机械密封原理和基本结构形式教学课件PPT.ppt

1,一、密封原理和特点,1.结构,第一节 机械密封原理和基本结构型式,（1）组成,2,（2）固定,紧定螺钉把弹簧固定在轴上 静环的周向固定：静环上开槽，然后通过防转销与静环座固定。而静环座又与设备联在一起。,3,2.密封原理,机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。如图3-1所示，当轴转动时，带动了弹簧座、弹簧压板、动环等零件一起转动，由于弹簧力的作用使动环紧紧压在静环上。轴旋转时，动环与轴一起旋转，而静环则固定在座架上静止不动，这样动环与静环相接触的环形密封面阻止了介质的泄漏。,4,机械密封一般有四个密封处：,a、动环与静环之间的密封动密封,b、动环与轴或轴套之间的密封相对静密封,c、静环与静环座之间的密封静密封,d、静环座（压盖）与设备之间的密封静密封,机械密封的主要特点主是密封面为垂直于旋转轴线的端面。,a,b,c,d,5,3.基本构件,（1）动环和静环,材料 较好的耐磨性，能有减摩作用（即f要小） 良好的导热性，把摩擦热及时传出 孔隙率小，结构紧密，以免介质在压力下有渗透。 动、静环是一对摩擦副，它们的硬度各不相同。,一般动环的硬度比静环的硬度大。动环的材料可用铸铁、硬质合金、高合金钢等，在有腐蚀介质的条件下可用不锈钢或不锈钢表面（端面）堆焊硬质合金、陶瓷等；静环的材料可用铸铁、磷青铜、巴氏合金等，也常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。,6,配对方法： 当介质粘度小，润滑性差时，采用金属配各种非金 属（因为大多数非金属材料都有自润滑作用）；当 介质粘度较大时，采用金属与金属配对。 加工精度 由于摩擦副的端面要起密封作用，并且摩擦环要相 互滑动摩擦，故端面的加工精度影响着密封的效果 和使用寿命。因此，jb4127-85机械密封技术条 件规定较高。,7,（2）弹簧加荷装置,（3）辅助密封元件,型式：o形、v形、矩形等,作用：产生压紧力，保持动、静环端而后紧密接触，且是一个缓冲元件，可以补偿轴的跳动及加工误差而引起的摩擦面不贴合。 再进一步，如果我们把弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力称为弹簧比压ps，那么ps的作用有两点：起动停车或介质压力波动时，使密封面维持足够的比压；克服密封圈与轴的摩擦力，保持动环沿轴向移动，以补偿端面的磨损。 因此有人把机械密封定义为：机械密封是一种带有缓冲机构，并通过与旋转轴大体垂直并做相对转动的密封端面进行密封的装置。,8,优点,密封可靠，在一个较长的使用期中，不会泄漏或很少泄漏； 使用寿命长，正确选择摩擦副材料和比压的机械密封可用25年，最长的达9年； 维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修； 摩擦功率消耗少； 轴或轴套不受磨损； 对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感； 适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各种转速以及各种腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封。,4.机械密封的优缺点：（与软填料密封比较）,缺点,结构较复杂，对制造加工要求高； 安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水平； 发生偶然事故时，处理比较困难； 一次性投资高。,9,表3-1机械密封与填料密封的比较,10,二、结构类型,按介质泄漏方向分为内流式和外流式。 内流式：介质沿半径方向从端面外周向内泄者称为内流式。 外流式：介质沿半径方向从端面内周向外泄者称为外流式。 内流式的泄漏方向与离心力方向相反，离心力阻碍着流体的泄漏，因而内流式泄漏比外流式泄漏量小。于是，有固体颗粒的情况尤其应该采用内流式。这样可防止固体颗粒进入摩擦面。,1、内流式和外流式（图3-2）,11,按弹簧是否与介质接触分为内装式和外装式。 内装式是弹簧置于工作介质之内，外装式是弹簧置于工作介质之外。,2、内装式和外装式（如图3-3）,12,外装式特点：一般来说大部分机械密封零件不与介质接触，且暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外装式结构的介质作用与弹簧力相反（指常用结构）。当介质压力有波动或升高的情况下，弹簧力余量又不大时，会出现密封不稳定的情况以致产生泄漏。当介质压力降低时，因弹簧力不变，在摩擦面上受负荷增大，特别在低压起动时，摩擦副的表面间尚未构成液膜，此时比压又是最大，容易擦伤端面。