（机械工程专业论文）镶嵌密封环工艺优化与实践研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 th1 6 学科分类号 4 6 0 2 5 9 9 论文编号 1 0 0 10 2 0 10 0 0 0 7 密级 学位授予单位代码 10 0 1o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王国昌学号 2 0 0 6 0 3 0 0 0 7 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 0 2 课题来源企业项目研究方向机械密封 论文题目镶嵌密封环工艺优化与实践研究 关键词制造工艺，镶嵌密封环，热装，应力释放槽 论文答辩日期 2 0 1 0 1 2 0 6幸论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师蔡纪宁高工北京化工大学流体密封 评阅人1张连凯副教授北京化工大学矿山机械 评阅人2 侯俊达 高工华电抗磨有限公司机电工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席王奎升教授北京化工大学流体机械 答辩委员1张秋翔高工北京化工大学流体密封 中国石化集团北京 答辩委员2 李国昌高工燕山石油化工有限 化工机械 公司 答辩委员3张东胜副教授北京化工大学机电工程 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b ，r13 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 镶嵌密封环工艺优化与实践研究 摘要 目前，对于如何保证镶嵌密封环的加工精度，减少残余变形，从 与此相关的工艺结构设计和制造工艺角度做研究的人还很少。本文在 此做一些基础研究，以保证提供初始状态合格的镶嵌密封环。 为保证镶嵌密封环的端面平面度达到需要的精度，本文从工作力 学特性、工艺力学特性和残余应力分析入手，找到影响因素。据此提 出降低镶嵌密封环端面变形的措施并进行可行性分析。镶嵌密封环的 环片以热装法为主并改进原有热装工艺，工艺结构设计中增开应力释 放槽和加长镶嵌处的空刀尺寸，保证了端面平面度且防止了碎环。 改进后，镶嵌密封环性能显著，端面变形泄漏原因的质量投诉下 降了2 3 ，环片裂纹问题也得了到有效解决。此项改进对所在公司无 论从外在和潜在的经济效益均是可观的。 关键词：制造工艺，镶嵌密封环，热装，应力释放槽 北京化1 = = 大学工程硕上学位论文 a b s e r a c t p r o c e s so p t i m i z a t i o no fi n l a i ds e a li u n ga n d p r a c t i c er e s e r c h a b s t r a c t r e c e n t l y ， h o wt oe n s u r et h ep r o c e s s i n g a c c u r a c yo fs e a lr i n g s ， r e d u c i n gt h er e s i d u a ld e f o m a t i o n ，f r o mt h i sp o i n to fv i e wr e l a t e dt ot h e d e s i g na n dm a n u f a c m r i n g ，p e o p l et od or e s e a r c hi nt h i sd i r e c t i o na r es t i l l s h o r t i nt h i sp a p e ri ss o m eb a s i cr e s e a r c h ，t h ep u 印o s eo fp r o v i d i n g q u a l i t ys t a n d a r d st oe n s u r et h es e a l 打n g 7 r oe n s u r et h es e a l i n gf a c ei n l a i df l a t n e s sr e a c hn e e dp r e c i s i o n ，t h i s p 印e r 舶mw o r k i n gm e c h a n i c a l c h a r a c t e “s t i c s ， p r o c e s sm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s i d u a ls t r e s sa n a l y s i s ，f i n dt h ei n n u e n c i n gf a c t o r s t h e np u t sf o 刑a r dt h el o w e re n do ft h ei n l a i ds e a l i n gd e f o m a