【《机械密封主体和零部件设计案例》6300字】

机械密封主体和零部件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u30611机械密封主体和零部件设计案例 IX第2章机械密封零部件设计2.1机械密封结构形式设计2.1.1密封端面宽度在机械密封中，密封端面的宽度是其中最重要的几个参数之一，应从多方面进行考虑。当强度和刚度允许时，密封端面的宽度应选择得尽可能小，以降低温升并起到润滑效果，机械密封的稳定性得以提高，介质的粘结相应减少。但是如果密封端面宽度过小，会引起端面压力增大、温度升高、磨损加剧，会影响整体的密封效果。密封环经常使用两种硬度相差较大的材料进行配合，一般来说，窄环常用较软的材料，宽环常用较硬的材料，避免密封环磨损后互相嵌套。端面接触宽度一般取3-6mm，此次设计中取密封端面宽度为b=5mm。2.1.2载荷系数机械密封的载荷系数是在摩擦副轴向力平衡条件下，各项轴向力与密封面上最大介质压力的比值，它反映了各种轴向力的作用和大小[18]。本机械密封实验装置介质为N32防锈透平油，粘度比较低，取载荷系数为K=0.75。2.1.3密封环结构的主要尺寸密封端面内径： （4-1）密封端面外径：D2=D1+2b=82.39+2*5=92.39mm 因此取窄环内径D1=82.50mm，外径D根据密封宽环端面宽度应比窄环端面宽度大1~3mm，因此本次设计，取宽环内径为81.50mm，外径为91.50mm。端面凸台高度e，一般取2~3mm，石墨、填充聚四氟乙烯、青铜等通常取3mm，碳化钨通常取2mm。由此软环（石墨）端面凸台高度：取e=3mm；在选择动环、静环和轴(或轴套)之间的配合间隙时，动环和静环的值通常取不同的。尽管动环与转轴没有相对运动，但是依然需要保证其具有一定浮动性，用来补偿转轴或者静环由于机械振动等产生的偏差影响，取直径间隙e1=0.5~1mm。对于静环，因为它与轴（或轴套）有相对运动，其间隙取值应稍微大一点，一般取值约2e动环与轴套之间的安全间隙一般为取0.5~1mm，取0.8mm；静环与轴套之间的安全间隙值取1.5mm。2.2摩擦副的材料选取摩擦副是动环和静环的总称，是构成机械密封环最主要的元件，密封端面应该确保始终能够紧密贴合，防止介质泄漏，同时动、静环应具有良好的耐磨性，具有浮动性。密封副材料是指动环与静环的端面材料。机械密封装置中及大部分的泄露都是由于密封副的不稳定、不合理造成的，首先要保证安装时密封副相互平行，其次密封副的选材也很重要。因此，正确合理地选用密封副材料，可以保证机械密封长久地、稳定地运行[19]。在机械密封中密封副材料应具备下列条件[20]：机械强度高，耐压和耐变形；耐干磨性、耐高负荷性，自润滑性能好；配对材料磨合性好，无过度磨损和腐蚀；耐磨性好，寿命长;导热性和散热性好；耐高温性能好；耐腐蚀性强，耐冲击；切削加工性好，成型性能好；气密性好；密度小。大多数场合，对于一般介质采用密封副材料软对硬组合，在密封副中软材料密封面主要靠承磨台的磨合和自润滑性来维持，硬材料密封面靠耐磨台的高精度来维持。浸渍树脂或金属的石墨材料，其导热性和自润滑性都很好，应优先考虑选用，强氧化性介质应选用陶瓷材料，强腐蚀介质应选用填充聚四氟乙烯，只有对于特别的含硬固体颗粒介质，才采用密封副材料硬对硬组和，如碳化钨-碳化钨。密封副在整个密封系统中十分重要，它的性能决定了密封系统的工作效果和使用期限，考虑到两种密封材料都选择硬质合金的话在接触摩擦的时候会加剧磨损甚至产生裂纹，所以综合考虑，最终，决定选用碳化硅作为静环材料，而动环材料选择浸树脂石墨，一软一硬相互配合作为密封副的材料。2.3辅助密封圈的选取辅助密封圈主要有三种类型即O型圈、V型圈和锲形圈，由于形状的不同，不同的密封圈其材料也有所区别，其中O型圈采用橡胶材料，V型圈和锲形圈采用聚四氟乙烯材料。另外，由于动环与静环密封圈在机械密封装置中起到的作用不相同，在设计和选材过程中需要分别考虑。其中动环的辅助密封圈的设计要求为：与动环保持一定的相对运动，在一定压力和温度范围内其密封性能不受影响，轴向移动阻力要小且对轴危害不大；静环的辅助密封圈的设计要求为：与静环保持相对静止，有足够的耐温、耐压能力，在受到外界一定的扰动时具备缓震能力，并使静环保持一定的浮动性[21]。密封位置如图4-1、图4-2所示。图4-1动环与轴套之间的密封图4-2静环与静环座之间的密封尽管密封环辅助密封圈的种类十分多样，但由于O型圈与密封面的贴合性较好，旋转时对密封具有缓冲和浮动作用，可以很好地调节机械工作压力、振动等引起的偏差，故选O型圈作为辅助密封圈，其材料为丁晴橡胶。2.4弹性元件2.2.1弹性元件及其他零部件材料选取弹簧在机械密封中的作用也非常重要，不仅要保证密封面的良好配合，而且要起到端面磨损后自动补偿的作用。因此，在机械密封中对弹簧材料的要求也比较高，要有高强度、高弹性极限、耐疲劳以及耐腐蚀，在长时间工作的过程中，要求这种材料不能降低或失去原有的弹性。因此，最终决定使用不锈钢作为制造弹簧的材料。机械密封的其他零件包括：（1）弹簧座；

