機(jī)械密封的設(shè)計(jì)制造與研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文機(jī)械密封的設(shè)計(jì)制造與研究摘 要在現(xiàn)代的工業(yè)裝置系統(tǒng)中，流體機(jī)械被廣泛的使用著。軸封在這些機(jī)械行業(yè)當(dāng)中起到至關(guān)重要的作用。軸封的泄漏不僅浪費(fèi)能源和原料，同時(shí)污染環(huán)境。本文在分析機(jī)械密封結(jié)構(gòu)、工作原理的基礎(chǔ)上討論了高速機(jī)械密封的特點(diǎn)。并以公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的32jf型高速機(jī)械密封為例，總結(jié)了機(jī)械密封設(shè)計(jì)的方法、機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特性、密封的分類、機(jī)械密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與介紹以及機(jī)械密封的故障分析與檢測(cè)，主要參數(shù)及重要零件結(jié)構(gòu)材料的選擇、機(jī)械密封的選用等內(nèi)容的設(shè)計(jì)與研究。關(guān)鍵詞:1.高速機(jī)械密封，2.故障分析與檢測(cè)，3原理及結(jié)構(gòu)特性，4.密封系統(tǒng)目錄一、 機(jī)械密封的介紹.41、 機(jī)械密封的含義及工

2、作原理 .42、 機(jī)械密封的分類 .53、 機(jī)械密封系統(tǒng) . .64、 高速機(jī)械密封的特點(diǎn) .6二、 高速機(jī)械密封的設(shè)計(jì) .7 1、 主要零件結(jié)構(gòu)型式的確定 . .71.1動(dòng)環(huán)的結(jié)構(gòu)型式 .71.2靜環(huán)的結(jié)構(gòu)型式 .81.3輔助密封圈的型式 .82、機(jī)械密封材料的確定 .92.1密封端面摩擦副材料的選擇.92.2輔助密封圈材料的選擇.102.3彈簧及其它零件材料的選擇 .103、主要零件結(jié)構(gòu)尺寸的確定. .113.1密封端面尺寸的確定 .113.2密封端面直徑的確定.123.3密封圈尺寸的確定 .123.4彈簧的確定 .134、主要參數(shù)的確定 .134.1彈簧比壓的計(jì)算 .134.2端面比壓的

3、計(jì)算 .14三、 機(jī)械密封的失效分析與對(duì)策.16四、 機(jī)械密封的現(xiàn)狀與發(fā)展.17五、 32jf型高速機(jī)械密封.18尾 聲 .21參考文獻(xiàn) .22致 謝 .23一、機(jī)械密封的介紹1、機(jī)械密封的含義及工作原理機(jī)械密封是一對(duì)或數(shù)對(duì)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)組成的平面摩擦副構(gòu)成的密封裝置。它是靠彈性構(gòu)件的彈力（如彈簧或波紋管，及彈簧組合構(gòu)件）和密封介質(zhì)的壓力在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的接觸表面（端面）上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲壕o力，使這兩個(gè)端面緊密貼和，端面間維持一層極薄的液態(tài)膜而達(dá)到密封的目的。這層液體膜具有流體動(dòng)壓力與靜壓力，起著潤(rùn)滑和平衡壓力的作用。 4 1 2 3 5 d b 6 a c 10 9 8 7 圖1.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

4、原理1-彈簧座; 2-彈簧; 3-動(dòng)環(huán); 4-壓蓋; 5-靜環(huán)密封圈6-防轉(zhuǎn)銷; 7-靜環(huán); 8-動(dòng)環(huán)密封圈; 9-軸; 10-緊釘螺釘a、b、c、d-密封部位（通道）如圖（1.1）旋轉(zhuǎn)軸9旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)緊定螺釘10帶動(dòng)動(dòng)環(huán)3旋轉(zhuǎn)。防轉(zhuǎn)銷6固定在靜止的壓蓋4上，防止靜環(huán)7轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)密封端面磨損時(shí)，動(dòng)環(huán)3連同動(dòng)環(huán)密封圈8在彈簧2推動(dòng)下，沿軸向產(chǎn)生微小移動(dòng)，所以被稱為非補(bǔ)償環(huán)。通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，補(bǔ)償環(huán)可由動(dòng)環(huán)承擔(dān)，也可由靜環(huán)承擔(dān)。由補(bǔ)償環(huán)、彈性元件和副密封等構(gòu)成的組件稱為補(bǔ)償環(huán)組件。機(jī)械密封一般有四個(gè)密封部位（通道），如圖（1.1）a、b、c、d。a處為密封端面，又稱主密封；b處為靜環(huán)7與壓蓋4端面