t i o na c t i o n s a n df - e a s i b i l i t ya n a l y s i s t h eh e a t f i t t i n gi sg i v e np r i o r i t yt oi m p r o v et h e t r a d i t i o n a lh o tc h a 唱i n gp r o c e s s id e s i g n e ds l o t st or e l e a s es t r e s sr e l e a s e s l o t sa n dl e n g t h e ne n c h a s e p l a c ee m p t y c u t t e rs i z et oe n s u l et h e t i p t o f a c ef l a t n e s sa n dp r e v e n tb r o k e nr i n g a r e rt h ei m p r o v e m e n t ，m o s a i cs e a l i n gr i n g sh a v eg o o dp e r f o r m a n c e t h e q u a l i t yc o m p l a i n to ff a c ed e f o r m a t i o nl e a k a g er e a s o n sf e l l2 3 r i n g p i e c ec r a c kp r o b l e m sa l s oh a dt oe f r e c t i v e l yr e s o l v e d t h ei m p r o v e m e n t b r i n g sac o n s i d e r a b l ee c o n m i cb e n e f i t sb o t hi nt h ee x t e m a la n dt h e i l i 北京化_ t 大学t 程硕l ：学位论文 p o t e n t i a lf o rm yc o m p a n y k e yw o r d s ：m a n u f a c t l l r i n gp r o c e s s ，m o s a i cs e a l i n gr i n g ，h e a t f i t t i n g ， s t r e s sr e l e a s es l o t 且录 目录 第一章绪论l 1 1 机械密封与制造工艺发展1 1 2 国内外机械密封制造工艺技术现状2 1 3 机械密封中镶嵌结构密封环的作用5 1 4 当前镶嵌密封环工艺需要解决的主要问题6 1 5 小结8 第二章镶嵌密封环力学特征研究9 2 1 镶嵌密封环工作力学特性9 2 2 镶嵌密封环工艺力学特性1 0 2 3 镶嵌密封环残余应力分析1 0 2 4 密封环受力变形的计算1l 2 5 小结1 4 第三章镶嵌密封环端面变形研究1 5 3 1 零件加工过程对端面变形的影响1 5 3 2 装配过程对端面变形的影响2 3 3 3 使用过程对端面变形的影响2 6 3 4 降低端面变形措施可行性分析2 6 3 5 小结2 9 第四章镶嵌密封环合理工艺研究3 1 v 1 o o 2 3 4 4 4 化化化化 理理理理 厶口 厶口 厶口 厶口 艺艺艺价 工工工评 件配测能零装检性环环环环寸+1寸寸封封封封 密密密密 嵌嵌嵌嵌镶镶镶镶 l 2 3 4 4 4 4 4 北京化t 大学t 程硕 学位论文 4 5 小结4 2 第五章镶嵌密封环工艺实践研究4 5 第六章镶嵌密封环工艺优化与实践研究技术及经济指标分析5l 5 5 8 9 0 4 4 4 4 5 耖 分 计程果进一 设过结改 艺艺艺艺一 工工工工 环环环环 一封封封封一 密密密密 一 嵌嵌嵌嵌结镶镶镶镶小 l 2 3 4 5 r a c u 工u 亡u u 目录 c o n t e n t c h a p t e r1l n s t r o d u c t i o n 1 1 1d e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a ls e a la i l dm a n u f a c t u r i n gt e c l l n o l o g y 1 1 2 s t 咖so f m e c h a i l i c a ls e a lm a n u f a m j r i n gt e c h n o l o g y 2 1 3 f u n c t i o no fm e c h m j c a ls e a ls t l l l c t u r eo fm o s a i cs e a l i n gr i n g 5 1 4 p r i m a r yi s s u e so fc u n ? e n ts e a l i n gt e c h n o l o g y 6 1 5 b r i e fs u m m a 巧8 c h a p t e