《机械设计》-第二十一章密封装置

第一节概述密封的功能一是防止机器内部的液体或者气体从两零件的接合面间泄漏出去;二是防止外部的杂质、灰尘侵入，保持机械零件正常工作的必要环境。起密封作用的零、部件称为密封件或密封装置，简称密封。密封的好坏，直接关系到一个机器的工作质量和使用寿命，切不可掉以轻心。有些场合，密封的可靠程度尤为重要，比如飞机和航天器上的密封，毒气、毒液储罐，易燃、易爆气体储罐等的密封。多数密封件已标准化、系列化，根据工作条件和使用要求加以选用即可。返回第二节密封类型与选择一、密封的类型密封按被密封的两接合面之间是否有相对运动，而分为静密封和动密封两大类。动密封又按密封件和被密封面间是否有间隙，分为接触式动密封和非接触式动密封。具体分类如图21一1所示。二、密封的选择1.密封形式的选择密封的形式五花八门，多种多样，作用和原理各不相同，在实际使用过程中，要根据使用场合、工作条件合理地选择密封的形式。如非接触式动密封，可以用在转速比较高的场合，但密封的可靠程度有限;接触式动密封密封可靠，但由于有摩擦磨损的存在，不宜用在旋转速度较高的场合;对于有一定的压力和转速较高的轴的密封，要选用机械密封等。下一页返回第二节密封类型与选择2.密封材料的选择用于密封件的材料常有以下几种:(1)液体材料。多为高分子材料，如液态密封胶、厌氧胶、热熔型胶等，它们在使用过程中通常会固化。主要用于静密封。(2)纤维材料。植物纤维有棉、麻、纸、软木等;动物纤维有毛、毡、皮革等;矿物纤维有石棉等;人造纤维有玻璃纤维、碳纤维、有机合成纤维、陶瓷纤维等。主要用于垫片、软填料、油封、防尘密封件等。矿物纤维可以耐酸、耐碱、耐油，工作温度最高可达到450℃。(3)弹塑性体。主要有橡胶和塑料。橡胶类有天然橡胶和合成橡胶之分。(4)无机材料。主要有石墨和工程陶瓷，如氧化铝瓷、滑石瓷、金属陶瓷氧化硅等。上一页下一页返回第二节密封类型与选择(5)金属材料。黑色金属有碳钢、铸铁、不锈钢等，有色金属有铜、铝、锡、铅等，硬质合金有钨钻硬质合金、钨钻钦硬质合金等，贵重金属有金、银、锢、担等。主要用于垫片、软填料、硬填料、成型填料、防尘密封件、机械密封、间隙密封等。可耐酸、耐碱，最高工作温度可达450℃。贵重金属主要用于高真空、高压和低温等场合。上一页返回第三节静密封一、垫片密封垫片密封是静密封中最常用的一种形式。在两连接件的密封面之间垫上不同材质的密封垫片，然后拧紧螺纹或螺栓，使垫片产生弹性和塑性变形，填塞密封面的不平处，达到密封的目的。化工设备、真空设备、制药设备等容器的法兰之间、法兰和法兰盖之间、减速器的箱体和箱盖之间、轴承端盖和箱体之间都属于垫片密封，见图21一2。二、研合面密封靠两密封面的精密研配来消除间隙，用外力压紧来保证密封。在实际使用中，密封面往往涂敷密封胶，以提高严密性。密封面的表面粗糙度Ra≈2~5μm，自由状态下，两密封面之间的间隙不大于0.05mm。多用于汽轮机、燃气轮机等汽缸接合面的密封，见图21-3。下一页返回第三节静密封三、O形圈密封O形圈装入密封沟槽后，其截面一般受到15%一30%的压缩变形。在介质压力的作用下，移至沟槽的一边，封闭住需要密封的间隙，达到密封的目的。O形圈密封寿命长，结构紧凑，装拆方便，密封性能好。不同材料的O形圈，可在一100℃一260℃的温度范围和100MPa的压力下使用，见图21-4。如果在更高或更低的温度和压力条件下工作，可以采用金属空心O形环密封，它可以在280MPa压力下工作，温度范围为-250℃~650℃。金属空心O形环工作时被压扁的高度h大约为自由时的70%，见图21-5。上一页下一页返回第三节静密封四、密封胶密封用刮涂、压注等方法将密封胶涂在要压紧的两个面上，靠胶的浸润性填满密封面的凹凸不平处，形成一层薄膜，能有效起到密封作用。它密封牢固、方法简单、效果好，但耐温性差，通常用于150℃以下。上一页返回第四节动密封一、非接触式动密封1.间隙密封间隙密封是靠相对运动件的配合面之间的微小间隙防止泄漏而实现的密封。