（机械工程专业论文）上游泵送机械密封制造技术研究.pdf

d i p u m p i n g m e c h a n i c a ls e a lm a n u f a t e c h n o l o g y s u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：n i ud o n g l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i uy o n g h o n g c o l l e g eo f e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) ii0ly 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位敝储躲皇圭塑 嗍扣，年j 月湘 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： e l 期：必年r 月弓，日 日期：7 口r f 年j 月勿f 日 摘要 随着国民经济的快速发展，工业化程度的进一步提高，高温、高压、高速的工作状 况使机械密封端面温升过高，造成密封环的非正常磨损、热裂、变形及端面间介质汽化 等问题，导致密封迅速失效，传统的密封方法和相关制造技术很难再适应密封行业的发 展。因此，对端面密封形式和制造技术的研究非常重要，其直接决定着密封性能和质量 的高低。作为近年新出现的密封方式上游泵送机械密封，它具有磨损少、发热小、 寿命长、能耗低等优点，特别适用于高参数、易汽化、高危险性及高污染性等高难密封 场合，具有广阔的发展前景。为达到高质量和可靠的密封效果，通常要求在上游泵送机 械密封环上开出的流体动压槽( 通常为几至十几微米) 。由于槽的加工技术要求很高， 所以可靠的加工工艺方法是保证该密封工作性能的关键技术之一。 当前，上游泵送机械密封流体动压槽加工方法主要集中在特种加工领域，如化学腐 蚀加工、激光加工等。这些加工方法都是采用去除材料的方法来加工流体动压槽的，难 于加工出表面粗糙度达镜面以上的槽底面及高等深性的槽深等，阻碍了上游泵送机械密 封质量的进一步提高，因此研究开发高效、高质量、低成本的上游泵送机械密封流体动 压槽加工技术有着十分重要的技术和经济意义。 本文首先对上游泵送机械密封进行整体设计，在此基础上重点对密封槽进行设计， 得到优化后的槽型，进而利用p r o e 软件建模，得到三维模型；而后对相关加工工艺 进行研究，获得加工材料性能参数，为后续动压槽的变形加工制造奠定材料基础；最后， 在分析设计和加工工艺研究的基础上加工出实物模型。本文重点分析研究了动压槽的加 工工艺，特别是在加工制造上独辟蹊径，首次提出了采用纳米增材制造的方法来加工制 造上游泵送机械密封流体动压槽的新构想，可有效地避免现有的一些开槽工艺的缺点， 并为其它新型机械密封的研究开发提供可靠的加工制造工艺。 关键词：上游泵送，端面密封，流体动压槽，加工制造 啊， i 叁 一 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，h i g h - s p e e dw o r k i n gc o n d i t i o n so f t h em e c h a n i c a ls e a lt e m p e r a t u r e i st o oh i g h , r e s u l t i n gi na b n o r m a lw e a ro fs e a l i n gr i n g ，t h e r m a lc r a c k i n g ，d e f o r m a t i o na n dt h e e n do fv a p o r i z a t i o na n do t h e ri s s u e sb e t w e e nt h em e d i a ，r e s u l t i n gi ns e a lt of a i l ，t h e t r a d i t i o n a ls e a l i n gm e t h o d sa n dr e l a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sv e r yd i f f i c u l tt om e e tt h e s e a l i n gi n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h es e a lf o r m sa n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n t ，i t d i r e c t l yd e t e r m i n e st h el e v e lo fs e a l i n gp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t y i nr e c e n ty e a r s ，e m e r g i n ga s t h es e a l s - t h