密封的工作寿命由1年延长到2年，国外由2年延长到3年（API682作了明确规定）。（6）研制产品要求实用化不仅要求研制出新产品，更重要的是使所研制产品得到实际应用。1.2问题的提出虽然相对于径向压紧式密封，机械密封具有显著优点，但随着密封负荷的升高和密封尺寸的增大，机械密封的性能迅速恶化，主要表现密封端面的变形和温度相互影响和促进，形成为端面的局部高负荷区。由于机械密封是一项以试验为基础的技术，密封性能最终需要根据具体试验来验证。而对密封设计的每一个环节和因素都进行试验既不经济，又可能有一定的危险，甚至还无法实现。试验的不足无形向理论研究提出了迫切需求，同时也为理论研究开创了广阔的发展空间5。通过建立系统的机械密封模型，并对各影响因素进行综合分析，就能找出影响密封寿命和可靠性的根本原因，准确预测密封性能，并提出一系列改进措施，从而正确指导试验，提升试验结果的价值。随着近年来理论研究的工程效益不断提高，同时计算机技术的飞速发展、高效率分析软件的出现为理论研究的深入提供了便捷的数学工具，从而理论研究倍受关注，并逐渐成为提升机械密封技术水平的主要途径。1.3国内外研究现状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6:1)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 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，国内外己逐渐形成了以变形和温度场分析为基础，藕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。1.3.2机械密封环变形研究现状机械密封环的内外侧压差是导致密封端面变形的一个重要因素，而随着机械密封技术向高压、高速、高温和大直径等方向发展，机械密封环的变形问题就尤为突出。导致变形的原因有两方面:机械和热7。目前被普遍认同的端面变形形状为锥形8。密封端面一旦产生锥形变形，将导致泄漏量增加，端面局部应力集中，以致局部过度磨损和高温，影响整个端面的密封性能9。为尽量减小锥形变形，需要通过理论分析来了解并掌握其中的规律。目前变形理论分析方法主要分为解析法和数值计算法两种。1.变形的解析求解法迈尔根据圆环理论从力和温度角度提出了将各变形分量叠加的计算方法10，为变形的解析求解奠定了理论基础，张宝忠和洪先志等人做了进一步研究工作。张宝忠等从轴对称变形和材料力学的理论出发，提出了将力矩变形、径向力变形和由轴、径向温度梯度产生的变形这四个量进行叠加来计算总变形的方法:由于是建立在皮采诺环形零件轴对称变形理论基础上，该方法只能计算单一矩形截面，忽略了环本身的伸缩和弯曲，因此计算的变形值较实际偏大。洪先志11等应用壳体力矩理论，同时将环截面分成若干部分(矩形或三角形)，考虑各部分结合处转角和位移的变形协调性，建立了四阶线性齐次微分方程和变形协调方程，可直接计算稍复杂断面形状的机械密封，从而将解析解的水平提升到很高层次。目前解析法的主要优点在于计算量小，但由于解析法的理论前提比较理想，不适合作复杂模型的运算。2.变形的数值计算法变形数值计算法有边界元法和有限元法等，T. G. Doubt采用边界元法建立了机械密封变形计算模型12，并编制了相应的程序，但边界元法在处理边界很复杂。由于有限元法原理相对简单，且有限元方面的应用软件很多，如ANSYSMRC, ABAQUS, FEMLAB等，因此采用有限元法进行分析变形的研究较多，而且基于有限元软件平台求解机械密封变形己逐渐成为研究的主流。党建军13，和陈利海14建立的机械密封环轴对称有限元模型综合了平衡方程、几何方程、物理方程和虚功方程，并采用三角形环形单元进行了离散，形成了相对完整的机械密封环变形有限元分析理论体系。