机械密封结构分析及设计

成都理工大学毕业设计论文题目：机械密封结构分析及设计所在院系：指导老师：学生学号：作者姓名：成都理工大学毕业设计(论文)机械密封结构分析及设计作者姓名： 专业班级： 指导教师： 摘要机械密封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。机械密封又称端面密封。本论文主要介绍了机械密封的工作原理和结构，对机械密封的材料、选型、冲洗、使用寿命以及维护等做了详尽地说明。以此为基础，对油泵的机械密封装置进行了设计以及校核计算。机械密封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、整台装置、甚至对整个工厂的安全生产都有很大的影响，特别是石油化工企业中，对设备运转可靠、装置连续生产具有重大的 意义。在石油化工企业中，所处理的流体（气体、液体）大多数具有腐蚀性、可燃性、易爆性及毒性，一旦密封失效、介质泄漏，不仅污染环境、影响人体健康和产品质量，而且还会导致火灾、爆炸和人生伤亡等重大事故。因此，不仅要注意和避免肉眼可视的液体泄漏，还应该避免不可视气体逸出。机械密封在工业中发挥了不可替代的作用，对工厂的安全生产影响非常的大。本人在总结和吸取前人的经验，针对性的设计出了特定工况的油泵机械密封装置。关键词：机械密封 泄漏 尺寸 结构 措施成都理工大学毕业设计(论文)Mechanical Seal Structural Analysis And DesignAbstract : Mechanical Seal is a device of axial face seal , which depend on stationary ring and a rotating ring , includes an elasticity element , to prevent the medium leaking . Mechanical seal also called face seal.In this paper, it introduces the Working principles and structure of the mechanical seal materials. Materials selection、 processing、 service life 、maintenance and so on of the mechanical Seal have been done a detailed explanation. On this basis, having done a calculation of design and verification of the oil pump mechanical seal.Mechanical seal is an indispensable parts in fluid machinery and power machinery. Mechanical Seal has a very important role to the whole modern industry , even to the equipment, the whole factory. Especially in the petro-chemical enterprises, Once the seal failure、 dielectric leakage, Mechanical Seal May lead to major accidents, the consequences would be unthinkable.Mechanical seal in the industry have played an irreplaceable role, Its impact on safety in production plants is very large. After I sum up and draw on the experience of their predecessors, I Designed pump mechanical seal for targeted condition-specific.Key words: Mechanical Seals Leakage Size Structure Measures成都理工大学毕业设计(论文)目录机械密封结构分析及设计 .1摘要 .1Mechanical Seal Structural Analysis And Design.2第 1 章 