（2）动环座、静环座；

（3）传动零件；

（4）固定环。

制造这些零部件，需要其具有相对较高的强度且具备较强的耐腐蚀性。综合考虑使用工况和材料的特性等方面，本次设计选择不锈钢作为加工制造这些零件的材料。2.2.2弹性元件设计计算与校核（1）设计计算弹簧工作载荷由公式（4-3）得：Fsp=pspA=pspπ(上式中G表示材料剪切模量，取为79000N/mm2；d表示弹簧丝的直径，取为0.6mm；f表示弹簧变形量，取为4mm；n表示弹簧的有效圈数，取为8；D表示弹簧中径，取为6.0mm；M表示弹簧个数，取为8个。Fsp=Gd4f8nD3M由公式（4-3），（4-4）求得弹簧压力比为0.086MPa。（2）设计校核液膜反压系数λ取为0.7。端面比压由公式（4-5）得：pc=ps+（K-λ）p=0.2+（0.75-0.7）*1.1=0.255MPa密封端面平均滑动转速由公式（4-6）得：v=πDn60=25.13m/s 上式中n为动环转速，单位为r/min；D为密封环端面平均直径，单位为m。要保证密封的性能达到所要求的标准，那么就必须要满足下式pcv<[pcv] pcv=0.255*25.13=6.41 查《密封设计手册》可知，当静环为碳石墨，动环材料为碳化硅时，满足pcv<[2.5轴结构设计及轴零件选择2.5.1轴套轴套是连接主轴和动环座并传递扭矩的零件。轴套的设计主要取决于主轴和密封环的结构，轴套应满足以下几点要求：（1）能够正常随主轴旋转，传递扭矩。（2）能够在主轴上准确定位和夹紧。（3）能够准确安装动环座，并使动环座正常旋转。根据以上要求，本实验装置中轴套材料选取Q235-B，轴套及轴套固定套结构如图4-3、图4-4所示。图4-3轴套结构图图4-4轴套固定套结构图2.5.2轴承轴承是支撑机械旋转体，降低运动中摩擦系数，并保证回转精度的部件，它是现代机械设备的重要组成部分。就其作用方面来讲应该是一个支撑，但这只是其作用的一部分，支撑其实本质问题就是承担径向载荷。也可以理解为是用于固定轴的。轴承结构图如图4-5所示。4-5轴承结构图轴承有很多种，包括滑动轴承，关节轴承，滚动轴承等。材料要有良好的解除疲劳强度、耐磨性、硬度、防锈性能、加工性能，还应当到达化学成分恰当、外部组织平均、非金属搀杂物少、外部外表缺点契合规范以及外表脱碳层不超越规则浓度等要求。本实验装置选用6307型和6309型深沟球轴承满足设计要求。2.6密封腔体设计计算与校核在机械密封中，密封腔也是非常重要的部件之一，因为密封腔直接关系到介质会不会泄漏。生产环境的不断变化就对设备提出更高的要求，无论是使用的压力环境，还是不适用的工作温度，都必须达到安全生产的要求。和其他工程设计一样，密封腔的设计应根据工况要求，进行结构设计和强度计算与校核。在本设计中，密封腔内的压力不高，介质腐蚀性小，所以对于密封腔的要求相对来说较低，满足基本的结构要求和压力要求即可。2.6.1密封腔的基本结构