eu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a l ，i th a sl e s sw e a ra n dt e a r , h e a t ，l o n gl i f e ， l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，e s p e c i a l l yf o rh i g h - p a r a m e t e r , t h ev o l a t i l e ，h i 曲r i s ka n dh i g h p o l l u t i n gh i g h l yd i f f i c u l ts e a l e do c c a s i o n s ，a n dh a s b r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t i no r d e r t oa c h i e v eh i g hq u a l i t ya n dr e l i a b l es e a l i n ge f f e c t ，o f t e nr e q u i r et h eu p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a lr i n go u to ft h ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r eg r o o v e ( u s u a l l ys e v e r a lt ot e nm i c r o n s ) t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rp r o c e s s i n gt h eh i g hs l o t ，s ot h em e t h o di sar e l i a b l ep r o c e s st o e n s u r et h a tt h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s c u r r e n t l y , t h eu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a l f l u i dd y n a m i cp r e s s u r eg r o o v e p r o c e s s i n gm e t h o dm a i n l yi n t h e f i e l do fs p e c i a lp r o c e s s i n g ，s u c ha sc h e m i c a le t c h i n g p r o c e s s i n g ，l a s e rp r o c e s s i n g t h e s em e t h o d sa r eu s e dt or e m o v em a t e r i a lp r o c e s s i n gm e t h o d s t op r o c e s st h ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r eg r o o v e ，a n dd i f f i c u l tt om a c h i n et h es u r f a c er o u g h n e s s o ft h em i r r o rs u r f a c ea n dh i g h e rt h a nt h eb o t t o md e p t ho ft h eg r o o v ed e p t h ，e t e ，h i n d e rt h e q u a l i t yo ft h eu p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a lf u r t h e ri n c r e a s e ，s ot h er e s e a r c h d e v e l o p m e n to fe f f i c i e n t ，h i g h q u a l i t y , l o wc o s tu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a l f l u i d d y n a m i cp r e s s u r eg r o o v ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sav e r yi m p o r t a n tt e c h n i c a la n de c o n o m i c s i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ef i r s tu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a lf o rt h eo v e