引 言 .11.1 机械密封的简介 .11.2 机械密封在国外的发展背景 .11.3 机械密封在国内的发展背景 .2第 2 章 机械密封的工作原理、结构和分类 .32.1 机械密封的工作原理: .32.2 机械轴封的三个密封点的密封原理 .32.3 机械密封结构 .42.4 机械密封的组成及特点 .52.4.1 组成 .52.4.2 特点 .52.5 机械密封和软填材料密封的对比有如下优缺点 .52.6 机械密封的结构类型 .62.6.1 机械密封的一般分类 .62.6.2 按结构形式分类 .72.6.3 按工作参数分类 .14第三章 机械密封材料 .153.1 机械密封材料的作用和要求 .163.1.1 机械密封材料的作用 .163.1.2 机械密封材料的要求 .163.2 摩擦副的材料选取 .173.3 辅助密封圈的材料 .183.4 弹性元件材料 .20第四章 机械密封选型及安装 .21成都理工大学毕业设计(论文)4.1 选型 .214.1.1 根据工作参数 p、v、t 选型 .224.1.2 根据介质特性选型 .224.2 机械密封的安装 .234.2.1 机械密封安装、使用技术要领 .234.2.2 机械密封安装注意事项 .234.2.3 机械密封的安装与使用要求 .264.2.4 机械密封技术的种类 .27第五章 机械密封装置设计 .285.1 机械密封设计考虑因素和依据 .285.1.1 机械密封设计考虑因素 .285.1.2 机械密封设计依据 .285.2 机械密封的设计程序 .295.3 机械密封有关参数 .295.3.1 载荷系数和平衡系数 .295.4 设计条件和参数： .315.5 设计选型与材料配对 .325.6 结构设计确定主要尺寸： .325.7 状态的确定 .335.8 间隙 .335.9 材料选用及结构设计 .335.10 性能的校核及参数的计算 .365.11 结构设计 .38第 6 章 冲洗原理及方式选择 .396.1 冲洗的作用原理 .396.2 机械密封冲洗方式的选择 .416.3 冲洗的安装方式 .42第 7 章 机械密封的可靠性分析 .43成都理工大学毕业设计(论文)7.1 机械密封的失效模式 .437.2 机械密封可靠性数据的收集与统计分析 .437.2.1 机械密封可靠性数据的收集 .437.2.2 机械密封可靠性数据的统计分析 .44第 8 章 机械密封的失效 .458.1 机械密封泄露和维护 .458.1.1 泄漏原因分析及判断 .458.1.2 解决措施 .468.2 机械密封腐蚀和维护 .498.2.1 金属环腐蚀 .498.2.2 非金属环腐蚀 .508.2.3 辅助密封圈及其接触部位的腐蚀 .518.2.4 防护方法 .518.2.5 维护与使用 .528.2.6 改进措施 .52第 9 章 机械密封正常运行和维护问题 .539.1 启动前的准备工作及注意事项 .539.2 安装与停运 .539.3 运转 .53结 论 .54致 谢 .55参考文献 .56成都理工大学毕业设计(论文)第 1 章 引 言1.1 机械密封的简介机械密封是一种旋转机械的油封装置。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露，如果设备内压力低于大气压，则空气向设备内泄露，因此必须有一个阻止泄露的轴封装置。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，所以当今世界上机械密封是在这些设备最主要的轴密封方式。机械密封是旋转轴动密封，分为接触式和非接触式两种，目前多数采用接触式机械密封，而非接触式机械密封正在发展当中，并已经引起人们的注意。根据石油化工行业调查，当今有 80%90%的离心泵轴封采用机械密封，凡是高温，高压，高速和腐蚀，有毒，易燃易爆及工作条件苛刻的场合几乎都采用机械密封。所以机械密封已经成为离心泵最主要的轴封方式。机械密封作为旋转设备中不可缺少的密封装置 ,机械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点 ,在泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用。据统计 ,为阻止动力输入轴与壳体间介质的泄漏 ,国外化工流程中 95 %左右的旋转设备采用了机械密封。1.2 机械密封在国外的发展背景机械密封最早于 1885 年在英国发明并获得专利，至 1900 年开始应用。1876 年第一台氨冷冻机出现以及空气分离技术的发展，直到本世纪 20 年代，机械密封在冷冻机装置上才得到应用，因此，世界上著名的密封公司如英国克兰密封公司（Crane Packing Ltd.）