与此同时，陈利海还在系统方程中纳入了由温度变化引起的等效节点载荷，实现了简单的热变形计算。朱汉华建立了机械密封端面的机械变形方程，为深入进行泄漏量计算和密封结构改进奠定了理论基础15。李鲲16等则建立了在密封端面上引入虚拟“杆元”的变形分析有限元模型，模型的新颖之处在于两点:1)提出了将两密封环合为一体研究的总思路;2)巧妙利用虚拟“杆元”的受压或受拉来判断密封端面的接触与分离。由于有以上两点，变形分析模型就很接近机械密封环的实际工况。不过由于对摩擦热分布进行了简化处理，因此热变形分析部分计算精度不高。变形的数值计算研究现状说明，有限元法的变形分析不受密封环截面形状复杂程度的限制，并可部分模拟机械密封环实际工况，应用和发展潜力很大。1.3.3机械密封环的温度场研究现状 机械密封环端面的贴合摩擦将引起端面高温，加剧端面磨损、烧伤、热裂以及端面液膜的汽化倾向;这些因素一旦累积，将诱导密封装置迅速失效。从保证机械密封装置长期可靠运转的角度出发，需要对端面温升规律进行理论分析，以便采取有效的温控措施。和变形分析类似，目前的温度场分析也主要分为解析方法和数值法。1.温度场的解析法计算早期，温度场分析主要局限于端面平均温度的计算，国外学者很早就从不同角度进行了相关的理论研究，主要的研究理论成果有17格鲁别也夫法，根据密封副材料的导热性优劣采用不同的导热计算公式;迈尔方法，仅考虑摩擦热沿环轴向导出;萨墨一史密斯法，采用肋片一端给热的摩擦热导出模型;布克方法，也采用一端对流导热模型，但根据截面形状和热载荷分布状况的不同分成了三类情况，将可计算的截面形状由矩形扩展到L形或复杂形状，同时布克方法还引入了传热效率一量，使模型的实用性提高。在一端对流导热肋片模型的基础上，顾永泉采用修正系数和密封结构、工况等因素结合确定对流换热系数，从而在一定程度上提高了求解的准确程度，可用作方案比较和现场分析。彭旭东考虑对流换热和导热，提出机械密封端面平均温度的一种简单电算方法。 为体现端面各径向位置温度差异，李克永18和李红19采用分离变量法求解温度场控制微分方程，建立了机械密封环稳态温度场模型，但只适合密封环截面为矩形的温度场计算。Pascovicitz20等人用解析法推导了端面温度分布的计算式，由于在推导过程中应用了附加条件，计算准确性不高。2.温度场的数值求解随着密封装置工作负荷的增加，端面的热弹性问题突出，导致即便在很窄的密封端面上各径向位置的很大温差。从而提出了对机械密封环的整个温度场进行精确分析的需要，目前采用的主要手段为有限元法。在机械密封环温度场的数值求解上主要有两种思路:独立计算和整体分析。山东大学陈建辉21建立的机械密封环稳态温度场有限元计算模型就是采取独立计算的思路，由于是对密封环单独建模，因此涉及计算两密封环端面的热量分配问题。对于这一问题，程建辉根据两环端面温度一致的原则，提出了折半查找热量分配系数的解决方法。陈文毅22法金元23和王胜军24等将两密封环连成一体，并根据变分法原理建立了建模3节点单元的有限元整体分析模型，避免了热量分配比的问题。在温度场研究的具体技术问题上，摩擦热载荷的分配成为最大的焦点。目前学术界主要有三种解决方法:1)按照两密封环端面的温度一致原则来调节热量分配比，如陈建辉提出的折半查找热量分配系数的方案;2)是根据密封环的材料参数直接计算热量分配比25;3)根据两密封环端面的接触状况来确定是否祸合两对应节点的温度自由度，通过端面的温度关系实现热量的局部自动分配26。3.温度场中关键参数计算 在温度场分析中，关键参数有对流换热系数和摩擦系数。目前确定对流换热系数有解析解和数值解两种方法:解析解即根据经验公式计算对流换热系数，常用算法为根据静环与动环内外侧流场的不同分别计算对流换热系数，彭旭东、宋亚东、王胜军等人均有详细介绍;数值法通常通过建立有限元模型计算对流换热系数。