r a l ld e s i g n ，f o c u so nt h i s b a s i s ，t h ed e s i g no ft h es e a lg r o o v e ，t h eg r o o v eb eo p t i m i z e d ，a n dt h e nu s i n gp r o es o f t w a r e m o d e l i n g ，a r et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ；t h e nt os t u d yt h er e l a t e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， a c c e s st op r o c e s s i n go fm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，f o rt h ef o l l o w i n gd y n a m i cp r e s s u r eg r o o v el a i dt h e m a t e r i a lf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o np r o c e s s i n g ；f i n a l l y , t h ea n a l y s i so fd e s i g na n dp r o c e s s i n g 毒 l r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e wm e c h a n i c a ls e a lt op r o v i d er e l i a b l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：u p s t r e a mp u i n p i l l gs e a l ，t h ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r eg r o o v e ，m a n u f a c t u r i n g 目录 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 动压槽端面流体运动分析研究进展2 1 2 2 动压槽加工工艺研究现状。4 1 3 上游泵送机械密封研究发展趋势6 1 4 本文主要研究内容7 第二章上游泵送机械密封相关理论知识简介8 2 1 非接触式机械端面密封简介8 2 2 上游泵送机械密封简介9 2 3 上游泵送机械密封工作机理1 0 2 4 上游泵送机械密封流体流动物理模型1 2 第三章上游泵送机械密封系统设计1 3 3 1 引言1 3 3 2 上游泵送机械密封工况、条件和要求1 4 3 2 1 密封设计工况条件。1 4 3 2 2 密封设计要求。1 4 3 3 密封形式的选择。1 4 3 4 上游泵送机械密封组件设计1 5 3 4 1 动环1 5 3 4 2 静环1 6 3 4 3 辅助密封圈。1 7 3 4 4 弹性元件。1 8 3 4 5 传动和防转结构2 1 3 5 上游泵送机械密封辅助系统设计2 1 3 5 1 密封冲洗设计2 1 3 5 2 密封耐磨优化设计2 2 3 6 密封槽端面参数设计2 2 3 7 螺旋槽实体建模。2 4 本章小结2 6 第四章预镀加工工艺试验研究。2 7 弓l 言2 7 4 1 试验加工装置和工艺条件2 7 4 1 1 试验装置2 7 4 1 2 工艺条件2 7 4 1 3 工艺条件的影响。2 8 4 2 试验前样品参数、形态2 8 4 2 1 试验前样品参数数据2 8 4 2 2 样品表面形态2 8 4 3 预镀试验2 9 4 3 1 试验组分及工艺流程：2 9 4 3 2 试验过程与现象3 0 4 4 试验后样品参数数据3 0 4 5 试验结果分析31 4 5 1 表面形貌分析3 2 4 5 2 硬度分析3 2 4 5 3 粗糙度分析3 5 4 5 4 沉积速率分析3 8 本章小结4 0 第五章n i s i c 复合电镀加工工艺研究4 2 弓i 言4 2 5 1 试验部分4 2 5 1 1 试验装置4 2 5 1 2 镀液与工艺参数4 2 5 1 3 工艺流程：4 3 5 2 表面活性剂选择4 3 5 2 1 较佳表面活性剂选择4 4 5 2 2 不同粒径s i c 对o p 1 0 较佳浓度选择4 6 5 3 分组试验4 7 5 4 结果分析。4 7 5 4 1 e d s 和5 分析4 7 5 4 2 表面形貌分析5 1 5 4 3 显微组织分析。5 3 5 4 4 显微硬度分析5 5 5 4 5 沉积速率分析5 6 本章小结5 7 第六章螺旋动压槽加工制造5 8 结论与展望5 9 参考文献5 9 至i 谢6 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题提出的背景及意义 第一章绪论 密封在机械零部件中虽不起眼，但在机械装置过程中却是举足轻重，稍有不慎 成重大事故，事例不胜枚举。