德国 Pacific 公司在 1923 年就从事机械密封件的生产，美国杜拉密封公司于 1934 年正式生产机械密封，起步较晚的日本比拉公司在 1950 年研究开发并于 1954 年生产机械密封。由于第二次世界大战和室友化工工业的发展，减少泄露，节省能源成为形势所需，因此，汽车制造业，泵制造业和石油化工企业广泛使用机械密封。成都理工大学毕业设计(论文)机械密封在美国是 1945 年普及，在日本 1955 年普及，德国对机械密封的研究使用较早，但是战争影响，直到战后才重新整顿发展，目前在密封理论研究方面又处于世界领先地位。1.3 机械密封在国内的发展背景国内机械密封应用起步较晚，在 50 年代开始对机械密封进行研究、制造并在炼油行业采用。1965 年兰州炼油厂、沈阳水泵厂等单位首先试制泵用机械密封，1966 年天津机械密封件厂开始生产机械密封。1970 年机械工业部、石油部、化工部所属科研、生产、使用单位组成联合设计组 ,参考了国外先进结构 ,联合设计 “系列泵用机械密封”。1975 年 ,机械工业部批准颁布了“泵用机械密封标准”。为了提高产品质量 ,加速密封技术的发展 , 1980 年以后陆续引进英国 CrqnePacking 有限公司、美国 Sealol 公司的普通机械密封,西德 Burgman 公司热流体动力型机械密封 ,日本 J H02 -064 Eagle 公司反应烧结碳化硅密封环 ,通过攻关、消化引进技术 ,使机械密封在品种、材料、技术参数等方要面都提高到一个新的水平。1993 年国家颁布了国标“GB/T14211-1993 机械密封试验方法”,1999 年国家机械工业局修订了“机械密封技术条件”和“机械密封分类方法”,为机械密封产品接近国外先进水平提供了保证。本论文是在前人的研究基础上对油泵的机械密封装置进行了解学习。并对机械密封的结构进行分析，对机械密封装置的维护进行深入研究，最终达到设计油泵的机械密封装置的目的。成都理工大学毕业设计(论文)第 2 章 机械密封的工作原理、结构和分类2.1 机械密封的工作原理:机械密封是用于旋转轴的密封，又称端面密封，其主要的特点是密封面垂直与旋转轴线，并且有弹性元件、辅助密封圈等构成的轴向磨损补偿机构。因此,也有简称机械密封为：“轴向滑动环密封”。由于对机械密封的说法众多，国际上也无统一的规定，现摘录国家标准 GB5894-86 中的有关机械密封的说明：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。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。机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。（用于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点，成为了主要的轴密封方式。2.2 机械轴封的三个密封点的密封原理（1）动环与轴之间的密封：也是用各种形状有弹性的辅助密封圈来防止液体从动环与轴之间泄漏。这是一个相对静止的密封。但当端面磨损时，允许其作补偿磨损的轴向移动。（2）动环与静环之间的密封：是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）和密封液体压力在相对运动的动环和静环的接触面（端面）上产生一适当的压紧力（比压）使两个光洁、平直的端面紧密贴合；端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的作用。这层膜具有液体动压力与静压力，它起着平衡压力和润滑端面的作用。两端面之所以必须高度光洁平直是为了给端面创造完美贴合和使比压均匀的条件，这是相对旋转密封。（3）静环与压盖之间的密封：通常用各种形状有弹性的辅助密封圈来防止液体从静环与压盖之间泄漏。这是一静密封。成都理工大学毕业设计(论文)2.3 机械密封结构图 2-3常用机械密封结构如图 2-3 所示。由静止环（静环）1、旋转环（动环）2、弹性元件 3、弹簧座 4、紧定螺钉 5、旋转环辅助密封圈 6 和静止环辅助密封圈 8 等元件组成，防转销 7 固定在压盖 9 上以防止静止环转动。旋转环和静止环往往还可根据它们是否具有轴向补偿能力而称为补偿环或非补偿还。机械密封中流体可能泄漏的途径有如图 2-3 中的 A、B、C、D 四个通道。C、D 泄漏通道分别是静止环与压盖、压盖与壳体之间的密封，二者均属静密封。