r2m o s a i cs e a u n g 】i u n gm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c 9 2 1w b r k i n gm e c h a l l i c a lc h a m c t 嘶s i co fm o s a i cs e a l i n gr i n g 9 2 2 p m c e s sm e c h a j l i c a jc h a u r a c t 甜s i co fm o s a i cs e a l i n gr i n g 10 2 3 r e s i d u a ls t r e s sa n a l y s i so fm o s a i cs e a l i n gr i n g 1 0 2 4 m e c h a n i c a ls e a l i n gd e f o m a t i o nc a l c u l a t i o n 1 1 2 5 b r i e fs u m m a r y 1 4 c h a p t e r3t i p t o - f a c ed e f o r m a t i o no fm o s a i cs e a l i n gr i n g 1 5 3 1s p a r ep a r t sp r o c e s s i n gi m p a c to nt i p - t o f a c ed e f o 姗a t i o n 15 3 2 a s s e m b l yp r o c e s s i n gi m p a c to nt i p t o - f a c ed e f o m a t i o n 2 3 3 3 u s ep r o c e s s i n gi m p a c to nt i p t o - f a c ed e f o 肿a t i o n 2 6 3 4 f e a s i b i l i t ya n a l y s i so fm e a s u r e so fr e d u c i n gt i p t o f a c ed e f o r m a t i o n 2 6 3 5 b r i e fs u m m a r y 2 9 c h a p t e r4r e a s o n a b l e r e c h n o l o g yo fm o s a i cs e a l i n gr i n g 3 1 4 1r e a s o n a b l ep a n st e c h n o l o g yo fm o s a i cs e a l i n gr i n g 3l 4 2 r e a s o n a b l ea s s e m b l yt e c h n o l o g yo fm o s a i cs e a l i n gr i n g 4 0 4 3 r e a s o n l b l ed e t e c t i n gt e c h n o l o g yo fm o s a i cs e a l i n gr i n g 4 0 4 4 r e a s o na _ b l ep e i f o m a n c ee v a l u a t i o no fm o s a i cs e a l i n gr i n g 4 2 v i l 北京化工人学工程硕：l 学位论文 4 5 b r i e fs u 】 1 l m a r y 4 2 c h a p t e r5p r a c t i c et e c h n o l o g yo fm o s a i cs e a l i n g 尉n g 4 5 5 1 t e c h n o l o g yd e s i 萨o fm o s a i cs e a l i n gm g 4 5 5 2 7 i e c h n o l o g yp r o c e s s i n go fm o s a i cs e a l i n gr i n g 4 5 5 3 t e c t l i l o l o g ) rr e s u l ta n a l y s i so fm o s a i cs e a l i n gr i n g 4 8 5 4 h n p r o v 锄e 1 1 to ft e c h n o l o g yo fm o s a i cs e a l i n gr i n g 4 9 5 5 b r i e fs u m m 哪5 0 c h a p t e r6t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o n & p r a c t i c et e c h n o l o g y & 符呼说明 符号说明 轴向力引起变形的转角，r a d 环上作用力矩，n m 环的平均半径，n l n l 环的外径，m m 环的内径，m m 环的轴向长度，m m 轴向力引起变形，m m 形状系数 径向力引起变形，m m 密封面宽度，蚴 径向力引起变形的转角，m d 波桑比 径向温度梯度造成的变形，m m 轴向温度梯度造成的变形，m m 平均温度为( 升乃) 2 时材料的线膨胀系数，1 0 击。 