,内装式受力情况比较好，刚开车时介质压力较低，由不太大的弹簧力即可对摩擦面构成初始的密封，此时因端面比压较小，容易形成液膜。内装式端面比压随介质压力增在而增大，因而增加了密封的可靠性。,一般情况下内装式的介质泄漏方向与离心力方向相反，泄漏情况较外装式好。所以在介质无腐蚀以及不影响弹簧机能时，应尽可能采用内装式结构。,13,主要按介质作用在端面的载荷程度分。,3、平衡型和非平衡型,当不计摩擦副间反压力及密封圈摩擦力时，作用在端面上的比压为：,式中：pc端面比压，是指作用于密封面环带的单位面积上净剩的闭合力，它主要取决于密封结构型式和介质压力。 p介质压力 pn弹簧比压（弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力）,14,其中：ae流体介质作用的有效载荷面积 a接触面积（密封环带面积） k载荷系数，动环的轴向受压面积与端面接触面积之比。 d1、d2密封环带内、外径 db平衡直径（介质压力在补偿环辅助密封处的有效作用直径） 减小动环的轴向受压面积，可将流体压力施加在摩擦副端面上的载荷部分甚至全部卸除。这一方法称为卸荷。 因此k表示的是介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度。 根据d1、d2 和db的不同，k有不同的值。（图3-4）,15,16,k1非平衡型 ：介质作用于单位密封面上的轴向压力大于或等于密封腔内介质压力，k=1.11.2 0k1部分平衡型: 介质作用于单位密封面上的轴向压力小于密封腔内介质压力，k=0.60.9 k=0全平衡型：介质对密封面无轴向力 k0过平衡型：介质对密封面为推开力 令=1-k，称为平衡系数，它表示介质产生的比压在摩擦副上的卸荷程度。 由前面pc公式可知，愈大，k愈小，由于介质引起的端面比压愈小，虽然磨损很小，但不易保证密封；反之愈小，k愈大，端面磨损加剧并的热，甚至有咬坏的危险，那密封就失效了。因此根据经验与试验，不宜超过0.5。,17,按弹簧的运转状态分为旋转式与静止式。 旋转式：即是弹簧装置及轴的结构简单，径向尺寸较小。高转速情况下，弹簧及其它转动零件产生的离心力很大，动平衡要求高，有的介质经强烈搅拌后易结晶，对于这种情况宜采用静止式较适宜。,4、旋转式与静止式,18,单弹簧又称大弹簧，即是在密封装置中仅有一个弹簧与轴同中心安装。 多弹簧又称小弹簧，即是在密封装置中有数个弹簧沿圆周均匀分布。 一般说负荷较轻而且大量生产的密封采用单弹簧为佳，小量生产且在严格的条件下使用时，则都采用多弹簧。,4、单弹簧与多弹簧,19,按摩擦面对数分为单端面、双端面和多端面。 单端面：指在密封机构中仅有一对摩擦副。 双端面：指在密封机构中有两对摩擦副，且两对摩擦副处于相同封液压力下（图3-5）。 密封机构中有两对以上的摩擦副且密封腔的压力逐渐降低，根据摩擦副的对数分别称为双端面、三端面和多端面。,4、单端面、双端面和多端面,20,从结构比较来看，单端面比双端面简单，在制造和装拆上较容易，因而使用很普遍。双端面因要通入带液体（封液）至密封腔内起“封堵”和润滑作用，就需另设一套装置。单端面只适用于一般场合。双端面适用于强腐蚀、主温、带悬浮颗粒及纤维的介质、气体介质、易燃易爆介质、易挥发粘度低的介质、高真空、贵重物料及要求介质与空气隔绝且允许内漏的情况。,21,一、设计条件分析和结构选型,1、分析密封使用条件,第三节 机械密封设计计算,（1）工作参数,压力、温度、转速、轴径,（2）介质特性,浓度、粘度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维杂质、是否汽化或结晶,（3）主机工作性质与环境条件,连续或间隙操作,22,2、主机对密封的要求,密封性 寿命 结构尺寸的限制 可靠性和稳定性,3、密封类型与材料的选择,4、密封系统的综合措施及加工、安装、维修、经济效益等考虑,5、结构形式的选择,23,1）工作压力：密封的工作压力是指密封腔处的压力。当p介0.50.7mpa时，需采用部分平衡型。由前面可知，k（载荷系数）表示介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度，p介增加，则k增加，据资料介绍，当p=0.50.7mpa时，用部分平衡型就能保证密封(即k1) ,若此时采用非平衡型，则k很大，介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度也很大，从而密封端面磨损，发热，密封失效。尤其是对于介质粘度低，润滑性能差者，往往压力达0.30.5mpa以上就应考虑选择部分平衡型；若是超高压、高压，就应选双端面或多端面密封使之逐级降压。,24,3）圆周速度当v30m/s时可选用静止型，即是高速又是高压力时，可考虑用流体动压型机械密封。