B 通道是旋转环与轴之间的密封，当端面摩擦磨损后，它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上仍然是一个相对静密封。因此，这些泄漏通道相对来说比较容易封堵。静密封元件最常用的有橡胶 O 形圈或聚四氟乙烯 V 形圈，而作为补偿环的旋转环或静止环辅助密封，有时采用兼备弹性元件功能的橡胶、聚四氟乙烯或金属波纹管的结构。A 通道则是旋转环与静止环的端面彼此贴合作相对滑动的动密封，它是机械密封装置中的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。因此，对密封端面的加工要求很高，同时为了使密封端面间保持必要的润滑液膜，必须严格腔制端面上的单位面积压力，压力过大，不易形成稳定的润滑液膜，会加速端面的磨损；压力过小，泄漏量增加。所以，要获得良好的密封性能又有足够寿命，在设计和安装机械密封时，一定要保证端面单位面积压力值在最适当的范围。成都理工大学毕业设计(论文)2.4 机械密封的组成及特点2.4.1 组成机械密封近年来发展很快，根据不同的工况出现了各种各样的结构，但无论哪种结构都由以下四部分组成： 第 1 部分是端面密封环（摩擦副）-动环和静环。第 2 部分是缓冲补偿和压紧机构（弹性元件）-由弹簧、波纹管或者波纹管加弹簧的组合而成。第 3 部分是辅助密封端面密封环以外的防泄漏密封圈（如 O 形、V 形、楔形圈）或者密封垫。第 4 部分是传动件如弹簧座、锚固螺钉、推环、传动销等。以上 4 个部分构成机械密封组件。此外，为了提高机械密封的密封效果和延长使用寿命，附加循环、节流、冲洗冷却、阻封和杂质过滤等辅助装置。2.4.2 特点机械密封特点：机械密封有什么样的特点，机械密封的主要特点就是防止泄露!1.泄露量可以限制到很小主要主密封封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求，只要材料耐磨性好，机械密封可以达到很少的泄漏量，甚至肉眼看不见泄露。密封介质为液体时，泄漏量一般为 3ML/H 一下，但对于特殊情况以及米粉介质为气体时不受此限。2.寿命长机械密封中，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工作条件下不大，一般可以连续使用 1-2 年，个别场合也有用到 5-10 年的。3.运转中不用调整由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运动中自动保持接触，装配后就不用想普通软填料那样需调整压紧。成都理工大学毕业设计(论文)2.5 机械密封和软填材料密封的对比有如下优缺点与软填料对比的优点如下：（1）.密封可靠在长周期的运行中，密封状态很稳定，泄漏量很小，按粗略统计，其泄漏量一般仅为软填料密封的 1/100；（2）.使用寿命长在油、水类介质中一般可达 24 年或更长时间，在化工介质中通常也能达半年以上；（3）.摩擦功率消耗小机械密封的摩擦功率仅为软填料密封的 10%50%；（4）.轴或轴套基本上不受摩损；（5）.维修周期长端面磨损后可自动补偿，一般情况下，不需经常性的维修；（6）.抗振性好 对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感；（7）.适用范围广机械密封能用于低温、高温、真空、高压、不同转速，以及各种腐蚀性介质和含磨粒介质等的密封。与软填料对比的缺点如下：（1）.结构较复杂，对制造加工要求高；（2）.安装与更换比较麻烦，并要求工人有一定的安装技术水平；（3）.发生偶然性事故时，处理较困难；（4）.一次性投资高。2.6 机械密封的结构类型2.6.1 机械密封的一般分类为了适应不同工作条件的需要，机械密封有多种不同的型式。1、按密封端面的对数，分为单端面、双端面等机械密封。单端面在密封装置中只有一对密封端面。它结构简单，是常用的机械密封型式。双端面在密封装置中具有两对密封端面。它结构复杂，适用于强腐蚀、易燃易爆、有毒有害介质以及真空的场合。2、按密封流体作用在密封端面上的压力是卸荷或不卸荷，可分为平衡成都理工大学毕业设计(论文)式和非平衡式机械密封。平衡式密封流体作用在密封端面上压力部分卸荷或全部卸荷。非平衡式密封流体作用在密封端面上的压力不卸荷。平衡式适用于中、高压条件的机械密封；非平衡式适用于低压条件的机械密封。3、按弹簧是否置于密封流体之内，分为弹簧内置式和弹簧外置式机械密封。弹簧内置式弹簧置于密封流体之内。弹簧外置式弹簧置于密封流体之外。弹簧内置式的密封端面受力状态好，泄漏量小，冷却与润滑好。所以，除了带腐蚀性的介质外，应尽可能采用内置式结构。