径向温度梯度，m m 。1 轴向温度梯度，m m 。1 切削分力，n 与刀具几何形状以及切削条件有关的系数 切削深度，m m 进给量，m m r 1 一般车刀的主偏角，o 一般车刀的前角，o 一般车刀的刃倾角，o 工艺系统受力变形量，m m 工艺系统刚度，n - m - 1 工件精车后的变形量，m m 工件粗车后的变形量，m m 误差复映系数 蚋m如岛见三锄。靠哆绺v“昧口保a b q 唧厂胁 厶 y如岫艄 北京化丁大学t 程硕一 ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁 下匕 1 1 机械密封与制造工艺发展 机械密封是一种依靠弹性元件以静、动环端面密封副的预紧和介质压力与弹 性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，故又称端面密封。机械密封 是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。常用于泵、压缩机、反应搅拌釜 等旋转式流体机械，也用于齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾轴等密封。据调查， 石化工艺装置机泵中有8 6 以上采用机械密封，并随着技术的发展，机泵中机械 密封将占有更加重要的地位【l 】。 机械密封在日常机泵釜等设备维修工作中，工作量约占5 0 。国外爱克西翁 公司的威尔在其文中提到，离心泵的维修费大约有7 0 是由于密封故障【2 。】，所 以密封技术是一项关键技术。密封失效主要表现形式是泄漏，密封副的密封端面 是主要密封面，是决定机械密封摩擦、磨损和密封性能的关健，同时也决定机械 密封的工作寿命。据统计，机械密封的泄漏大约有8 0 9 5 是由于密封端面密 封副造成的。因此要求接触面保持平行，表面粗糙度要求高，r a 0 0 5 o 2 0pm 、 平面度 o 9um 【4 1 。 机械密封密封副的密封环( 静、动环) 在实际使用中会发现端面磨损不均匀， 有的靠内径处磨损较大，有的靠外径处磨损较大。究其原因，这种现象是由于温 度分布不均匀或作用在坏上的压力不均匀造成密封环变形所致。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，应尽可能保持密封丽的平直和平行，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 封工作稳定性、防止密封面接触，延长密封寿命【5 】。 前面所述，机械密封的密封环变形有力变形、热变形和残余变形。对于前两 者，目前研究的人比较多，取得的成果也是显著的，但是对于如何保证密封环的 加工精度，减少残余变形，从与此相关的设计制造角度做这个方向研究的人目前 还很少，所以可借鉴的资料也不多。本文在此做一些基础研究，因为这几种变形 都要解决好，才能保证密封环的正常功能。 密封环有以耐磨材料做成整体式的，也有把耐磨材料与一个金属环座采用过 盈镶嵌装配成为一体的，镶嵌结构同时起到密封和传动的功能。镶嵌结构密封环 北京化t 人学工程硕上学位论文 现在在密封上被广泛应用，这是由于其优点所决定的。 任何事物均有两面性，镶嵌结构密封环突出的优点是：加工方法简单、方便； 可以简化密封结构；密封的成本降低。( 详细解释见1 3 。) 但镶嵌结构密封环最 大的问题是其加工制造过程中的端面变形问题，因此镶嵌结构密封环设计和加工 的重点均在于减少端面变形。 1 2 国内外机械密封制造工艺技术现状 机械密封于1 8 8 5 年在英国作为专利出现，直到1 9 0 0 年才开始应用。1 9 2 0 年用于冷冻装置，在此以前作为轴承密封，此时机械密封的使用参数很低，直到 1 9 3 0 年开始用于内燃机离心泵。 1 9 3 9 1 9 4 5 年，由于石油化工的发展和材料方面出现石墨、陶瓷、硬质合 金，加工技术中表面粗糙度提高，使用参数有了提高，机械密封在美国得到普及 和推广，并应用到石油和化学工业中，出现了平衡型密封【6 】。 前苏联在5 0 年代中期将机械密封用到炼油厂的离心油泵中，在国内兰州炼 油厂建设中，离心油泵中就带有机械密封。 国内6 0 年代初自制了机械密封并推广应用，其他炼油厂也逐个推广使用并 作了改进。机械密封在国外己发展很长时问了，但这项技术在国内起步很晚，从 事这方面研究的学者也不多。顾永泉，石油大学教授，是国内机械密封领域的权 威专家，在机械密封的理论和实践方面都做出了很大贡献。本单位从事机械密封 工作的技术人员可以说都是“踩”在他的肩上做研究。 丹东克隆集团有限责任公司成立于1 9 8 8 年，至今已有2 2 年的历史。机械密 封技术是个关键技术，因此公司从成立之初，就以技术指导生产，以技术服务于 用户的理念贯穿整个公司发展。