较典型代表为丁群提出的在ANSYS软件FLUENT模块中进行热场与流场藕合分析的方法27，该方法可求出密封环边界各节点对流换热系数。在摩擦系数计算方面，李宝彦等介绍了根据密封准数计算摩擦系数方法28，使用范围仅限于流体摩擦;顾永泉综合了相对全面的摩擦系数计算法:分析计算法、加权平均法和经验数据法，并给出了各方法的计算示例29，葛培琪等基于混合摩擦理论，提出了根据密封端面液膜剪切力精确计算摩擦系数方法30。总体而言，由于摩擦系数的影响因素很多，尚没有系统计算摩擦系数模型。1.4研究的目的和意义国内外研究现状表明:在国外，变形和温度场分析理论基础已经奠定，现已主要关注于藕合理论研究，并与试验紧密结合，理论研究成果的实用性很强;在国内，仍主要集中于变形和温度场的求解，对于耦合分析则研究甚少，因而研究理论大多不能解决日益复杂的实际问题。要摆脱机械密封技术的落后，深入理论研究很有必要，系统耦合分析则可作为关键的切入点。 就理论研究本身而言，通过对机械密封装置进行系统的耦合分析，一方面可以弥补国内在耦合理论研究上的不足，另一方面还可以与国际上的研究主流接轨，以便更好地借鉴国外的先进研究思想和理论。从工程意义上讲，系统的藕合分析将有助于全面掌握各因素对机械密封性能的影响程度大小，便于提出相关的改进措施，以提高机械密封装置的密封性能。1.5本论文研究的主要内容、关键技术问题和方法本论文研究的主要内容、关键技术和方法如下:1、主要研究内容1)首先建立机械密封环的结构力学分析模型，求解密封端面压力分布和力变形锥度，并分析产生锥度的主要原因。2)建立机械密封环热应力场模型，采用有限元的方法，计算密封动静环的应力分布规律。3)对机械密封装置进行分析，分析其在加载和减载工况下密封端面的温度，压力和变形随时间变化的特性。4)对热应力分析模型进行研究，找出影响机械密封性能的关键因素，并进行优化。2.关键技术问题1)确定密封环两侧流场的对流换热系数，密封端面间摩擦热的加载方式，两密封环端面对应位置的温度关系。2)计算密封动静环的应力分布规律; 3)确定参数优化的基本原则和目标。3.主要研究方法1)选用ANSYS软件。国内外研究现状表明，机械密封性能的准确计算需要借助一定的软件平台。鉴于目前有限元软件在系统建模中的主导地位和ANSYS软件在有限元分析中的专业性和具备强大的多物理场藕合分析功能，因此选用ANSYS作为机械密封性能计算的软件平台。2)整体接触分析法。将机械密封装置作为一个整体进行建模，并在两密封环的密封端面上定义接触单元，以模拟两密封端面的相互热力作用。3)摩擦热载荷的自动计算、分配和收敛。根据密封端面接触压力计算摩擦热，采用APDL函数形式添加载荷，依据接触面温度连续性条件并应用藕合接触节点温度自由度和在密封端面定义大接触导热系数两种基本等效方法实现摩擦热的分配，通过摩擦热载荷的循环替代计算实现热载荷精度的提高。第2章 机械密封结构原理和密封环的变形2.1机械密封的结构与工作原理2.1.1机械密封的结构旋转机械的密封界面有两种形式，如图2-1所示。从图2-1（1）可见，通过在两个径向相对的圆柱体表面之间的径向密封，泄漏在这两个表面之间流过，这种密封结构称为径向密封;图2-1 （2）可见，通过由两个轴向相对平面形表面形成地轴向密封，泄漏出现在这两个端面之间，这种密封称为轴向密封，又称为机械密封。机械密封克服了径向密封因为使用速度和压力提高，由于大面积接触容易引发过热和反复拆装等因素容易引发密封失效的缺点，得到迅速发展。机械密封的典型结构见图2-2。 图2-1径向密封和机械密封的原理 图2-2机械密封的典型结构图中:1静环 2动环 3传动销 4弹簧 5弹簧座 6固定螺钉 7转轴 8传动螺钉 9推环 10 O型密封圈 11防转销由图2-2可知，机械密封是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧从而达到密封的轴向端面密封装置，因而又称为端面密封。