5、之間的密封；c處為動(dòng)環(huán)3與軸（或軸套）9配合面之間的密封；因能隨補(bǔ)償環(huán)軸向移動(dòng)并起密封作用，所以又稱副密封；d處為壓蓋與泵殼端面之間的密封。b、c、d三處是靜止密封，一般不易泄漏；a處即為密封端面相對(duì)旋轉(zhuǎn)密封，只要設(shè)計(jì)合理即可達(dá)到減少泄漏的目的。上述密封基本結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封，他的補(bǔ)償環(huán)組件處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是高速情況下的圓柱螺旋彈簧會(huì)因離心力而失效，如此的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中導(dǎo)致密封腔中液體溫度升高，直至氣化。降低機(jī)械密封的效率，減少使用壽命。所以在我們的日常生活中或是大型的機(jī)械設(shè)備中應(yīng)采用靜止式機(jī)械密封，它的結(jié)構(gòu)和布置形式與旋轉(zhuǎn)式的機(jī)械密封相反，但其作用完全與旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封相同。 2、機(jī)械密封的

6、分類本文為了方便識(shí)別和理解進(jìn)行分類。通過(guò)對(duì)機(jī)械密封的分類。可以進(jìn)一步了解其工作原理、結(jié)構(gòu)特性和性能特點(diǎn)。機(jī)械密封大致可按以下進(jìn)行分類：結(jié)構(gòu)布置、端面比壓大小、端面組合等。1）按布置結(jié)構(gòu)分為:（1）滑動(dòng)與非滑動(dòng)機(jī)械密封，滑動(dòng)式機(jī)械密封的初始閉合力的力源一般是由彈簧提供的，補(bǔ)償環(huán)借助輔助密封圈支承于軸或是軸套上；而非滑動(dòng)機(jī)械密封是補(bǔ)償環(huán)支承在波紋管式的輔助密封上，靠波紋管的伸長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械密封。二者之間在性能上有很大差異。（2）旋轉(zhuǎn)式與靜止式機(jī)械密封，旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封是補(bǔ)償環(huán)隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜止式機(jī)械密封則是相反的。（3）內(nèi)裝式與外裝式機(jī)械密封，內(nèi)裝式機(jī)械密封指處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的密封環(huán)的端面面向主

7、機(jī)工作腔的機(jī)械密封，而外裝式機(jī)械密封則是相反的，靜止密封環(huán)的端面背向主機(jī)工作的。下面我只是簡(jiǎn)單的比較一下滑動(dòng)式與非滑動(dòng)式機(jī)械密封的性能，如表2-1所示： 表2-1 滑動(dòng)式與非滑動(dòng)式機(jī)械密封性能比較滑動(dòng)式非滑動(dòng)式o形圈v形圈焊接金屬波紋管橡膠波紋管聚四氟乙烯波紋管承壓性能優(yōu)良單層-良雙層-優(yōu)良差速度適應(yīng)性多彈簧-良單彈簧-差優(yōu)可可耐溫性能可優(yōu)可耐阻塞性能差良優(yōu)優(yōu)2）按端面比壓大小分為：接觸式機(jī)械密封，主要是指密封端面相互接觸，端面比壓pc0的機(jī)械密封。非接觸式機(jī)械密封兩密封端面不接觸。而其端面比壓pc的大小取決于載荷系數(shù)k值得大小。只有接觸式密封才有端面比壓（pc=ps+p（k-）。3）另外還有

8、一些如：按端面組合分類和按初始閉合力源分類的，因其內(nèi)容很簡(jiǎn)單，所以在這里略之。3、機(jī)械密封系統(tǒng) 密封系統(tǒng)的功能在于采用沖洗、循環(huán)、熱對(duì)流等工作方式，控制機(jī)械密封的工況參數(shù)，即溫度、壓力、潤(rùn)滑、腐蝕、結(jié)晶等，以及防止危險(xiǎn)介質(zhì)正常泄漏對(duì)環(huán)境的污染。在使用場(chǎng)合中，機(jī)械密封是由機(jī)械密封本身和機(jī)械密封循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成。密封系統(tǒng)通過(guò)這些功能，建立一個(gè)較理想的機(jī)械密封的工作環(huán)境，可大大提高機(jī)械密封工作的可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。一些高參數(shù)的機(jī)械密封出現(xiàn)，如耐高溫耐強(qiáng)腐蝕的機(jī)械密封，就需要這些密封系統(tǒng)建立一個(gè)較理想的工作環(huán)境。僅以溫度控制功能為例，在常溫下采用不同材料制造的密封環(huán)，若溫度超出常溫范圍，就會(huì)因溫度