现在公司的密封在国内市场占有率第一，并且在 国际市场上也有一席之地。现在用户对密封的要求越来越高，尤其在进行军核领 域，更是对的密封可靠性提出了前所未有的要求。为了维护目前取得的成绩和进 一步开拓市场，公司大力发展密封技术。 密封可靠性是从设计，原材料、加工各方面来保证的，但其中机械密封端面 变形问题，一直长期困扰公司提高密封可靠性。 公司目前有着严格的质量管理体系，1 9 9 8 年通过a p is p e cq 1 质量体系认证。 完整覆盖了离心泵和转子泵中机械密封的设计和应用的标准a p l 6 8 2 ，与产品质 量体系有机结合，包括材料和零、部件分供方的确定和科学管理【7 捌。所以所在 公司重视用户的每一次质量投诉。从这些投诉中，经过不完全统计，约有三分之 一的密封泄漏是由于端面变形原因导致，且镶嵌结构密封环问题最多，这几乎成 2 第一章绪论 了所在公司密封技术的头号共性难题。现在公司早已启动了这方面的研究，加大 人力和物力，力争短期攻关，因此在这方面取得突破，控制镶嵌密封环的残余变 形，不但对企业本身的发展有很大的促进作用，而且对于国内机械密封行业也具 有重要的现实意义。 随着科学技术和现代工业的迅速发展，其密封技术也随之成熟完善。例如， 过去总是认为接触式和非接触式机械密封都不可能达到零泄漏。以色列爱特逊教 授于1 9 8 4 年提出零泄漏非接触式机械端面密封的新概念【9 1 ，打破了传统观念。 1 9 7 肚1 9 8 9 年约翰克兰公司先后研制出2 8 型干运转气体密封【l o 】。技术的发展， 使气体动压非接触式气体端面密封被广泛地用于离心式压缩机、膨胀机、蒸气透 平以及高速和高压的流体机械中，其中应用最广泛的是部分螺旋槽气体机械端面 密封【l 。所在公司的此类产品正处市场成长期，其设计技术和制造技术都有广阔 的发展空间。焊接金属波纹管机械密封是近年来在密封结构中较为先进的接触型 机械密封装置。由于具有良好的浮动性和易于安装的特点，并且在高温、低温和 高压下都具有良好的密封性能，使该种机械密封很快在其它工业领域获得了广泛 的使用。英、美、西欧一些发达国家以及同本等国家都大批量生产金属波纹管机 械密封。对美国2 4 家石油化工厂和炼油厂的调查表明：4 5 0 下( 2 3 2 ) 以上的高 温油泵轴封，有9 4 采用机械密封，而其中的9 6 为单端面的焊接会属波纹管 机械密封【l2 1 。 焊接金属波纹管机械密封是机械密封的一个分支，它的出现虽比弹簧密封晚 几十年，但发展很快。在a p i6 8 2 离心泵和转子泵密封系统标准中统一规定a 、 b 及c 型三种基本型式标准机械密封，其中b 及c 型都是波纹管式机械密封【1 3 】。 焊接会属波纹管密封和弹簧密封，这两种密封目前在克隆公司生产销售中，均有 相当大的产量，且公司已通过a p is p e cq 1 体系认证，国外市场潜力也巨大。这 两种密封的密封端而都大量采用镶嵌结构密封环，所以密封端面的镶嵌技术在密 封领域应用是非常广泛的。德国博格曼、英国的约翰克兰、日本的皮拉等公司都 有很多镶嵌结构的密封。在克隆集团公司的产品中，d b m b 1 ，d t m b 1 ，c 5 0 等都采用镶嵌结构。 对于镶嵌结构密封环的分类及分类名称，现有的资料很少有介绍，所提到的 是根据克隆公司在n 常设计、生产中形成的名称进 亍命名。 对于镶嵌环的基本结构可分两部分，如图1 1 所示：一部分是环座，另一部 分是坏片，环片与环座是通过过盈配合连接在一起形成密封环，通过过盈达到密 封及传递扭矩的功能。环座为金属材料，环片多为合会类、石墨类、陶瓷类材料。 根据环片的硬度，把镶嵌密封环分硬环镶嵌坏和软环镶嵌环。根据镶嵌壁 厚的厚度，可分为厚壁镶嵌环和薄壁镶嵌环。 北京化_ t 人学工程硕i ：学位论文 环座 环片 图1 1 嵌镶环基本结构示意图 f i g 1 一lf u n d 锄e n t a ls t r u c t u r ed i a 粤a mo f m o s a i c 呻es e a lr i n g 在实际应用的过程中发现，环片的结构会对密封的性能会产生很大的影响， 图1 2 是常用的几种镶嵌环结构。这几种结构在国内和国外的产品中很容易见到， 在设计和加工的过程中如果控制的好，其密封性能非常显著。 面盼 i ”。b h 一一，一一 图1 2 几种嵌镶环结构示意图 f i g 1 2s 仃u c n l r ed i a g r a mo fm o s a i ct y p e a l s 血g 机械密封失效的一个很重要的原因就是密封坏端面产生变形，也就是常说的 端面变形。所以镶嵌环在设计制造加工过程中就必须将残余变形控制在一定限度 内，并在储1 竽和使用中能保持这个限度。 镶嵌环环片镶嵌以后，有因工作压力、镶嵌抱紧力和温度引起的端面的扭转 变形和因环座和环片材料的影响、环片本身存在应力不匀、环座和环片受加工的 影响、环座和环片镶完以后受加工切削力和央盘力的影响和受外部不均衡机械力 发生的端面波度变形【1 4 。5 。 镶嵌结构密封环的加工方法可以主要分为两种：热装加工工艺和压装加工工 艺，这两种截然不同的加工工艺对镶嵌结构密封环的残余变形有很大的差异。