特别是在石油化工行业舶机械以及航空航天等工业中 械装置在高温、高压、高速等条件下运行，工作环境较为恶劣。工作介质为液化气 高压剧毒、腐蚀性、可燃性气体时，一旦密封不严导致泄漏，就会引发火灾、爆炸 人身伤亡等重大事件。因此，密封被广泛应用于高参数的工作环境中，对机械装置 全运行起到了至关重要的作用。 机械密封有接触式和非接触式之分【l 】，过去的接触式机械密封，因为端面之间直接 接触，缺少润滑，磨损加剧导致寿命不长。尤其在高温、高压、低粘度等工作条件下， 接触端面润滑不充分，从而引发机械密封补偿环过度磨损导致过热而引起热应力效应， 使得表面裂开、烧结、氧化、表皮脱落等现象，因而使密封元件产生泄漏而失去密封 效果。 非接触密封式在两端面间充满微薄的流体层( 液体或气体) ，使端面不直接接触而 产生摩擦，即便如此，但由于密封环旋转速度很快，使流体膜中的流体产生搅拌热以及 流体之间因粘性而产生的摩擦热，也会造成密封端面温度过高，从而产生诸多问题像补 偿环受热不平衡，存在阶梯型的温度层，使密封环表面由于温度不均而变形，两端面间 的平行间隙因而变得凸凹不平，形成三角形状的间隙，使得接触表面磨损加剧，泄漏量 明显升高；同时由于补偿环所受的热应力太大使得端面出现裂纹，导致热弹失衡。以上 所出现的问题将对整个密封系统产生严重影响，使系统中的密封元件使用年限大打折 扣。所以，为提高系统的整体密封性能，对密封端面补偿环槽型设计分析和加工制造就 显得尤为重要。 上游泵送机械密封作为一种流体润滑的非接触式机械密封，是依靠开设流体动压槽 的一个端面( 动环端面) 和另一个平行端面( 静环端面) 相对旋转运动，在螺旋槽粘性 流体动压效应的作用下，动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜，使动静环端面保 持分离即非接触状态，并且动压槽产生的泵吸作用会把低压侧的液体反输入到高压侧， 从而可以实现零泄漏密封。其具有能耗低、对环境无污染、运行维护费用低等优点，适 合一些高参数的密封场合，是未来的理想机械密封之一，可替代普通的接触式双端面密 求，可靠的加工工艺方法是保证该密封工作性能的关键技术之一。 目前，国内外常用的上游泵送机械密封流体动压槽加工方法主要集中在特种加工领 域，包括化学腐蚀加工、光化学腐蚀加工、超声波加工、磨料加工、电化学加工、电火 花加工、激光加工等【6 7 】。这些加工方法都是采用去除材料的方法来加工流体动压槽的， 难于加工出表面粗糙度达镜面以上的槽底面及高等深性的槽深等，阻碍了上游泵送机械 密封质量的进一步提高，此外上述加工方法还存在加工本高、效率低和废品率高等缺陷。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 动压槽端面流体运动分析研究进展 对于上游泵送机械密封，端面之间的流体流动很不稳定，状况较为复杂，一旦出现 问题也不容易解决。因此，在初期研究中，为便于操作和研究，常以低温、低压、低速 条件下的密封状况作为理想状态进行研究，动静环间的流体设想为理想流体，即抛除惯 性、不稳定性等不良状况的影响，流体层是对中平衡的恒温稳定层流，建立其一维或二 维的理想模型( 见图1 1 ) 。 静环 _ i i f 6 旋向 动环 a ) 二维图b ) 剖面图 图1 - 1 动压槽密封二维几何模型 f i g1 - 1d y n a m i cp r e s s u r eg r o o v es e a lt w o - d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e l 2 中国石油大学( 华东 图1 1 a 是在动环外径开槽密封的二维图， 凹陷处为槽区。 在研究动压槽端面流体运动分析方面，l i 封端面不接触的一维稳态计算模型，在这种模型中，不管密封式在何种状态，其性能都 很稳定。两年后，l i p s c l l i t z 例又对径直线平底槽双向螺旋气体止推轴承的综合分析后建 立起新的一维稳态模型。1 9 9 2 年b a s u 1 0 1 在对螺旋型槽底的密封综合性能分析中，建立 其二维稳态模型。 随着社会经济的发展和工业的进步，密封工作环境朝着高参数的方向迈进，对密封 要求也越来越苛刻。压强的变大，温度的提高使得端面流体惯性明显变强，发热状况出 现，最后造成流态发生变化；此外，高速旋转会导致密封环和轴的剧烈震动，从而对流 层稳定性产生显著影响1 1 】。在这种情况下，以往的一维或二维模型已经远远满足不了工 程计算的要求。所以从上世纪末一些研究人员就开始建立密封端面三维模型，用来研究 其中的三维流动( 见图1 2 ) 。 z 图1 - 2 非接触式密封三维模型 f i g1 - 2t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l o fn o n c o n t a c ts e a l 在19 9 3 年，b o n n e a u 1 2 】等在恒温条件下创建了三维模型，对中低速工作状况下稳态 的螺旋槽流体密封的泄露量、粘度摩擦力、粘温效应等性能指标进行了研究。c h i l d s 在 前人试验润滑方法的基础上加入惯性力的因素后依据非稳态三维流体密封的计算，研究 了由于高速旋转的密封环震荡对流体造成的影响【1 3 】。