9、升高、熱膨脹不同而影響使用性能。密封系統(tǒng)的主要器件有：儲(chǔ)罐、增壓罐、換熱器、過(guò)濾器、旋液分離器、孔板、節(jié)流套、循環(huán)套、泄漏指示器、管道、管件、以及控制儀表等。4、高速機(jī)械密封的特點(diǎn) 端面速度超過(guò)25m/s時(shí)使用的機(jī)械密封為高速機(jī)械密封.密封結(jié)構(gòu)多采用多彈簧靜止式平衡密封;高速時(shí)端面摩擦熱多、pcv值高使端面液膜汽化。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：(1) 加強(qiáng)對(duì)端面的潤(rùn)滑和冷卻；(2) 選用高pcv的端面材料；(3) 盡量選用較小的端面壓強(qiáng)；(4) 選用靜止式機(jī)封,盡量減少旋轉(zhuǎn)零件，傳動(dòng)方式不推薦用銷子、鍵等，以減少不平衡力的影響；(5) 旋轉(zhuǎn)件應(yīng)盡量采用平衡式或非接觸式密封。 二、高速機(jī)械密封的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)

10、械密封時(shí)首先必須進(jìn)行周密的調(diào)查研究，以獲得設(shè)計(jì)條件及所需要的參數(shù)：1.主機(jī)的類型及需要密封的部位。2.使用工況。即介質(zhì)壓力、介質(zhì)溫度及軸的轉(zhuǎn)速。被密封介質(zhì)的名稱、成分及性質(zhì)。包括密度、粘度、汽化壓力，是否有腐蝕性、懸浮顆粒等。3.泄漏量的允許極限值。4.軸的振動(dòng)及偏擺情況。5.密封部位的結(jié)構(gòu)。包括(軸或軸套)的尺寸，密封腔結(jié)構(gòu)，密封腔內(nèi)徑及深度，密封壓蓋的裝配尺寸和各表面的粗糙度。6.輔助系統(tǒng)情況。冷卻水的溫度，是否具備采取沖洗、冷卻措施的條件，有無(wú)過(guò)濾裝置等。32jf的工作參數(shù)及密封的指標(biāo)工作參數(shù)： 性能指標(biāo)：被密封的介質(zhì)：丙稀、液化氣 泄漏量：10mm/h介質(zhì)壓力:0.10mpa 使用壽命

11、：一年以上轉(zhuǎn)數(shù)：7800r/min溫度：常溫軸徑：32mm這樣就可以根據(jù)已知的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行機(jī)械密封的如下設(shè)計(jì)：1、主要零件結(jié)構(gòu)型式的確定確定各個(gè)零件結(jié)構(gòu)型式之前首先應(yīng)在了解機(jī)械密封的分類及適用范圍的基礎(chǔ)之上根據(jù)設(shè)計(jì)條件確定機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)。如：確定單（雙）端面、平衡（非平衡）型、內(nèi)（外）裝式、旋轉(zhuǎn)（靜止）型、單（多）彈簧結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。32jf根據(jù)高速泵的工況及第一章第四節(jié)中“高速機(jī)械密封的特點(diǎn)”確定為單端面、內(nèi)裝、靜止式、平衡、多彈簧等基本結(jié)構(gòu)內(nèi)容。1.1動(dòng)環(huán)的結(jié)構(gòu)型式動(dòng)環(huán)可分為非補(bǔ)償型和補(bǔ)償型兩種。在靜止型機(jī)械密封中，非補(bǔ)償型動(dòng)環(huán)，如32jf的動(dòng)環(huán)緊固在軸上，并用軸套壓緊，顯然這種動(dòng)環(huán)不能進(jìn)

12、行浮動(dòng)。補(bǔ)償型動(dòng)環(huán)廣泛地應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)型機(jī)械密封中。密封端面磨損后，動(dòng)環(huán)在彈性作用下自動(dòng)補(bǔ)償，動(dòng)環(huán)和軸套的密封方式靠輔助密封圈實(shí)現(xiàn)。目前動(dòng)環(huán)在結(jié)構(gòu)上差異很大，根據(jù)動(dòng)環(huán)和軸套密封的方法可歸納為三類：輔助密封圈軸向安裝的動(dòng)環(huán)、輔助密封圈徑向安裝的動(dòng)環(huán)和帶波紋管的動(dòng)環(huán)：輔助密封圈軸向安裝的動(dòng)環(huán)，靠彈簧力壓緊密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。彈簧力可視為不變化密封可靠、使用壽命長(zhǎng)、安裝較方便，從而得到廣泛應(yīng)用；輔助密封徑向安裝的動(dòng)環(huán)靠密封圈的過(guò)盈和彈性實(shí)現(xiàn)；第三種動(dòng)環(huán)是指靠波紋管型密封，將動(dòng)環(huán)和波紋管制成一個(gè)整體，故不需要?jiǎng)迎h(huán)密封圈。1.2靜環(huán)的結(jié)構(gòu)型式 靜環(huán)安裝在泵的殼體、壓蓋等靜止部位上它與動(dòng)環(huán)組成的密封端面防止介質(zhì)