4、按补偿结构中的弹簧个数，分为单弹簧式和多弹簧式的机械密封。单弹簧式在补偿机构中只有一个弹簧。它用于负荷较轻、轴径较小的场合。多弹簧式在补偿机构中有多个弹簧。用于较大轴径。密封端面上弹簧力分布较均匀，但弹簧丝直径小，腐蚀对弹簧影响较大。5、按补偿机构是否随轴旋转，分为旋转式和静止式机械密封。旋转式补偿环随轴旋转。静止式补偿环不随轴旋转。一般的机械密封常采用旋转式，因为补偿机构及轴的结构简单，径向尺寸较小。但在高速条件下，补偿环及其它转动零件产生的离心力影响较大，动平衡要求高，采用静止式较为合适。2.6.2 按结构形式分类机械密封按结构型式分类，其基本类型有：1.平衡式和非平衡式机械密封能使介质作用在密封端面上的压力卸荷的为平衡式，不能卸荷的为非平衡式。按卸荷程度不同，前者又分为部分平衡式（部分卸荷）和过平衡式（全部卸荷）。平衡式密封（图 2.6.2-1a）端面上所受的作用力随介质压力的升高而成都理工大学毕业设计(论文)变化较小，因此适用于高压密封；非平衡式密封（图 2.6.2-1b）密封端面所受的作用力随介质压力的变化较大，因此只适用于低压密封。平衡式密封能降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，承载能力大，但其结构较复杂，一般需在轴或轴套上加工出台阶，成本较高。后者结构简单，介质压力小于 0.7MPa 时广泛作用。图 2.6.2-1 平衡式与非平衡式机械密封a)平衡式；b）非平衡式2.内置式和外置式机械密封弹簧和动环安装在密封箱内与介质接触的密封为内置（装）式密封（见图2.6.2-2a）；弹簧和动环安装在密封箱外不与介质接触的密封为外置（装）式密封（见图 2.6.2-2b）。前者可以利用密封箱内介质压力来密封，机械密封的元件均处于流体介质中，密封端面的受力状态以及冷却和润滑情况好，是常用的结构型式。外置式机械密封的大部分零件不与介质接触，暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外置式结构的介质作用力与弹性元件的弹力方向相反，当介质压力有波动，而弹簧补偿量又不大时，会导致密封环不稳定甚至严重泄漏。外置式机械密封仅用于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低的场合。 成都理工大学毕业设计(论文)图 2.6.2-2 内置式和外置式机械密封a）内置式；b）外置式3.内流式和外流式机械密封介质泄漏方向与离心力方向相反的密封为内流式密封（见图 2.6.2-3a）；介质泄漏方向与离心力方向一致的密封为外流式密封（见图 2.6.2-3b）。由于内流式密封中离心力阻止泄漏流体，其泄漏量较外流式少，前者适用于高压，速度高时，密封可靠。为加强端面润滑采用后者较合适，但介质压力不宜过高，一般为 12MPa。图 2.6.2-3 内流式和外流式机械密封a）内流式；b）外流式成都理工大学毕业设计(论文)4.静止式和旋转式机械密封弹簧不随轴一起旋转的密封为静止式密封（见图 2.6.2-4a）；弹簧随轴一起旋转的密封为旋转式密封（见图 2.6.2-4b）。由于静止式密封的弹簧不受离心力影响，常用于高速机械密封中。旋转式机械密封的弹性元件装置简单，径向尺寸小，是常用的结构，但不宜用于高速条件，因高速情况下转动件的不平衡质量易引起振动和介质被强烈搅动。因此，线速度大于 30m/s 时，宜采用弹簧静止式机械密封。 图 2.6.2-4 静止式和旋转式机械密封a）静止式；b）旋转式5.单弹簧式和多弹簧式机械密封补偿机构中只有一个弹簧的机械密封称为单弹簧式机械密封（见图 2.6.2-5a）或叫大弹簧式机械密封，补偿机构中含有多个弹簧的机械密封称多弹簧式机械密封（见图 2.6.2-5b）或小弹簧式机械密封。单弹簧式机械密封端面上的弹簧压力，尤其在轴径较大时分布不够均匀。多弹簧式机械密封的弹簧压力分布则相对比较均匀，因此单弹簧式的机械密封常用于较小轴径（d80150mm轴径），而多弹簧式适用于大轴径高速密封。但多弹簧的弹簧丝径细，由于腐蚀或结晶颗粒积聚易引起弹簧失效，这时宁可采用单弹簧式。 成都理工大学毕业设计(论文)图 2.6.2-5 单弹簧式和多弹簧式机械密封a）单弹簧式；b）多弹簧式6.单端面式和双端面式机械密封由一对密封端面组成的为单端面密封（见图 2.6.2-6a），由二对密封端面组成的为双端面密封（见图 2.6.2-6bc）。单端面密封结构简单，制造、安装容易，一般于介质本身润滑性好和允许微量泄漏的条件，是常用的密封型式，当介质有毒、易燃、易爆以及对泄漏量有严格要求时，不宜使用。