,4）介质的腐蚀性及易燃易爆、结晶等性质:对于腐蚀较弱，选内装式较好，因结构上端面受力和泄漏方向比外装式合理，反之，选用外装式。外装外流式介质压力不起自紧作用，故适用于压力较低的情况（0.20.3mpa）,2）温度超出120是高温。,25,1、内流式单端面机械密封的端面比压计算,二、端面比压pc的计算,图3-15内流单端面机械密封结构简图及补偿环轴向力平衡,端面比压：指作用于密封端面环带的单位面积上净剩的闭合力。,26,1)弹簧力,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）,其中，d2、d1分别为密封环带外径和内径，m,（n）,27,2）作用于端面的介质总压力fp,其中db为平衡直径，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。,式中,介质压力（pa）,介质压力作用于补偿环上的有效载荷面积，m2,28,3）端面液膜压力fm,包括液膜静压力和动压力，它们都是力图使端面开启的力。,其中为液膜反压系数。,4）补偿环辅助密封与相关元件表面的摩擦阻力ft,其方向与补偿环轴向移动方向相反，补偿环向闭合方向移动时，ft为负值；反之则为正值。 ft=pta pt是由摩擦阻力引起端面比压增大或减小的比压 因此端面所受净闭合力， 为：,29,一、密封环端面发热,机械密封的摩擦副就是动环和静环，其端面贴紧且一个静止，一个旋转，它们之间存在相对运动，所以会产生摩擦和磨损，同时会伴有热量的产生。前面已经讨论过，如果摩擦产生的热量越多，密封的工作pv值就越大。当然摩擦热除与pv值有关外，还与摩擦系数及端面面积有关。 假设端面比压是均布的，则摩擦热,第四节 冷却、冲洗与安装、使用,30,热量的传递有三种方式：对流、间壁导热、辐射。显然机械密封端面的摩擦热就是以这三种方式传递出去的。如果密封环向周围散失的热量与产生的摩擦热相平衡，则可得到一个稳定的温度值。 对于普通机械密封，泄漏量较小，它带走的热量可以忽略，那么摩擦热主要是由轴导入动静环，再由动静环传给周围介质，即：,t-环端面温度与周围介质温度差 l-温度降方向的壁厚，轴向为环厚h，径向为端面宽度b。 显然，越小，传出的热量就少，温升越高，pv值就越大；反之，越大，传出的热量就多，温升越低，pv值就越小。因此要选择导热系数大的材料。,31,二、冷却、冲洗方法及系统设计,如果密封环材料的导热性差，介质温度又高，或pv值比较高的情况下，端面间的大量热量不能及时导出，必然引起端面温度急剧上升。其结果可能造成端面间液膜汽化，恶化润滑条件，甚至完全处于干摩擦状态，这不仅使磨损加剧，还会导致密封环的热裂、变形等等。因此只是依靠选择耐高温、导热性好的密封环材料或仅从结构上考虑，都很难达到预期的效果。合理的方法就是强化冷却，使端面摩擦热及时导出。 使端面冷却的方式主要有三种：,32,1、端面直接冷却,将密封介质从系统中高于密封腔压力处引出，通过接管引入密封腔，对于密封介质的温度高或含固体粒子的场合，可在管路上设置冷却器或过滤器，使进入密封腔内的介质净化并降低温度。,(1)闭路自冲洗（图3-24，a）,33,1、端面直接冷却,将密封腔内的介质引入 主机低压侧，使介质通过密 封腔进行自循环而带走摩擦 热（图3-24，b），这种方法 适用于密封腔压力与主机工 作压力比较接近的场合。,(2)反向自冲洗,34,1、端面直接冷却,将介质从高压侧引出， 流经密封腔进行冲洗后流回 主机吸入侧（图3-24,c），这 种冲洗冷却效果优于前两种。,(3)贯通自冲洗,35,1、端面直接冷却,利用其它压力源将冲洗冷却液注入密封腔内（图3-24，d）。冲洗液应为低温、清洁液体，并且少量内漏与密封介质相混在工艺上必须是允许的，冲洗液压力应比密封介质压力大0.050.1mpa。对于高温或含固体颗粒的介质，效果较好。,(4)内冲洗,36,1、端面直接冷却,在密封腔内的一段轴上装上小型动力元件（图3-25），使密封腔内介质进行局部循环，或在旋转环外周开槽同样能直到泵送作用。,(5)局部循环冲洗,37,2、静环背部冷却,从静止环背部将清水、油等冷却液直接引入密封环内表面的一种冷却方法（图3-26），又称为急冷法、外冲洗法。冷却效果好，但冷却水硬度高时产生的无机物水垢在轴上沉 积，会影响动环密封圈的浮动性，可能会引起密封失效。,38,3、间接冷却,冷却液不直接与密封面接触，其效果没有直接冷却效果好，但对冷却液要求不高。常用,静环外周冷却（图3-27，b）夹套冷却（图3-27，a） 轴套冷却（图3-27，c）蛇管冷却（图3-28）,39,三、机械密封的安装,1、安装前的准备及注意事项,检查机械密封的型号、规格是否符合设计图纸的要求，所有零件有无损伤、变形、裂纹等现象，若有缺陷，必须更换或修复