13、泄漏，也有補(bǔ)償環(huán)和非補(bǔ)償環(huán)之分。當(dāng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在動(dòng)環(huán)一側(cè)時(shí)，密封端面磨損后，靜環(huán)不能進(jìn)行補(bǔ)償，叫做非補(bǔ)償型靜環(huán)。反之稱為補(bǔ)償型靜環(huán)如32jf中當(dāng)密封端面磨損后，靜環(huán)在彈性元件（彈簧）的作用下，做軸向移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。 非補(bǔ)償型靜環(huán)應(yīng)用較多,多用于旋轉(zhuǎn)型密封。靜環(huán)與壓蓋的密封和固定方式有兩種:一是浮動(dòng)型，一是固定型，具體的結(jié)構(gòu)很多。這里只各舉一例說(shuō)明結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示: a b圖2.1 靜環(huán)的結(jié)構(gòu)型式a為浮動(dòng)型靜環(huán),b為固定型靜環(huán)1.3輔助密封圈的結(jié)構(gòu)型式動(dòng)環(huán)和軸（軸套）以及靜環(huán)和壓蓋之間的密封靠輔助密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。他們基本上屬于靜密封，當(dāng)密封端面和軸中心線不垂直時(shí)，動(dòng)環(huán)沿軸有很小的軸向運(yùn)動(dòng)，其位移

14、量取決于密封端面和軸中心線的垂直誤差、運(yùn)動(dòng)的次數(shù)和軸轉(zhuǎn)速等。密封圈的種類很多從斷面形狀分類有圓形、方形、v形、及包覆形密封圈(如圖2.2所示)。 a b c d e 圖2.2 密封圈的種類a圓形;b v形;c方形;d包覆形32jf使用的是o形圈，o形圈設(shè)計(jì)、制造簡(jiǎn)單，安裝使用方便。工作可靠，具有自封作用。但介質(zhì)含顆粒時(shí)，顆粒會(huì)在o形圈處堆積，防礙軸向浮動(dòng)。2、機(jī)械密封材料的確定2.1密封端面摩擦副材料的選擇目前用做密封摩擦副材料的種類很多。常用的非金屬材料有：石墨、聚四氟乙烯、酚醛塑料、陶瓷等。常用的金屬材料有：鑄鐵、碳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、青銅以及硬質(zhì)合金等。此外還有通過(guò)堆焊、燒結(jié)、噴涂等表面處

15、理及復(fù)合工藝改變或改善金屬材料或摩擦副表面性能來(lái)做摩擦副材料的。各種材料都具有一定的特性，在選擇摩擦副材料時(shí)應(yīng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，根據(jù)具體工作條件合理使用?，F(xiàn)介紹幾種常用的摩擦副材料：1) 石墨是機(jī)械摩擦副材料中用量大，使用范圍廣的材料之一。因?yàn)樗哂泻芏嗒?dú)特的優(yōu)良性能。(1)較高的導(dǎo)熱系數(shù)。僅次于銀、銅和鋁是非金屬材料中唯一具有高導(dǎo)熱率的材料比某些金屬（如司太利硬質(zhì)合金和哈氏合金等）的導(dǎo)熱率高的多。因此能及時(shí)將產(chǎn)生的摩擦熱散失，從而降低密封端面的溫度，這對(duì)提高其可靠性和使用壽命都是非常必要的。(2)較低的線膨脹系數(shù)。在溫度升高時(shí)，其熱變形較小對(duì)保持密封端面的平行是非常有利的(3)良好的耐腐蝕性。其化學(xué)

16、穩(wěn)定性很好，在空氣400以下穩(wěn)定，除強(qiáng)氧化介質(zhì)如鉻酸、濃硫酸及鹵族元素外，可耐其他酸、堿、鹽及一切有機(jī)化學(xué)物的腐蝕。(4)極好的自潤(rùn)滑性。因?yàn)槭c金屬材料相對(duì)摩擦?xí)r石墨一層一層地轉(zhuǎn)移到金屬表面，形成金屬與石墨的相對(duì)摩擦，此外它還具有低的摩擦系數(shù)。(5)抗拉強(qiáng)度較低，屬于一種脆性材料。由于硬度較低，常用做摩擦副中的軟環(huán)，可以方便的進(jìn)行各種機(jī)械加工。然而，石墨存在著氣孔率大，機(jī)械強(qiáng)度低的特點(diǎn)。為彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)可采用將燒結(jié)石墨進(jìn)行多次浸漬或滲碳等方法。選擇合適的浸漬劑非常重要。目前常用的浸漬樹脂有酚醛、環(huán)氧和呋喃樹脂等，常用的浸漬金屬有青銅、巴氏合金、鉛、鋁等。當(dāng)使用溫度170時(shí)選擇浸漬樹脂；反之，