它的工作原理是基于流体豁性摩擦理论，即当油液通过缝隙时，存在一定的豁性阻力而起密封作用，见图21-6。间隙密封性能的好坏与间隙的大小、间隙的长度、内外压力差、均压槽等因素有关。2.离心密封离心密封主要是利用轴在旋转时产生的离心力，将泄漏出来的润滑油再甩回到油腔，见图21-7。在设计时，轴承端盖收集泄漏油的集油腔空间要大点，回油通道要顺畅，见图21一7(a),(b)。也有在轴上直接开螺旋槽，在紧贴轴承处安装一甩油环，将油再甩回去，螺旋槽的旋转方向要保证轴在旋转时是使油甩到油腔里，而不是相反，这种密封通常只能在单向回转的轴上使用，见图21-7(c)。下一页返回第四节动密封3.迷宫密封迷宫密封是在需要密封的表面上加工出几个拐弯的沟槽，形成像迷宫一样的“曲路”，使泄漏的介质在沟槽里产生压力降，不能顺畅地通过，即可形成密封。当环境比较脏和比较潮湿时，采用迷宫密封是相当可靠的。曲路的布置可以是轴向的，也可以是径向的，见图21-8。当采用轴向曲路时，假若轴的热伸缩比较大或者设计不严谨，都有使旋转片和固定片相接触的可能，因此，一般情况下以径向布置为宜。曲路的径向间隙。，按照轴径大小的不同取值从0.2mm到0.5mm不等;曲路的轴向间隙f，按照轴径大小的不同取值从1.0mm到2.5mm不等。工作时沟槽内涂满润滑脂，以增加密封效果。上一页下一页返回第四节动密封二、接触式动密封1.密封圈密封(1)毡圈密封。在轴承端盖上开出梯形槽，将毡圈(按标准选取)放置在梯形槽中与轴密合接触，见图21-9(a)。这种密封主要用于脂润滑的场合，它结构简单，使用简便，但摩擦较大，只适用于线速度较小(不大于4一5m/s)的场合。与密封毡圈相接触的轴表面若经过抛光且毛毡质量较高时，线速度可达到7一8m/s。按照轴的直径确定沟槽的尺寸和毡圈的尺寸，见图21-9(b)、(c)。也可将两个毡圈并排放置以增强密封效果，见图21一9(d)。(2)O形圈密封。O形圈用作动密封时，主要用于移动密封，如活塞和活塞杆的密封，见图21一10(a)。当圆周速度小于2m/s时，也可用于旋转密封，见图21一10(b)。上一页下一页返回第四节动密封O形密封圈在安装时具有很大的压缩量，O形密封圈就是依靠这种压缩量所产生的反弹力来进行密封的。当工作压力大于10MPa时，为了防止密封圈挤入间隙造成咬伤，应在密封圈与工作压力相对的一侧加保护挡圈，假如承受双向压力，则密封圈的两侧都应当加保护挡圈，见图21一11。(3)唇形密封。唇形密封是依靠其唇形部分与被密封面紧密接触来进行密封的，即唇形密封圈是应用唇边的过盈尺寸来完成密封的。唇形密封圈的种类繁多，它可制成V形、Y形、U形、L形、J形等形状，见图21一12。它装填方便、更换迅速，但与O形密封圈相比，有结构复杂、尺寸较大、摩擦阻力大等缺点。在许多场合，它已被O形密封圈所替代。现在主要应用在往复运动的零部件中。上一页下一页返回第四节动密封(4)油封密封。油封密封是依靠其弯折了的橡胶弹性力和附加的环形螺旋弹簧的扣紧作用而紧套在轴上，阻断泄露间隙，达到密封作用。它是用于旋转轴的唇形密封圈。典型油封的剖面形状见图21-13。自由状态下的油封，内径比轴的小，即具有一定的过盈量，油封装进轴以后，这个过盈量会对轴产生一定的抱紧力，油封腰部由于介质压力的作用也会对轴产生一个腰部的弹性力，另外，弹簧也会对轴产生一个自紧力。但随着使用时间的增加，油封材料的老化，抱紧力将逐步减小，因此主要靠腰部的弹力和弹簧的自紧力随时补偿自紧。油封的安装和唇形密封圈一样，密封唇的方向要朝向密封的部位，即开口应向着密封介质，油封受压变形，唇口与轴贴得越紧，密封效果就越好。若是为了封油，密封唇应对着轴承，见图21-14(a);若主要是为了防止外物侵入，则密封唇应背着轴承，见图21一14(b)，若两个作用都要有，应使用背对背放置的两个唇形密封圈，见图21一14(c)。上一页下一页返回第四节动密封2.软填料密封软填料密封是将各种适合作为密封材料的软填料，用压盖压入需要密封的间隙中，以达到密封的作用。适合于轴旋转的线速度不大于10m/s的场合。软填料密封发热和磨损很严重，使用寿命最长不超过半年。