因 环座和环片是通过过盈镶嵌在一起，环座对环片的径向抱紧力即镶嵌力不可避 免，也由于加工过程中切削力和装夹力的影响，最终都将使环片发生变形。 s i c 是一种密封端面中常用到的陶瓷材料，弹性模量3 l o g p a 左右，比硬质 合金的6 3 0 g p a 低一倍。陶瓷在各种应用中，只产生弹性变形，几乎不产生塑性 4 第一章绪论 变形，这是陶瓷力学行为的最大特点。陶瓷中存在杂质和气孔，具有应力集中的 作用，在拉应力的作用下气孔将迅速扩展，引起脆性断裂，这就是陶瓷抗拉强度 低，抗压强度高的原因【l 引。反应烧结s i c 中存在少量的游离硅，在减少磨擦和 和磨损中起到重要作用，是一种耐磨性优异的材料。但也因其上述的原因，其本 身脆性大，所以具有相同的镶嵌结构和镶嵌过盈应力时，它比硬质合金易碎裂。 s i c 的硬度接近金刚石，具有突出的耐磨性，s i c 被广泛应用于过程泵的密 封中。除高温下熔融强碱和强氧化气体外，全浓度硫酸和沸点接近的苛性碱也能 稳定地耐腐蚀。它比氧化铝的硬度高得多，相关资料提供s i c 的导热率是 1 3 3 2 0 0 w ( m k ) ，而氧化铝为3 3 0 ，所以是耐热冲击性热特性特别优越的材料， 特别是能在很大的温度范围内保持耐腐蚀性和耐磨性【1 7 】。在很高的耐磨性和高性 能场合，机械密封制造厂和用户更多地使用s i c ( 包括硅化石墨) 代替碳石墨和 其它材料。在机械密封中s i c 是碳石墨的最佳配对材料，所以s i c 使用广泛【1 8 。19 1 。 目前所在公司加工的s i c 环中，有6 0 左右用于镶嵌结构，而在硬质环为 镶嵌s i c 材质的密封环中，据统计所在公司每年约有l 3 。在现实的生产加工中， 因镶嵌力和加工过程中切削力和装央力轻则使环片变形，重则发生裂纹或崩牙产 生废品损失的情况非常常见。当然s i c 环，在反应烧结中需1 4 0 0 二的高温【2 0 】，在 烧结过程中内部可能会存在残余应力，这也是一个原因，但本文论述的重点在前。 废品严重影响工期，即使不废，存在过大的残余变形，也将影响发到用户处 的密封的使用性能。环片材质为s i c 环的镶嵌密封环在所在公司占有相当的比 例，所以分析材质为s i c 环的镶嵌密封环的失效原因是我们工程技术人员的重点 工作。有人总结过“在机械密封设计中任何改进均来自故障分析，由故障推断的 原因再作特定的设计改动”【2 1 1 。如何可靠的保证设计和制造过程中不发生裂纹 或崩牙现象，最终使坏片的残余变形达到允许的程度，将是本论文的重点研究对 象。可以说控制好了镶嵌s i c 的密封环的质黾，对其余如柔性材质石墨材质环片 和具有一定韧性的硬质合金材质环片的制造加工也具有很大的指导意义。 1 3 机械密封中镶嵌结构密封环的作用 密封环做为机械密封主要零件，镶嵌结构密封环是其中的一种，它被广泛应 用的主要原因有以下几点： 1 ) 镶嵌结构密封环加工方法简单、方便：镶嵌结构密封环以金属环座热装 或压装端面材料，再经后序精加工制成密封坏。现在对金属的加工工艺非常完善， 因而在传动、连接和辅助密封设置时，镶嵌结构密封环可以通过对金属环座的加 工来实现各种要求，且加工手段也有多种选择。端面材料常见的有硬质合金、s i c 、 北京化r t 大学t 程硕士学位论文 石墨和聚四氟乙烯等。这些材料除石墨和聚四氟乙类相对容易加工外，( 但加工 装夹的困难较大，达到较高加工精度的也不容易。) 硬质合金和s i c 的加工相比 之下难度较大，大规模生产中除了磨削、电加工这些常见手段外，其它方法不多， 况且它们都属于高硬度的脆性材料，使得一些特殊结构实现起来比较困难，即使 实现起来，效率也低，规模化生产更不易实现，如：孔、沟槽、凸爪等结构。 2 ) 可以简化密封结构：因金属环座加工的方便性，对密封环的设计要求也 降低。比如：s i c 是一种脆性材料，强度和抗冲击韧性很差，设计密封环时应考 虑s i c 环的形状要简单，不宜在环上开槽打孔，避免和减少应力集中f 2 2 1 。应力 集中对脆性材料而言，因材料没有屈服阶段，当局部最大应力达到强度极限时， 该处首先断裂，而导致整个构件破坏【2 3 1 。但如果避免不了这些结构时，镶嵌结构 则此时就是一个好的选择。所以整体结构的密封环因材料加工特性的限制，在设 计上结构要求简单，且尽可能避免孔、沟槽、凸爪等结构，这样就使密封环在传 动、连接和辅助密封设置时，其它构件的结构难度增加，密封结构也较复杂，工 件总数量也可能增加。镶嵌结构密封环的金属坏座以一定过盈量热装或压装端面 材料，其本身也一种简单的将扭矩传递到密封端面和实现辅助密封的结构。 3 ) 密封的成本降低：综上所述在很多情况下，使密封在设计加工、材料上 的成本降低。 4 ) 根据不同的工况可以调整密封环的变形趋势。 5 ) 波纹管密封大量使用镶嵌结构的密封环。 1 4 当前镶嵌密封环工艺需要解决的主要问题 整体式密封环在加工成成品以后，残余变形小，而镶嵌结构的残余变形大。 在生产过程中多次发现，镶嵌环加工成成品以后，在放置一段时间后发现端面自 然变形，或者在加工过程中就发现难以保证平面度。