17、選擇浸漬金屬。浸漬樹脂具有良好的耐腐蝕性能。酚醛樹脂耐酸性好，環(huán)氧樹脂耐堿性好，呋喃樹脂耐酸又耐堿。因此，浸漬呋喃樹脂石墨使用最為普遍。32jf中靜環(huán)即為呋喃樹脂材料。2) 硬質(zhì)合金是機(jī)械密封中另一廣泛使用的摩擦副材料。這里的硬質(zhì)合金主要是碳化鎢(wc)，常用的wc-co為類。wc-co是由硬度極高的難熔鎢碳化物加co作為粘結(jié)劑用粉末冶金方法壓制燒結(jié)而成的。wc-co具有極高的硬度和強(qiáng)度，良好的耐磨性及抗顆粒沖刷性，導(dǎo)熱率較高線膨脹系數(shù)較低，并且有一定的耐腐蝕性，能耐一般溫度下的硫酸和氫氟酸以及沸點(diǎn)下的苛性鈉等腐蝕，不耐鹽酸和硝酸。但是，wc-co材料的沖擊韌性低而脆性高，機(jī)械加工困難，且價(jià)格

18、較貴。2.2輔助密封圈材料的選擇機(jī)械密封的輔助圈包括動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈。根據(jù)其作用，要求輔助密封圈從材料上具有良好的彈性、低的摩擦系數(shù)，能耐介質(zhì)的腐蝕熔脹，耐老化。在壓縮之后及長(zhǎng)期工作中具有較小的永久變形，在高溫下使用有不粘著性，低溫下不脆硬而失去彈性。另外也要求材料來(lái)源方便，成本低廉。輔助密封材料主要使用各種橡膠、聚四氟乙烯等。橡膠是一種彈性很好的高分子材料。具有良好的彈性和一定的強(qiáng)度，具有較好的氣密性、不透水性耐磨、耐溫、耐壓、耐腐蝕性能，是一種廣為采用的輔助密封圈的材料。橡膠密封圈除上述優(yōu)點(diǎn)外，由于其彈性大而可以在較大的公差范圍內(nèi)仍能保持密封不泄漏，且制造容易。其缺點(diǎn)是摩擦系數(shù)比較大

19、，彈簧向前推進(jìn)時(shí)阻力較大，在高溫時(shí)易產(chǎn)生粘著或老化。機(jī)械密封圈一般均選用各種合成橡膠。下面介紹幾種合成橡膠：(1)丁晴橡膠 丁晴橡膠是丁二烯與丙烯的共聚物。它以優(yōu)異的耐油、抗老化著稱，并且具有耐熱、耐磨、耐腐蝕等性能，廣泛應(yīng)用與接觸汽油及其他油類的設(shè)備。它也能耐堿和非氧化性稀酸腐蝕，不耐氧化性酸（如硝酸、鉻酸等）、芳烴、脂、酮、醚、鹵代烴等腐蝕。低溫下也不宜采用。(2)氟橡膠 氟橡膠是氟原子的一種高分子彈性體，具有耐高溫、耐油、及耐多種化學(xué)藥品浸蝕的特點(diǎn)。目前氟橡膠有三個(gè)品種：fpm2301,及氟橡膠23-11，具有優(yōu)異的耐強(qiáng)酸功能；fpm2602，及氟橡膠26-41，耐熱性能優(yōu)于fpm230

20、1，但工業(yè)性能較差fpm2461，及氟橡膠246，其耐熱耐溶劑性能比f(wàn)pm2602還要好。目前制造密封輔助圈采用的氟橡膠主要是fpm2602。它可以在250下長(zhǎng)期使用，300下能短期使用，其耐腐蝕性能是彈體中最好的一種，但低溫性能較差價(jià)格貴，限制了其使用范圍。(3)硅橡膠硅橡膠是一種線性高分子彈性體。具有很寬的使用溫度范圍（-100350）和很高的熱穩(wěn)定性，一般可在200300下長(zhǎng)期使用。主要用于高低溫下的動(dòng)植物油、礦物油、氧、弱酸和弱堿物質(zhì)的密封。其缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、不耐磨、價(jià)格高。2.3彈簧及其它零件材料的選擇機(jī)械密封對(duì)彈簧的材料的要求是能耐介質(zhì)的腐蝕和長(zhǎng)期工作不降低或失去彈性。 常用的彈簧材