2.1.2机械密封基本原理从图2-2中可见，构成机械密封的基本元件有:端面密封副(静环1、动环2)、弹性元件(比如弹簧4)、辅助密封件(如O形密封圈10)、传动件(如传动销8和传动弹簧)、防转件(如防转销11)和紧固件(如弹簧座5、推环9,压盖、固定螺钉6和转轴7。机械密封组成基本元件对于实现密封具有不同的作用和不同的要求:1、端面密封副(动环、静环)端面密封副的作用是通过密封面紧密贴合，防止介质泄漏。它要求静、动环具有良好的耐磨性，动环在轴向可以灵活的移动，自动补偿密封面的磨损，保持与静环之间良好的结合:静环具有浮动性，起缓冲作用。为此，必须保证密封面具有良好的加工质量，提高密封副之间的贴合性能。密封面之一通常采用碳石墨材料，这种较软的端面较窄，称为鼻端，更硬更宽的端面称为座面，使用的材料是金属、陶瓷或者金属陶瓷制成。2、弹性元件(可能是弹簧、波纹管或者隔膜之一)它主要起预紧、补偿和缓冲作用，要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦和动环的惯性，保证端面密封副良好的贴合以及动环的追随性。材料要求耐腐蚀、耐疲劳。3、辅助密封(O, V, U、楔形圈、异形圈)它主要起到对静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能够保证静环和压盖之间的密封性同时使静环具有一定浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动性。材料要求具有温度非敏感性并能与介质相容。4、传动件(传动销、传动环、传动座、传动键传动凸耳或牙嵌式联接器)它的作用是将轴的转矩传递给动环。材料要求耐磨、耐腐蚀。5、紧固件(紧固螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套)它起到静环、动环的定位、紧固作用。要求轴向定位准确，保证一定的弹簧压缩量，使密封副的密封面处于正确的位置并保持良好的贴合;同时要求拆装方便、易就位、能重复使用。与辅助密封配合处，安装密封圈要有倒角和压缩量，应特别注意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐磨损和耐腐蚀，有必要时与轴套配合处采用硬面覆盖。6、防转件(防转销)它起到防止静环转动和脱出的作用。要求足够的长度，防止静环在负压下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋转。材料要求耐腐蚀，在必要时中间可加入四氟乙烯套，以免损坏碳石墨静环。静止时，端面密封副的补偿环和研磨环之间处于机械接触;当轴开始旋转时，复杂的摩擦作用发生在端面和被密封的流体之间。机械密封的主要特征是其控制密封功能、摩擦力、磨损和寿命的自动界面润滑机理。一切取决于流体穿过接触界面建立润滑膜和在工作中的状态。当轴开始旋转时，被密封液体在压力作用下穿过接触界面，流体压力持续下降直到与外部被压平衡。该压力分布是界面流体压力的静压力分量。具有与流体静压力轴承相同的承载功效。该分量取决于所施加的压差、滑动速度和界面间隙的形状变化。在密封旋转时界面流体中动压力，具有流体动压轴承的特征。在正常条件下流体动压力和液体静压作用下，在接触界面上得到使得接触面脱离的最终开启力，并保持非接触状态。当开启力和闭合力偏离平衡时，端面的分开自动适应。机械密封力学分析涉及到流体动力学、流体静力学、摩擦学、热力学等知识。2.1.3机械密封的特点与技术指标1、机械密封的特点泄漏量少。只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求、只要材料的耐磨性好，机械密封可以达到很少泄漏量，甚至肉眼看不到泄漏。寿命长。