双端面密封有轴向双端面密封和径向双端面密封。沿径向布置的双端面密封结构较轴向双端面密封紧凑。双端面密封适用于介质本身润滑性差、有毒、易燃、易爆、易挥发、含磨粒及气体等。轴向双端面密封有面对面或背靠背布置的结构，工作时需在两对端面间引入高于介质压力 0.050.15MPa 的封液以改善端面间的润滑及冷却条件，并把介质与外界隔离，有可能实现介质“零泄漏”。成都理工大学毕业设计(论文)图 2.6.2-6 单端面式和双端面式机械密封a）单端面式；b）轴向双端面式；c）径向双端面密封7.接触式和非接触式机械密封接触式机械密封（见图 2.6.2-7a）是指密封面微凸体接触的机械密封，密封面间隙 h=0.52m。摩擦状态为混合摩擦和边界摩擦；非接触式机械密封是指密封面微凸体不接触的机械密封，密封面间隙对于流体动压密封h2m，对于流体静压密封 h5m。摩擦状态为流体摩擦、弹性流体动力润滑。 普通机械密封大都是接触式密封，而可控间隙机械密封是非接触式密封。接触式密封结构简单、泄漏量小，但磨损、功耗、发热量都较大。在高速、高压下使用受一定限制。非接触式密封发热量、功耗小，正常工作时没有磨损，能在高压高速等苛刻工况下工作，但泄漏量较大。非接触式又分为流体静压（见图 2.6.2-7b）和流体动压（见图 2.6.2-7c）两类。流体静压密封，系指利用外部引入的压力流体或被密封介质本身，通过密封端面的压力降产生流体静压效应的密封。流体动压密封系指利用端面相对旋转自行产生流体动压效应的密封，如螺旋槽端面密封。成都理工大学毕业设计(论文)图 2.6.2-7 接触式和非接触式机械密封a）接触式；b）静压效应密封；c）动压效应密封8.单级式和双级式机械密封使密封介质处于一种压力状态为单级（见图 2.6.2-8a），处于二种或二种以上压力状态为双级或多级机械密封（见图 2.6.2-8b）。前者与单端面密封相同，后者各级密封串联布置，介质压力依次递减，可用于高压工况。图 2.6.2-8 单级式和双级式机械密封 a)单级式 b)多级式9.波纹管型机械密封成都理工大学毕业设计(论文)波纹管材料有金属、聚四氟乙烯、橡胶等，分别称为金属（见图 2.6.2-9a）、聚四氟乙烯（2.6.2-9b）和橡胶波纹管型（见图 2.6.2-9c）机械密封。波纹管型密封在轴上没有相对滑动，对轴无磨损，跟随性好，适用范围广。金属波纹管与焊接金属波纹管和液压成型波纹管，其本身能代替弹性元件，耐蚀性好，可在高、低温下使用。聚四氟乙烯耐蚀性好，可用于各种腐蚀介质中。橡胶价格便宜，使用广泛，使用温度受橡胶材料的限制。 图 2.6.2-9 波纹管型机械密封a）焊接金属波纹管型；b）聚四氟乙烯波纹管型；c）橡胶波纹管型2.6.3 按工作参数分类机械密封按不同的工作参数可以做如下分类：按密封腔温度分 t150 高温机械密封成都理工大学毕业设计(论文)80t150 中温机械密封-20t80 普温机械密封t-20 低温机械密封p15MPa 超高压机械密封3p15MPa 高压机械密封1p3MPa 中压机械密封常压p1MPa 低低机械密封按密封腔压力分负压 真空机械密封100m/s 超高速机械密封25100m/s 高速机械密封按密封端面速度分25m/s 一般速度机械密封d120mm 大轴径机械密封25d120mm 一般轴径机械密封按轴径尺寸分d25mm 小轴径机械密封满足下列条件之一，p3MPa；t-20或 t15025m/s；d120mm重型机械密封满足下列条件：p0.5MPa；0t80;10m/s；d40mm轻型机械密封按工作参数分不满足重型和轻型的其他密封 中型机械密封强酸、强碱及其他强腐蚀介质耐强腐蚀介质机械密封油、水、有机溶剂及其它弱腐蚀介质耐油、水及其它弱腐蚀性介质机械密封按使用介质分含磨粒介质 耐磨粒介质机械密封第三章 机械密封材料通常使用的机械密封就是接触式密封，引用装置用的机械密封也是接触式密封，所以，合理选用摩擦副材料，对于保护密封性能、延长密封件使用寿命，减少备件费用等具有重要的意义。3.1 机械密封材料的作用和要求 3.1.1 机械密封材料的作用机械密封最大的特点就是密封端面不断摩擦，从摩擦角度看，机械密封材料主要为摩擦副材料。机械密封的密封性能和使用寿命，与各零件的材料有关，成都理工大学毕业设计(论文)尤其是端面密封（摩擦副）的材料，辅助密封的材料和弹簧的材料。实践证明，一种机械密封的摩擦副材料选配得当，如同结构设计合理一样重要。一对摩擦副做相对滑动，由此产生的摩擦热和磨损，虽然从设计、使用各方面考虑，希望在摩擦面形成液体膜，不至于发生干摩擦。引进的机械密封图纸上常常注有：“所有密封不允许在干摩擦状态下运行。”