21、料有磷青銅、碳素彈簧鋼（65mn、60si2mn、50crva等）、鉻鋼（3cr13、cr13等）、不銹鋼（1cr18ni9ti、1cr18ni12mo2ti）等。磷青銅彈簧在海水、油類介質(zhì)中使用效果良好；碳素彈簧鋼用在化學(xué)中性介質(zhì)中；不銹鋼彈簧適用于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。機(jī)械密封其它零件包括彈簧座、動(dòng)環(huán)座、靜環(huán)座、傳動(dòng)零件及固定環(huán)等，對(duì)他們的要求是有足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性，在設(shè)計(jì)、制造及選用中應(yīng)綜合考慮。在使用參數(shù)較高且有腐蝕性的場(chǎng)合應(yīng)選擇鉻鋼或不銹鋼；對(duì)于使用參數(shù)較低、腐蝕性不強(qiáng)的場(chǎng)合，也可采用一般碳鋼材料。內(nèi)裝式機(jī)械密封由于零件均與介質(zhì)接觸，故對(duì)材料的要求較高。3、主要零件的尺寸確定3.1密封端面

22、尺寸的確定3.1.1端面寬度b 具體結(jié)構(gòu)如圖2.3所示： h b d d1 d1 d2圖2.3 端面有關(guān)尺寸b-端面寬度 h-端面高度 d-軸徑 d1-軸套直徑d1-密封端面內(nèi)徑 d2-密封端面外徑密封端面是由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)兩個(gè)零件組成的。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)密封端面為了有效地工作，相應(yīng)的做成一窄一寬。軟材料做窄環(huán)，硬材料做寬環(huán)，使窄環(huán)被均勻的磨損而不嵌入寬環(huán)中去，此時(shí)軟材料的端面寬度為密封端面的寬度b。當(dāng)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)都選用硬材料時(shí)密封端面都做成窄環(huán)，并取相同的寬度。端面寬度b在材料強(qiáng)度、剛度足夠的情況下，盡可能取小值。過(guò)大的值使端面潤(rùn)滑、冷卻效果降低，端面磨損、泄漏、功率消耗增加，而且加工量增加。硬環(huán)端面的

23、寬度應(yīng)比軟環(huán)大13。32jf密封的靜環(huán)（石墨）、動(dòng)環(huán)（yg6）為一軟一硬情況，故靜環(huán)（密封環(huán)）的端面寬度即為密封端面寬度。此寬度可根據(jù)密封的型式、材料、軸徑由“泵用機(jī)械密封”標(biāo)準(zhǔn)中查表得到。32jf（平衡型）查表取得端面寬度為3mm。3.1.2端面高度h端面高度一值主要從材料的強(qiáng)度、剛度以及耐磨損能力確定，一般取23mm,也可由”泵用機(jī)械密封”標(biāo)準(zhǔn)查得。32jf中取的高度為2mm。3.1.3間隙因?yàn)檩S與靜環(huán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以必須留有一定的間隙。靜環(huán)內(nèi)徑d與軸套（或軸）的間隙（d-d）一般取13mm（具體尺寸根據(jù)安裝精度、軸的偏擺程度及軸徑大小確定）。在32jf密封組件中為靜環(huán)嵌套在靜環(huán)座內(nèi)，所以此

24、處d應(yīng)代表靜環(huán)座內(nèi)徑。此值也可由查表取得d-d=2mm。對(duì)于動(dòng)環(huán)為保證其浮動(dòng)性,以補(bǔ)償軸與靜環(huán)的偏斜,軸的振動(dòng)而造成的摩擦副不貼合和比壓不均勻等情況.一般它與軸的配合間隙依軸徑大小取0.51mm。動(dòng)環(huán)與軸的間隙也不可能過(guò)大，過(guò)大的間隙會(huì)造成o形圈卡入間歇而造成密封失效，尤其在高壓時(shí)更要注意。32jf中取的間隙為0.5mm。無(wú)論是動(dòng)環(huán)或是靜環(huán)，與軸的間隙還應(yīng)考慮到機(jī)械密封工作時(shí)熱膨脹系數(shù)不同的影響，在溫度較高時(shí)要進(jìn)行核算，以保證合理的間隙。3.2密封端面直徑的確定載荷系數(shù)：密封流體壓力作用在補(bǔ)償環(huán)上（在32jf中指的靜環(huán)），使其對(duì)于非補(bǔ)償環(huán)（動(dòng)環(huán)）區(qū)域閉合的有效作用面積（載荷面積）與密封環(huán)的面積