在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面。因为密封端面的磨损量在正常条件下不大，一般可以连续使用12年，个别场合下可以用到510年。运转中不用调整。由于机械密封依靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合达到密封的目的，在运转中自动保持接触，装配后不用调整压紧状态。耐振性比径向密封好，转速n=3000r/min时最大振幅不超过0.05mm。使用速度高。p V值是衡量密封能力的重要指标。机械密封可以采用平衡式密封、流体静压型密封、流体动压型密封或多级组合式密封，使pV值达到较高的数量，可达到1000MPa.m/s，并在不断提高。2、机械密封的缺点机械端面密封的零件数目多，要求精密，结构复杂、拆装不便;特别在安装方面比较困难拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分(联轴器)或全部拆掉。价格高:与软填料密封相比，机械密封的初期投资高。3、基于以上特点，与传统地旋转轴密封相比，采用机械密封具有的优占.提高机器效率、降低能耗。与填料密封相比，机械密封的泄漏通道极小，更主要的是在高速下产生相当小的摩擦力，减少机器内耗、外耗和穿漏，提高机器容积效率;减少摩擦损失，提高机器的机械效率:改变密封方式，提高机器或机组效率;改变辅助系统，减少能耗。具有轴向磨损自动补偿结构的机械密封，在使用过程中无需调节，可以获得较高的使用可靠性、提高了设备的使用率。(2)节约原材料。主要体现在:工艺流体的回收、流体的泄漏减小以及封油损耗的减小。 (3)提高机器可靠性。有效的密封防护，减少因为密封引发的设备故障，提高整机的可靠性。安全和环境保护。流体泄漏不仅容易产生生产安全事故，还引发大气污染、水污染和生产环境污染，危及公共和个人的安全。4、机械密封件的技术指标主要的技术指标和目前的水平单级压力10MPa 35MPa;使用温度低温深冷 -100最高转速50000 r/min;PV值1000MPa. m/s。其中V为接触面平均线速度，P为端面比压。泄漏量最小可到达3mL/h(液体密封)2.2机械密封环的变形问题2.2.1密封环的力变形和热变形机械密封的密封环变形有力变形、热变形和残余变形。影响机械密封缝隙形状变化的主要因素是轴向力、径向力、轴向温度梯度和径向温度梯度。对于接触式机械密封，应尽可能保持密封面的平直和平行，采用合适的变形方式来实现平行平面接触，来减少泄漏量和磨损、延长密封寿命和改善密封性能。对于非接触式机械密封，应尽可能使变形后能保持合适的密封面间隙，来保证密封工作的稳定性、防止密封面接触，延长密封寿命。机械密封密封副的密封环除了受力和温度方面的应力导致变形外，还会由于热应力过大导致端面热裂（热应力裂纹）。其原因就是密封环表面由于摩擦受热而环的中心不受热，造成表面热应力超过材料允许应力的缘故。裂缝使磨损加剧，并在平衡型密封中使密封缝隙开裂造成严重的泄漏。另外密封环受力和热产生的密封变形是各不相同的，不论力变形或者热变形均会破坏端面摩擦副密封面的平面度和平行性，产生各种流体动、静压效应，造成密封面承载能力过大而被打开，或承载能力过小而严重磨损。为此，可以采用有限元法或边界元法或两者结合地预计密封面变形模式，设计时遵守平行面原则。2.2.2密封环变形对密封性能的影响密封面的变形基本上存在平行面、扩散面和收敛面三种变形模式。如图2-3所示，把动、静环的位移和转角符号作统一规定，密封环的相对变形记为，用下 标R表示动环，S表示静环，下标p表示压力变形，下标t表示温度变形，则密封环的相对变形为：=R+s 如果为正值，密封面为收敛面；为负值，密封面为扩散面；为零，密封面为平行面。不同密封面形状对密封面性能有以下几个方面的影响：1、影响泄漏量2、对膜压分布的影响由图2