通过重新压紧端盖，可以补偿填料的磨损，见图21一15。3.涨圈密封涨圈通常是由金属制造的带有切目的弹性环，放入槽中后，靠涨圈本身的弹力，使外圈紧贴在壳体上，不随轴转动。由于介质压力的作用，涨圈一端面紧压在涨圈槽的一侧，产生相对运动，用液体进行润滑和堵漏，从而达到密封的作用。涨圈密封既可用于往复运动件的密封，也可用于旋转运动件的密封。涨圈密封必须有可靠的液体润滑，通常用于液体介质的密封，如密封油的装置。用于气体密封时，要有油来润滑摩擦面。涨圈密封见图21一16。上一页返回第五节机械密封机械密封也称端面密封，属于接触式动密封，常用于泵、釜、压缩机、液压设备和其他类似设备的旋转轴的密封，适用于高压、高温、高速，或低温、真空等场合，以及对酸、碱等强腐蚀介质的密封。机械密封性能可靠，泄漏量少，功率损耗小，不需要经常维护，使用寿命长，但它结构复杂，组成的零件较多，造价高。图21一17是典型的机械密封的结构原理图，它是由两个密封元件—静环和动环表面互相贴合，并做相对转动而构成的密封装置。静环2被压盖1压紧，静止不动，有静环密封圈3密封住它们之间的间隙。弹簧座9支撑着弹簧7顶着推环6使动环4紧压在静环上，使静环和动环的端面紧密贴合，端面间维持一层极薄液体膜而达到密封的目的，这层液体膜具有流体动压力和静压力，起着润滑和平衡压力的作用。动环密封圈5封住了推环和动环之间的间隙。即使静环和动环使用过程中有所磨损，在弹簧力的作用下，也能保证贴合，因此密封十分可靠。下一页返回第五节机械密封机械密封的结构类型很多，可根据不同的结构特点进行分类，以便合理地选择。常用的分类方法有:1.单端面和双端面图21一17是单端面密封，其中只有一对静环和动环组成的摩擦面。图21一18是双端面密封，其中有两对摩擦面A和B。双端面密封可在密封腔C中通入带压的封液能变气相密封为液相密封，又因为封液的压力通常高于需要密封的介质压力，故可以有效地防止介质外漏，同时，封液还起到润滑、冷却和清洗的作用，故其适应面较广，可用于强腐蚀介质、易燃易爆介质、气体介质、易挥发低豁度介质以及贵重物料和不允许外漏的场合。上一页下一页返回第五节机械密封单端面密封的结构比较简单，制造、装拆容易，但理论上不能完全消除介质的泄漏。2.内置式和外置式当弹簧置于工作介质之内，称为内置式，如图21一17所示;而弹簧置于工作介质之外时，称为外置式，如图21一19所示。外置式弹簧不与介质接触，便于观察和维修，但介质的作用力与弹簧力相反，当介质的压力变动较大时，会引起不良的结果。当介质的压力较大，而相对弹簧的弹性力不够大时，可能会引起泄漏;反之，当介质的压力较小，而相对弹簧力可能很大时，将使静环和动环压得过紧，引起摩擦面的擦伤。内置式机械密封受力情况较好，通常情况下都可使用，只有在密封零件和弹簧不耐介质腐蚀，或介质过于豁稠影响弹簧的性能时，才使用外置式机械密封。上一页下一页返回第五节机械密封3.平衡型和非平衡型根据介质压力在摩擦面上所引起的压强情况来分，不卸载的称为非平衡型，见图21一20(a);部分卸载的称为部分平衡型，见图21一20(b);全部卸载的称为全平衡型，见图21-20(c)。卸载越多，摩擦端面上的压强就越小，可减轻端面的磨损，但压强过小，密封面就有被推开的危险而出现泄漏，所以卸载的多少要根据使用情况来确定。上一页返回第六节其他密封以下介绍一种铁磁流体密封，见图21一21。在需要密封的间隙内(通常间隙很小，大约为0.05~0.12mm)，充满了铁磁流体，在磁场的作用下，形成较强韧的液态膜，可对流体介质进行密封。其特点是完全无泄漏，无固体摩擦，无润滑，可多级使用，适合对较大压力差的场合进行密封，但不适用于高温的场合。铁磁流体由三部分所组成:(1)铁磁性微粒:小于30nm的四氧化三铁、钻、镍、二氧化铬等。(2)分散剂:油酸、氟醚酸等。(3)载流体:矿物油、水、高分子化合物等。返回图21一1密封的分类返回图21一2垫片密封返回图21一3研合面密封返回图21一4O形圈密封返回图21一5金属空心O形环密封返回图21一6间隙密封返回图21一7