25、之比稱為載荷系數(shù)。用k表示。對(duì)于32jf內(nèi)裝型密封：k=載荷面積/接觸面積=a/ a1 = (d22-d12)/( d22-d12) (2.1) 當(dāng)載荷系數(shù)k，密封端面寬度b和動(dòng)、靜環(huán)內(nèi)徑與軸的間隙確定以后，就可根據(jù)軸（或軸套）直徑，按下列方法計(jì)算密封端面直徑（參見圖2.3） d1 = ( -4bk+4d12-18b2k(1-k) )/2 (2.2)再由 d2 =d1+2b (2.3)即可求得密封端面外徑d2。3.3密封圈尺寸的確定密封圈的內(nèi)徑及斷面公稱尺寸是根據(jù)密封部位的相關(guān)尺寸確定的?？紤]橡膠o形圈與聚四氟乙烯v形圈的互換性，在設(shè)計(jì)時(shí)取相同的公稱尺寸。 為保證其密封性能，密封圈必須有一定的

26、壓縮量如圖2.4所示:圖2.4 o 形圈有關(guān)尺寸壓縮量為(a-b)/a。o形圈的壓縮量一定要掌握適當(dāng)，過(guò)小會(huì)使密封性能差，過(guò)大會(huì)使安裝困難，摩擦阻力加大，且浮動(dòng)性差。o形圈內(nèi)徑尺寸偏差一般取-0.51.5mm。3.4彈簧的確定當(dāng)密封端面磨損時(shí)，由于壓縮彈簧伸長(zhǎng)，使補(bǔ)償環(huán)產(chǎn)生軸向移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)彈簧力下將。為保證機(jī)械密封在整個(gè)密封期間密封端面的比壓變化不大，始終具有良好的密封性能，則要求彈簧力數(shù)值下降量不超過(guò)1020，同時(shí)由于機(jī)械密封要求結(jié)構(gòu)緊湊，因此彈簧應(yīng)盡量短。與一般彈簧比較其特點(diǎn)是節(jié)距大、圈數(shù)少。機(jī)械密封中用的最多的是圓柱螺旋彈簧。其設(shè)計(jì)計(jì)算通常是根據(jù)選定的彈簧比壓pc和密封端面接觸面積

27、a來(lái)計(jì)算彈簧的工作載荷f2，再根據(jù)選定的彈簧材料及假定的彈簧中徑d2、彈簧絲徑d及工作圈數(shù)n進(jìn)行計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)尺寸并進(jìn)行強(qiáng)度校核。彈簧工作壓力 f=k·f=g·d4f/8·d3·n （2.4）g：剪切彈性模數(shù) d：彈簧絲徑， f:壓縮量， n:彈簧圈數(shù) d：彈簧中徑4、機(jī)械密封主要參數(shù)的確定 首先有兩個(gè)參數(shù)有必要先介紹一下(1)反壓系數(shù)：所謂反壓就是密封端面間隙內(nèi)液體力圖推開端面的力。（假設(shè)端面間隙的壓力按直線分布）密封間隙中液體的平均壓力pm和介質(zhì)壓力p之比稱為反壓系數(shù)，用表示，即=pm/p(2)pcv值：是密封端面比壓pc與密封端面平均線速度v（m/

28、s）的乘積。它表示機(jī)械密封的實(shí)際工作能力，按下式計(jì)算pcv =pc·dm·n/60 即pcv =pc·（d1+d2）·n/120 （2.5）許用pcv值以【pcv】表示,它是極限pcv值除以安全系數(shù) n 的數(shù)值。設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際pcv值應(yīng)小于許用pcv值。4.1彈簧比壓的計(jì)算彈簧元件施力到密封端面單位面積上的力，叫做彈簧比壓，單位：n/（或mpa）,用ps表示，即其計(jì)算方法是總的彈簧力除以密封端面的面積。 ps= fs·ns / a （2.6）a=/4(d22-d12)fs單個(gè)彈簧的彈簧力 ns彈簧數(shù)量 a密封端面面積，彈簧比壓的作用是當(dāng)介質(zhì)壓力很小

29、或波動(dòng)時(shí)，仍能維持一定的端面比壓，使密封端面貼緊，保持密封作用。彈簧比壓ps與密封介質(zhì)壓力、零件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式以及密封端面的平均線速度等因素有關(guān)。通常ps低壓時(shí)選低值，高壓時(shí)選高值；對(duì)于內(nèi)裝式機(jī)械密封取低值，外裝平衡式取高值；高速機(jī)械密封取低值，低速則取高值。4.2端面比壓的計(jì)算作用在密封端面單位面上凈剩的閉合力，叫做端面比壓，用pc表示，單位；mpa。當(dāng)忽略輔助密封摩擦（即補(bǔ)償環(huán)上輔助密封處軸向移動(dòng)的摩擦力）時(shí)，pc等于作用在密封端面單位面積上的閉合力與開啟力（即一般由密封端面間流體液體膜壓力引起的使補(bǔ)償環(huán)與非補(bǔ)償環(huán)分開的力）之差除以密封端面面積。即;pc=fc-fe/a (2.7)fc閉合