b r a u 和d z o d z o 1 4 1 合作开发三维模 型，用数学方法求解n s 方程并对螺旋槽中的流体进行三维分析。k u d r i a v t s e v 和b r a u n 【1 5 】 建立三维槽堰区模型，对其中泵入市螺旋槽密封的三维流动进行了分析。 3 第一章绪论 对于三维模型，其常用于密封系统中的流体流动、动态分析等研究中，而在进行温 度场或变形分析为便于计算常采用二维轴对称模型，如p a r v i zm e r a t i 等【1 6 】应用二维轴对 称模型来预测端面密封腔中的流场分布情况和密封环的温度趋势。 除此之外，近些年也有人对动静压结合的端面型式进行了深入的研究。刘雨川i l 7 j 对此端面型式建立三维动态模型并对不同的型式进行对比分析。文中涉及到几种常用的 动静压结合端面型式，分别是螺旋槽、瑞利台阶、小孔浅腔及小孔深腔等( 见图1 3 ) 。 图l - 3 几种动静压结合端面型式示意图 f i g1 - 3h y b r i dc o m b i n a t i o no f s e v e r a lt y p e so fs c h e m a t i cf a c e 从密封研究历史来看，模型建立从一维到三维逐步发展，流体状态从等温、层流、 稳态等理想状态逐渐过渡到变温、湍流、非稳态等实际状况，密封的研究随着时间的推 移越来越贴合实际，把各种因素慢慢地纳入考虑因素范围之内，如惯性力、振动、压力 应变、粘温效应【1 引、粗糙度、偏心【1 3 1 、表面波度【1 9 】等。现今，好多文献为了简化计算 或研究某单一方面特性的需要，对模型进行简化和假设，以达到研究目的。 1 2 2 动压槽加工工艺研究现状 对于动压槽，不同的加工工艺所获得的机械性能也有所不同，普通加工工艺可以完 成动压槽的加工要求，但精度不高；特种加工由于具有提高材料的可加工性、较大地缩 短新产品的试制时间、可用于加工复杂细微型面提高精度等特点而被广泛应用于动压槽 加工工艺中。所以对于动压槽而言，特种加工居主，普通加工为辅。国内外常用的动压 槽加工方法主要有电火花加工化学腐蚀加工、光化学腐蚀加工、磨料加工、超声波加工、 激光加工等。 电火花加工是借助钼丝放电时积聚瞬时的高热量来获得极高的温度，导致所接触的 金属材料迅速被融化或气化，从而达到加工的目的。电火花加工常用在金属材料，也可 用在非金属材料( 如陶瓷) 但前提条件是其电阻率不大于l o o f 2 c m 方可使用。电火花加 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 工业也常用于微细加工，如刻槽，其特点是每次放电的脉冲很小，电极损耗率大，电 或工件的微震动对加工质量的影响大等。而随着现代控制理论的不断完善，电火花加工 技术也得到了长足的发展，但依然存在着加工效率不高、经济代价高昂等缺陷。 台湾成功大学s l c h e l a 等人对碳化钨和碳化硅材料的机械密封槽进行了电火花加 工实验，研究了电极材料、脉冲宽度、放电电流和极性对加工工艺的影响规律，并根据 实验结果给出优化的参数值，并使用了不到两个小时的时间加工出一槽深_ 3 a m ， r a 0 ，则压侧的流体向低压侧泄露，可认为该上游泵送机械密封没有密封能 力，不在研究范围之内；当绋= g 时，q = q p q s = o ，则密封介质没有发生泄露，此 状态称为零泄漏上游泵送机械密封；当绑 0 ，则低压侧流体流向 高压侧，不仅高压侧的密封介质不泄露，相反，如果低压侧有缓冲液体，则低压侧流体 还要反方向补偿高压侧，也就是把低压侧流体“泵送”至高压侧的密封腔中，此种状态密 第二章上游泵送机械密封相关理论知识简介 封称为零逸出上游泵送机械密封【3 9 1 。 2 4 上游泵送机械密封流体流动物理模型 为了更好地观察分析上游泵送机械密封流体膜的形态，在理想状态下即端面间是完 整的流体膜润滑，其流体为连续的牛顿粘性介质；流体与密封表面没有相对滑动；动静 环为刚性材料，弹性模量大，不考虑变形；动静环要在无外界扰动的情况下稳定运行且 要完全对中。依据流体运动情形对其密封端面间隙的流体膜建立模型( 如图2 _ 4 所示) ， 在图2 - 4 中，z = o 平面表示静环端面，z = 办g ，y ) 表示流体膜及动环： 图2 - 4 上游泵送机械密封流体膜物理模型 y f i g2 - 4u p s t r e a mp u m p i n g m e c h a n i c a ls e a lp h y s i c a lm o d e lo ff l u i df i l m 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 1 引言 第三章上游泵送机械密封系统设计 在不同机械密封中，上游泵送机械密封因为密封效果稳定可靠，磨损量较低，使用 年限长，低耗能等优点在密封行业中占有特殊地位，有着广阔的发展远景。上游泵送机 械密封包括零逸出上游泵送密封以及用于密封液体的零泄漏上游泵送密封。和前者相比 而言，零泄漏上游泵送机械密封因其没有其他复杂的辅助系统，是各种非接触式机械密 封中最为简单的一种。