但是实际操作中还是会出现干摩擦运转。所以：密封面以固体接触来考虑，还要考虑到可能发生短期干摩擦。3.1.2 机械密封材料的要求A对机械密封摩擦副材料的要求：1. 耐磨性能好；2. 良好的导热性能；3. 搞的热稳定性和抗热冲击性；4. 化学稳定性好；5. 机械强度高、刚性大、变形小；6. 加工、成型方便、材料来源广。B密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，以及设备的工作条件不同，要求密封材料的具有不同的适应性。对密封材料的要求一般是：（1） 材料致密性好，不易泄露介质；（2） 有适当的机械强度和硬度；（3） 压缩性和回弹性好，永久变形小；（4） 高温下不软化，不分解，低温下不硬化，不脆裂；（5） 抗腐蚀性能好，在酸，碱，油等介质中能长期工作，其体积和硬度变化小，且不粘附在金属表面上；（6） 摩擦系数小，耐磨性好；（7） 具有与密封面结合的柔软性；（8） 耐老化性好，经久耐用；（9） 加工制造方便，价格便宜，取材容易。根据要求，机械密封摩擦副材料通常分为：硬质材料（如金属、金属氧化成都理工大学毕业设计(论文)物、金属碳化物等）和软质材料（主要为石墨）两大类。为了应付恶劣的工作条件和事故性运转，一般机械密封摩擦副材料采用硬-软相配，只有在特殊情况下或者介质有颗粒、浆料时才采用硬-硬相配。关于动静材料具体匹配的问题我们认为：“虽然从动力学观点来看，选用哪种材料做动环或者静环没有差别，但是实际上动环和静环的材料选择直接影响密封效果。这是由于动环形状复杂，在受压或压力波动的情况下容易产生角变形，而使密封无法保证。所以动环一般选用弹性模量大的硬材料，静环使用相对较软的材料匹配。”国内机械密封动、静材料配对也采用这种说法。而从引进的机械密封动静材料匹配的统计数字表明，国外机械密封公司对动静材料匹配的问题采取灵活的办法，而且有 68%的动环采用石墨材料。3.2 摩擦副的材料选取摩擦副材料有石墨、陶瓷、堆焊硬质合金、碳化钨合金、SiC、填充聚四氟乙烯、锡青铜、钢结硬质合金、不锈钢、酚醛塑料等。常用材料的性质如下：（1）石墨石墨的优点是耐腐蚀性和自润滑性好，摩擦系数小，耐热冲击性好并容易加工，缺点是机械强度低，有孔隙。石墨的这两个缺点可以用浸渍和渗碳的方法改善。浸渍石墨可分为浸树脂和浸渍金属两种。浸树脂石墨耐腐蚀性好，但不耐高温（耐温约 170200）；浸渍金属石墨高温性好（浸青铜、铝、铅等耐高温可达 400500），但耐腐蚀性差。石墨是使用最广泛的非金属材料，用作中低转速机械密封的动环和高速机械密封的静环。好的石墨，肉眼看来致密，手指摸上去不大脱粉，不大染黑手指。（2）陶瓷陶瓷的优点是耐腐蚀性好，硬度很高，耐磨性好，缺点是脆性大以及硬度过高而难以加工。应用较多是氧化铝陶瓷，还有金属陶瓷。陶瓷多用于腐蚀性介质、中低速的场合。（3）堆焊硬质合金在碳钢、铬钢和铬镍钢的密封面上堆焊硬质合金，优点是硬度高，耐磨性成都理工大学毕业设计(论文)好，耐温性好（500以下），耐腐蚀或汽蚀性好，缺点是易产生气孔、夹渣和表面硬度不均匀。（4）碳化钨合金由碳化钨、碳化钛等硬度高、熔点高的金属碳化物，是用加粘结剂粉末冶金的办法，压制烧结成型。优点是硬度、强度都很高，耐磨、耐高温、耐腐蚀，线膨胀系数低，缺点是性脆，加工困难。碳化钨是应用最广泛的端面密封副材料，多用作中低转速机械密封的静环，高速机械密封的动环。3.3 辅助密封圈的材料对辅助密封材料的要求是弹性好，摩擦系数小，耐磨、耐热和低温性好，抗介质腐蚀、溶解和老化等，此外还要求在压缩后和长期使用中残余变形好。常用的辅助密封圈材料是橡胶和聚四氟乙烯，此外还有软聚氯乙烯。辅助密封材料一般使用橡胶材料比较多。橡胶有较好的弹性、缓冲性、吸振性、耐热性、耐腐蚀性。橡胶密封圈的密封效果好，应用最广泛。常用的橡胶有硅橡胶、丁晴橡胶、氯丁橡胶和氟橡胶等。橡胶密封制品常用材料如下。（1）丁腈橡胶丁腈橡胶具有优良的耐燃料油及芳香溶剂等性能，但不耐酮，酯和氯化氢等介质，因此耐油密封制品以及采用丁腈橡胶为主。（2）氯丁橡胶氯丁橡胶具有良好的耐油和耐溶剂性能。它有较好的耐齿轮油和变压器油性能，但不耐芳香族油。氯丁橡胶还具有优良的耐天候老化和臭氧老化性能。氯丁橡胶的交联断裂温度在 200以上，通常用氯丁橡胶制作门窗密封条。氯丁橡胶对于无机酸也具有良好的耐腐蚀性。此外，由于氯丁橡胶还具有良好的挠曲性和不透气性，可制成膜片和真空用的密封制品。（3）天然橡胶天然橡胶与多数合成橡胶相比，具有良好的综合力学性能，耐寒性，较高的回弹性及耐磨性。天然橡胶不耐矿物油，但在植物油和醇类中较稳定。