镶嵌环的变形受原材料和结 构及加工方法等各方面的影响，很复杂。这个问题如果得不很好的解决或者说不 能有效控制残余应力引起的变形，那么即使其它研究取得进展，也难以取得较好 的效果，它往往造成密封不正常泄漏【2 4 1 。( 泄漏量多大为超标呢? 根据经验法则， 一般接触式机械密封的泄漏量超出理论值( 按迈尔泄漏量公式计算) 的2 5 0 倍可 认为机械密封工作不正常【2 5 1 。) 所在公司的技术人员长期以来对用户反馈的不正 常泄漏机封，受法国c f r t 0 t a l 公司的f t a ( 故障树) 分析法启发【2 6 】，将多数泄 漏问题锁定在镶嵌密封环的端面变形上。再利用磨损图象分析方法结合平品平直 度检查，分析出了镶嵌密封环的端面多数存在镶嵌抱紧力引起的锥度变形和螺钉 及其它原因的机械力变形，为我们工艺人员下一步从工艺结构、制造和装配角度 6 第一章绪论 改进工作提供了方向【2 7 1 。因为其它方向的研究成果是在工件合格的情况下取得的 结论，如果不能提供一个合格的密封环，不能提供一个合格的初使状态和在使用 中仍能保持形状的密封环，其它方向的研究成果也不能有效的得到运用。一个很 简单的例子，曾看到几篇文章，一篇文章中提到密封腔压力超过3 m p a 时所采用 的机械密封属高压机械密封，其结构、零件选材以及可靠性要求等，都有别于通 用型机械密封。高压工况，密封设计有其特殊要求，以适应高压。文中还提到为 提高摩擦副的强度、刚度，选用整体式结构的动静环，避免热镶产生的内应力造 成摩擦副变形，影响密封性能。【2 8 。2 9 1 另一篇文章是关于机械密封温度研究方法 的，其文在介绍解析法计算密封端面温度时，有两条重要假设：其一，“密封环 材料及密封介质的热物理性能不随温度改变”。其二，“认为密封端平行，不考虑 密封力、热变形对温度分白的影响【3 0 1 。所以密封环制造中本身存在问题和不能 很好保持形状，则会大大限制设计人员和理论人员的思维。做为工艺人员，能通 过改善工艺制造出变形趋势较小的密封环，为设计人员多一个选择是我们的责 任。 所以本论文主要方向是镶嵌结构的密封环如何在合理调整工艺结构和制造 加工中保证密封端面的平面度。这是一个基础研究工作，也是为其它方向的研究 起到条件上的保证，即首先得到一个合格的工件。 镶嵌结构密封环因镶嵌结构的原因，使镶嵌环存在很多设计和工艺上很难解 决的问题： 1 ) 增加密封环的泄漏点：与整体密封环相比，镶嵌结构密封环，除密封环 自身密封性和辅助密封外，环座与密封材料之问的过盈配合处是一个新增的泄漏 点。这个密封点的性能是需要靠精确的加工来保证的。 2 ) 密封环性能受温度的影响较大。 3 ) 端面产生变形：这是镶嵌结构的密封最难解决的问题，在现场的应用中 总会出变形问题，影响密封的使用性能，大大降低密封的使用寿命。镶嵌环的镶 嵌力是传递扭矩和环片与环座密封的需要，是客观需要。镶嵌力在低温时抱紧力 太大，以致使密封端面变形很大，即使端面被研平，在存放较久时也会出现变形， 大轴径的环尤为严重【3 。镶嵌力是环片产生内应力的主要来源，还有在镶嵌后， 后序精加工时装夹力和切削力足环j j 内应力的另一个主要来源。这些原因的内应 力轻则使环片变形，重则使坏片崩牙和裂纹。如果能解决因这些原因导致的镶嵌 结构密封环的变形问题，加之其它人在其它方面变形控制上取得的成果，密封性 能将会上一个很大的台阶。 1 5 小结 7 北京化工人学工程硕l ：学位论文 机械密封技术是一项关键技术，在国内起步较晚，从事此专业的人员也较少， 无论是设计水平和制造技术，均与国外存在差距。但通过努力，在每个点上取得 突破，就能与国外减少差距。 密封环的制造水平，与密封的使用性能关系甚大，因结构和工况原因需要镶 嵌结构密封环时，如何制造出在允许残余变形范围内的密封环，显得尤为重要。 镶嵌密封环容易产生端面应力变形和热变形而导致崩边、破裂等现象，使机 械密封失效【3 2 】。镶嵌s i c 环的密封环，因s i c 材质脆性大，镶嵌加工的内应力 在此种材料上表现的很明显，因为在实际加工中常发现同种结构和采取相同的加 工法时，这种材质裂纹和崩牙的倾向很大，所以解决此种材质的镶嵌结构密封环 第一二章镶嵌密封环力学特征研究 第二章镶嵌密封环力学特征研究 2 1 镶嵌密封环工作力学特性 机械密封失效的一个很重要的原因就是密封环端面产生变形，也就是我们常 说的端面变形。镶嵌环环片的变形有两种主要形式，端面的扭转变形和端面的波 度变形，如图2 1 所示。 图2 1 环片变形示意图 f i g 2 1d e f o m a t i o nd i a g r a mo f 血g 1 ) 工作中引起镶嵌环环片端面的扭转变形原因 工作压力 工作介质会使镶嵌环环片发生扭转变形，当工作介质大于l 2 m p a 时，发生 扭转变形比较明显，特别是石墨环。 镶嵌抱紧力 由于镶嵌环的环座和环片是通过过盈连接在一起，所以坏座对环片产生一定 的径向抱紧力，使环片产生扭转变形。这种力在工作与不工作中均存在，且在工 作中会因温度变化而会发生变化，引起环片内应力变化，产生相应的应变。 