与普通的机械密封比较，零泄漏上游泵送机械密封只是在一密封 端面上简单地开出动压槽就可以实现密封介质的零泄漏，可减少对环境的污染；另外， 因为动静环处于非接触状态，减少摩擦使得端面温升少，冲洗、冷却等辅助系统相应减 少，能耗降低约8 5 ；同时也使端面摩损少，使用寿命大大延长，特别是在高p v 值、 固体颗粒杂质繁多等苛刻条件下可取代普通的双端面机械密封，降低成本支出，提高了 设备工作的安全性，增加了经济效益。下图是上游泵送机械密封系统端面整体结构全图 ( 见图3 1 ) 。 l 动环2 静环3 弹簧4 ，5 ，8 o 形圈6 转轴7 钮装套 图3 - 1 上游泵送机械密封系统结构全图 f i g3 - 1s t r u c t u r eo ft h eu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a ls y s t e mf u l li m a g e 上游泵送机械密封的动压槽根据机械密封不同的工况条件、工作参数及使用要求， 可设计为不同的槽形，其共同点位为槽型关于旋转轴中心对称。近些年，已开发出的槽 形结构主要有多圆叶台阶面型、周向雷列台阶型、直叶和类螺旋槽型，其中类螺旋槽型 包括螺旋槽、圆弧槽、直线槽、曲线槽等。虽然端面结构多种多样，但其基本原理相同。 1 3 第三章上游泵送机械密封系统设计 多圆叶台阶面密封虽然具有较高的动态密封能力却缺少停车密封功能；周向雷列台阶型 和直叶型密封的密封能力低于类螺旋槽型，同时在流体流动效率或摩擦功耗方面，也低 于类螺旋槽型密封。因此，在实际工程应用中，类螺旋槽型上游泵送密封最为普遍。螺 旋槽上游泵送机械密封因其能获得最大端面液膜刚度，密封性能最佳而应用的最广，发 展前景也是最好。本文就以螺旋槽上游泵送机械密封系统作为设计研究对象，并对其中 的螺旋槽密封参数进行了重点分析设计。 3 2 上游泵送机械密封工况、条件和要求 3 2 1 密封设计工况条件 在石油化工行业，机械密封常用于反应釜、压缩机、油泵等设备中，现以油泵为研 究载体进行密封设计。 工作介质：苯乙烯、丁二烯、乳化液等； 物理性质：密度p = o 8 9 9 c m 3 ( 8 0 。c ) ；运动粘度d = 8 0 m m 2 s ( 8 0 c ) ； 工作条件：工作压力8 0 m p a ：主轴转速8 0 0 1 0 0 0 r p m ：工作温度 h 6 = 2 2 m m ，均 满足条件。 弹簧的展开长度 计算弹簧节距t ，由于两端磨平，计算结果为： r ：h o - ( n 2 - 0 5 ) d ：3 2 - ( 1 7 5 - 7 0 5 一) x1 ：4 7 7 m 聊( 3 - 9 )刀0) 计算螺旋导角y ： y ：删g 上：口，c 垃兰z z ：2 7 - r ii 。 丫2 毗面5 甜c 增而瓦2 。 ( 3 1 0 ) 计算弹簧展开长度： 三：x d 2 n k ；三：! 兰兰三三塑：8 0 5 1 4 朋肌( 3 1 1 ) ，= 一 = 一= ，刀，刀i j c o syc o s 2 7 0 、 计算弹簧个数 瓦= 聆矿 ( 3 - 1 2 ) 在理想状态下密封系统稳定运行时可认为介质压力与弹簧力处于平衡状态，即 2 岛，由式( 3 1 2 ) 可得弹簧个数： 拧= 矿= 嵩器- 9 6 7 , 圆整后取n _ 1 0 图3 5 是弹簧结构示意图。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( a ) 二维图 ( b ) 三维图 图3 - 5 弹簧结构不葸图 r i g3 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es p r i n gs t r u c t u r e 3 4 5 传动和防转结构 传动和防转结构常用于密封环上，通常顺着力切线方向来传动或者防转，主要是为 了防止受径向力而使密封环产生变形。 上游泵送机械密封用到的传动和防转结构主要有：柱销机构、并圈弹簧机构、带钩 弹簧机构、带有凸耳的套结构、带有柱销的套结构以及拔叉结构轴向夹紧机构等。 在本文中，弹簧座与轴及动环座之间采用传动结构，分别为紧固螺钉和拨耳传动： 静环和泵体使用防转销防转。这些传动和防转结构以及配属的零件材料均采用2 c r l 3 。 3 5 上游泵送机械密封辅助系统设计 合理的密封系统设计可为密封提供可靠的工作环境。鉴于油泵输送介质时可能含有 较多固体颗粒较多及温度较高的特点，密封系统设计中需要重点考虑摩擦副端面的温度 控制和磨损控制【4 2 】。在实际应用中，特别是零泄漏上游泵送机械密封不需要其他复杂的 辅助系统( 但仍可采用自冲洗辅助) 对辅助系统依赖性不高，很多情况下可省略，但为了 设计的完整性，故为控制温度进行密封冲洗设计，为减少磨损进行密封的耐磨优化设计。 3 5 1 密封冲洗设计 密封冲洗的作用是带走热量、降低轴封室温度，防止液膜汽化，改善润滑条件，防 止杂质集积( 沉积) 等。密封端面由于相互摩擦而发热，同时由于旋转运动使得密封介 质搅动也会产生热量，两者使密封端面温度不断升高，因此，应采取必要的冷却、冲洗 措施。通过合理地设计冲洗方式，选用合适冲洗液以达到降温控温的目的。 冲洗的方式主要有三种，分别为介质冲洗、冲洗流体冲洗和隔离流体冲洗