在以成都理工大学毕业设计(论文)正丁醇与精制蓖麻油混合液体组成的制动液的液压制动系统中作为密封件的胶碗，胶圈均用天然橡胶制造，一般密封胶也常用天然橡胶制造。（4）氟橡胶氟橡胶具有突出的耐热（200250），耐油性能，可用于制造气缸套密封圈，胶碗和旋转唇形密封圈，能显著地提高使用时间。（5）硅橡胶硅橡胶具有突出的耐高低温，耐臭氧及耐天候老化性能，在-70260的工作温度范围内能保持其特有的使用弹性及耐臭氧，耐天候等优点，适宜制作热机构中所需的密封垫，如强光源灯罩密封衬圈，阀垫等。由于硅橡胶不耐油，机械强度低，价格昂贵，因此不宜制作耐油密封制品。（6） 三元乙丙橡胶三元乙丙橡胶的主链是不含双键的完全饱和的直链型结构，其侧链上有二烯泾，这样就可用硫磺硫化。三元乙丙橡胶具有优良的耐老化性，耐臭氧性，耐候性，耐热性（可在 120环境中长期使用），耐化学性（如醇，酸，强碱，氧化剂），但不耐脂肪族和芳香族类溶剂侵蚀。三元乙丙橡胶在橡胶中密度是最低的有高填充的特性，但缺乏自粘性和互粘性。此外，三元乙丙橡胶有突出的耐蒸汽性能，可制作耐蒸汽膜片等密封制品。三元乙丙橡胶已广泛用于洗衣机，电视机中的配件和门窗密封制品，或多种复合体剖面的胶条生产中。（7） 聚氨脂橡胶聚氨脂橡胶具有优异的乃磨性和良好的不透气性，使用温度范围一般为-2080。此外，还具有中等耐油，耐氧及耐臭氧老化特性，但不耐酸碱、水、蒸汽和酮类等。适于制造各种橡胶密封制品，如油封、O 形圈和隔膜等。（8） 氯醚橡胶氯醚橡胶兼有丁腈橡胶，氯丁橡胶，丙烯酸酯橡胶的优点，其耐油、耐热、耐臭氧、耐燃、耐碱、耐水及耐有机溶剂性能都很好，并有良好的工艺性能，其耐寒性较差。在使用温度不太低的情况下，氯醚橡胶仍是制造油封，各种密封圈，垫片，隔膜和防尘罩等密封制品的良好材料。（9） 丙烯酸酯橡胶成都理工大学毕业设计(论文)丙烯酸酯橡胶具有耐热油（矿物油，润滑油和燃料油），特别是在高温下的耐油稳定性能，一般可达 175，间隙使用或短时间可耐温 200。它的缺点是耐寒性差。因此在非寒冷地区适合制作耐高温油的油封，但不适合作高温下受拉伸或压缩应力的密封制品。还有一种材料就是聚四氟乙烯，聚四氟乙烯的优点是化学稳定性、耐油、耐溶解、耐湿性优异，摩擦系数低，适用于各种腐蚀介质，缺点是弹性比橡胶差，易产生永久变形。本论文设计的为油泵机械密封装置，介质为原油，故选用聚四氟乙烯做为辅助密封材料。3.4 弹性元件材料（1）弹簧材料对弹簧材料的要求是：弹性好、耐介质腐蚀。常用弹簧材料有不锈弹簧钢（1Cr18Ni9Ti 等）、铬钢（3Cr13、4Cr13 等）、碳素弹簧钢（60Si2Mn 等）和磷青铜。（2）波纹管材料对波纹管材料的要求是：良好的焊接性能；较大的弹性；一定的耐腐蚀性。常用的波纹管材料有铁基、铜基和镍基合金以及钛材等。一般以铁基中的镍铬奥氏体带材为主，尤以 1Cr18Ni125MnMo2Ti 用得最多。高镍弹性合金被认为是制作波纹管较理想的材料，含铝的材料用一般焊接技术时会遇到困难。目前国外用得最多的波纹管材料有 AM350（近似 Cr16Ni45MnMo3N）属于固溶体、低强度、低硬度、高延伸率。第四章 机械密封选型及安装机械密封件属于精密、结构较为复杂的机械基础元件之一，是各种泵类、反应合成釜、透平压缩机、潜水电机等设备的关键部件。其密封性能和使用寿命取决于许多因素，如选型、机器的精度、正确的安装使用等。成都理工大学毕业设计(论文)4.1 选型机械密封件属于精密、结构较为复杂的机械基础元件之一，是各种泵类、反应合成釜、透平压缩机、潜水电机等设备的关键部件。其密封性能和使用寿命取决于许多因素，如选型、机器的精度、正确的安装使用等。机械密封按工作条件和介质性质的不同，有耐高温、耐低温机械密封，耐高压、耐腐蚀机械密封，耐颗粒介质机械密封和适应易汽化的轻质烃介质的机械密封等，应根据不同的用处选取不同结构型式和材料的机械密封。选型的基本原则为：（1）根据密封腔体压力，确定密封结构采用平衡型或非平衡型，单端面或双端面等。（2）根据工作速度，确定采用旋转式或静止式，流体动压式或非接触型。（3）根据温度及流体性质，确定摩擦副和辅助密封材料，以及正确选择润滑、冲洗、保温、冷却等机械密封循环保护系统等。（4）根据安装密封的有效空间，确定采用多弹簧或单弹簧或波形弹簧，内装式或外装式。机械密封结构型式的选择是设计环节中的重要步骤，必须先进行调查：工作参数介质压力、温度、轴径和转速。介质特性浓度、粘度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维杂质，是否易汽化或结晶等。主机工作特点与环境条件连续或间歇操作；主机安装在室内或露天；周围气氛性质及气温变化等。 主