温度 扭转变形主要受温度的影响，又可分两部分。 a ) 受温度梯度的影响，由于密封环在运转的过程中会产生轴向和径向的温 度梯度，使镶嵌环环片产生热变形，发生端面的扭转变形【3 3 1 。 b ) 密封在运转过程中温度升高，由于镶嵌环的坏座和环片的热膨胀系数f i 同，使镶嵌抱紧力发生变化，从而使镶嵌环坏片产生端面的扭转变形。 2 ) 引起镶嵌环环片端面的波度变形原因 工作中受温度和振动影响，环片和环座因应力不均匀，应力被释放出来 引起波度变形。 镶装完毕以后的密封环在受外部不均衡机械力的情况下会发生波度变 9 北京化t 大学t 程硕十学位论文 形。 2 2 镶嵌密封环工艺力学特性 1 ) 镶嵌抱紧力 在制造中，镶嵌环的环座和环片通过过盈连接在一起，环座对环片产生一定 的径向抱紧力。这个镶嵌抱紧力使环片产生扭转变形。 2 ) 环片本身存在应力不匀 如果环片在制造成过程中不关注内应力问题，没有采取措施减少内应力或释 放内应力，那么镶嵌加工以后，即使不在工作中，放置一段时间或温度发生变化 后，其应力会释放出来引起波度变形。 3 ) 环座和环片加工过程中的影响 受加工切削力和夹盘力影响，圆度发生变化产生失圆现象，环座和环片镶嵌 完毕以后发生波度变形，如两点或三点变形。 2 3 镶嵌密封环残余应力分析 镶嵌结构密封环加工到成品以后，残余应力主要来源于以下几个方面。 1 ) 镶嵌抱紧力 前面所述，镶嵌抱紧力是传递扭矩和环片与环座密封所必须的，它产生的残 余应力也是必须的，因此它会引起密封端面产生变形，对于硬质环主要以扭转变 形为主，所以这种残余应力需要我们有目的加以控制。温度变化会导致镶嵌抱紧 力会变化，镶嵌结构密封环加工后，存放的环境温度对其影响轻微，但使用中的 温度变化影响就不容忽视了，因此它会引起环片密封端面发生变形，而且还是一 个主要因素。镶嵌结构密封坏加工后存放时间过长，镶嵌抱紧力引起的残余应力 如果在加工过程中不能充分释放，也会使密封端面慢慢变形。我们分析和实验表 明这个镶嵌抱紧力是可控的，只要结构控制的好，加工过程合理，这种残余应力 引起的端面变形无论在适当的温度范围内变化还是在存放中，均能控制在允许的 程度。 2 ) 环座和环片材料的均匀性 它们使镶嵌抱紧力不均匀引起的残余应力不均匀，影响端面变形，多以波度 变形为主。 3 ) 环片本身应力不匀 环片制造过程中如果没将内应力充分释放，镶嵌环加工后放置足够长的时间 l o 第二章镶嵌密封环力学特征研究 或温度变化，其应力会释放出来引起端面波度变形。 4 ) 机械加工的影响 装夹力和切削力均会在环座上留下残余应力。如果不采取措施降低影响，它 们会使环座和环片圆度不达标，镶嵌完毕以后发生波度变形。工件椭圆时产生两 点变形，工件被三爪夹盘直接装夹时会产生三点变形。 5 ) 镶嵌方式的影响 目前对于环片的镶嵌主要采用压装法和热装法，这两种方法产生的残余应力 是有区别的。两种制造方法产生的镶嵌密封环在存放后变形的机理是不同的，使 用中性能也有很大差别。图2 2 所示的压装法对环座配合面和环片的内部损伤 大，残余应力复杂。压装法对施压的上下平台平行度要求较高，环片容易压斜， 如发生这种情况，环片将发生两点变形。而热装法，如果除去材质因素和加工因 素，残余应力主要来源于镶嵌抱紧力因素，且对于设计尺寸、结构一定的镶嵌环， 应力形式是固定的。 压力方向p 平台 6 ) 装配的影嗥 在镶嵌结构密i 直被广泛的使用。们 的性能。 2 4 密封环受力变形的计算 环片 环座 勺镶嵌结构密封环一 蔓形，从而影响密封 多年来，机械密封的理论和实践证明了产生流体膜承载能力的最基本的因素 是密封面的平行度、锥度和波度。通常在机械密封实践中追求符合平行面原则， 因此平行面机械密封是最常用的机械密封模型。因为密封面机械和温度变形是普 遍存在的，所以锥面机械密封是最广泛存在的机械模型3 4 1 。实际上机械密封的径 向锥度由四种原因产生，即初始斜度、磨损、热变形、以及压力变形。密封的锥 面模型必须综合考虑这些影响因素。本文提及的工艺优化也是我们工艺人员能够 考虑的重点在锥面变形这一块，要求尽可能消除初始变形、降低镶嵌环受热后镶 嵌力变化引起的变形。除以上两种常用模型外，还有因波度变形产生的波形面机 械密封【3 5 1 ，它们分别从不同角度来认知密封。对于镶嵌密封环的镶嵌力、工作压 力和温度变化引起环片发生扭转形成锥面的情况常见，以下提供出计算变形的方 法【姗。 基于圆环理论的矩形密封环变形简单计算方法，这些圆环简单计算方法都基 于皮采诺环形零件的轴对称变形理论的假设。 1 ) 计算位移时环的横截面形状不变。 承载时只有截面的平面位移和截面平面内转角，即忽略环本身在平面内的变 形，只有截面形心( 面心) 的位移和截面的转角由。 2 ) 环中任意点的应力状态是单轴的。 机械密封矩形环变形的计算方法，先后计算力变形和热变形的轴向力、径向 力与轴向温度梯度和径向温度梯度造成的变形分量叠加成总的变形，还有利用有 限元法的方法。 图2 - 3 作用于简单形状圆环的力矩与变形 f i g 2 - 3m o m e n ta