对于密封腔的设计，应综合考虑各种要求，不仅在加工制造时有着比较低的成本和比较高的效率，更重要的是要满足在密封工作中的性能要求。基本结构见图4-6。图4-6

密封腔基本结构图2.6.2密封腔材料的要求与选择

密封腔主要起到承受工作介质压力的作用，同时也会受到工作介质的腐蚀，可以参考压力容器的选材标准。根据压力容器选材的标准，制造化工容器的材料多种多样，有黑色金属、有色金属、非金属材料以及复合材料，但是在这些材料里面使用最多的还是钢材。压力容器的生产制造涉及到多种加工手段，对于用来制造压力容器的材料也有比较高的要求。不是所有的钢板都可以用来作为制造压力容器的材料。就拿材料的强度来说，一种材料的强度的大小对厚度和其力学性能有着非常大的影响，合理的强度对于压力容器的性能的保障是非常关键的。在进行选择材料的时候不能一味的追求某一方面的性能参数，要综合各个方面进行全面的考虑，最终选用合理可靠的材料去加工制造压力容器。所以，对制造压力容器的材料可以进行分析选择的时候，在保证强度的同时还要兼具良好的塑性、韧性和可焊性，这也是压力容器用钢的基本要求。一般来说，压力容器的用钢有以下类型：

（1）碳素钢；（2）低合金钢；（3）合金钢。

在本设计中，选用的就是碳素钢。其中低碳钢可以用来制作压力容器，强度低，延展性好，焊接性好等特性可以适应压力容器制造工艺的各种需要。碳素钢中主要品种有Q235和20R两种。Q235类钢中Q235-B使用经验丰富，价格低廉，来源广泛。综合考虑多种方面的要求，对于密封腔的加工制造的材料选择使用Q235-B。2.6.3密封腔的计算

密封腔的强度设计方面包括密封腔材料的选择，确定密封腔壁厚，满足强度、刚度、稳定性等要求，以保证密封腔可以安全可靠的使用。对密封腔的加工制造材料选用以后，接下来对其壁厚开展计算。根据GB150《钢制压力容器》中的标准进行校核，因为本设计中是把密封腔认为是压力容器进行设计的，所以在进行校核的时候也以压力容器的校核方法进行。如果满足压力容器的校核要求，则密封腔的校核通过；如果不满足要求，则应该重头开始进行设计。校核方法如下：σ1≤[σ] 所以，对密封腔进行强度计算时，主要是确定σ1密封腔承受均匀内压时，设密封腔的平均直径为D，壁厚为t，其器壁中产生的压力为：σθ=pD2t σX=pD4t σZ≈0 显然，σ1σθ=pD2t≤[σ]t又D=Di+t，焊缝区的金属强度通常都低于母材，上式中[σ]t应乘以系数φσ1=p(Di对上式进行整理，并且以pc代替pt=pcDi2[σ]t式中：pct-计算厚度，mm；φ-焊接接头系数；Di-圆筒内直径，mm；[σ]t根据《化工压力容器》（第3版），可以得出以下数据（1）查附表1-1，取许用应力[σ]t（2）查表2-4，取焊接接头系数φ=1.