30、力，n fe開啟力,n a密封端面面積，這里有必要介紹一下反壓系數(shù):先說(shuō)所謂反壓就是密封端面間隙內(nèi)液體力圖拉開端面的力。密封間隙中液體的平均壓力pm和介質(zhì)壓力p之比稱為反壓系數(shù),用表示,即 =pm/p (2.8)下面以我廠生產(chǎn)的32jf為例推導(dǎo)端面比壓的基本計(jì)算公式圖2.5 32jf內(nèi)裝平衡型動(dòng)環(huán)受力情況fe-液膜壓力產(chǎn)生的開啟力 d1-密封端面外徑fp-介質(zhì)壓力引起的閉合力 d2-密封端面內(nèi)徑fs-彈簧壓力引起的閉合力 d1-軸套外徑則作用在密封端面上的合力： f=fp+fs-fe (2.9)把式（2.8）代入式（2.7）得: pc= fp+fs-fe/a (2.10)再由 a1=/4(d2

31、2-d12) fp=p·a1 fs=ps·a fe=p··a 代入式（2.10）得pc= ps+p(a1/a)-p· 即： pc=ps+p(k-) (2.11)合適的端面比壓是保證機(jī)械密封長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的重要因素。端面比壓要適當(dāng)?shù)拇笥诿芊舛嗣骈g的液膜壓力，使密封良好地貼合，避免工作中密封面開啟，保證密封工作地穩(wěn)定性。為保證機(jī)械密封具有長(zhǎng)久地使用壽命和良好地密封性能，必須選擇合理地端面比壓。端面比壓按下列原則進(jìn)行選擇:(1)為使密封面始終緊密地貼合，端面比壓一定為正值，即pc0。(2)端面比壓pc一定要大于物料在密封面上的蒸氣壓。(3)端面比壓是

32、決定密封間存在液膜地重要條件，因此一般不宜過(guò)大，以避免液膜蒸發(fā)，磨損加劇。從泄漏量角度考慮也不宜過(guò)小，易防止密封性能變差。在泵用機(jī)械密封中，對(duì)于內(nèi)裝式，pc一般選取0.30.6mpa;外裝式pc一般選取0.150.4mpa;對(duì)于粘度大、潤(rùn)滑性好地介質(zhì)，pc可適當(dāng)增加，一般選取0.50.7mpa;對(duì)易揮發(fā)、潤(rùn)滑性差地介質(zhì)取較小的pc即0.30.45mpa。三、機(jī)械密封的失效分析與對(duì)策機(jī)械密封的失效實(shí)例中，以摩擦副、輔助密封圈引起的失效所占比例最高。根據(jù)幾家煉油廠、化工廠泵用機(jī)械密封的統(tǒng)計(jì)資料表明，大約有47%的泵維修歸因于機(jī)械密封；一般來(lái)說(shuō)，軸封（即機(jī)械密封）是流體機(jī)械的薄弱環(huán)節(jié)，它的失效時(shí)造成

33、設(shè)備維修的主要原因。機(jī)械密封在機(jī)、泵中均是精密的部件，由于其工作條件惡劣與隨機(jī)失效性，工作壽命較低。引起密封過(guò)早失效的因素很多，例如：設(shè)備本身存在的問(wèn)題、密封設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題、造型或安裝不當(dāng)?shù)?。因此，?yīng)針對(duì)具體情況，分析失效原因，采取相應(yīng)的改善措施。在實(shí)際工作當(dāng)中，泄漏是機(jī)械密封失效的主要表現(xiàn)形式。重要的是要從泄漏現(xiàn)象分析機(jī)械密封產(chǎn)生泄漏的原因。對(duì)于外裝式機(jī)械密封易于查明其失效原因，而內(nèi)裝式機(jī)械密封只能見到泄漏是來(lái)自非補(bǔ)償靜止環(huán)的外周或內(nèi)周，這也就對(duì)我們的分析和解決帶來(lái)一定的困難；由端面不平、端面間存在異物和安裝不正確導(dǎo)致的摩擦副端面之間的泄漏也是不容忽視的。我們要針對(duì)不同的情況采取

34、不同且適合的應(yīng)對(duì)措施，還有非補(bǔ)償環(huán)密封圈處的泄漏、機(jī)體與壓蓋結(jié)合面之間的泄漏、軸套與軸之間的泄漏等等。泄漏也是由于外界的影響以及選擇材料不當(dāng)導(dǎo)致，所以我們還要從摩擦副材料分析故障原因，從組對(duì)材料的相容性、耐腐蝕性等角度出發(fā)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，以及現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)積累等，才能確定摩擦副的優(yōu)化組合。此外，還要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮材料優(yōu)異的性能。還有很多如從失效形式分析故障原因。四、機(jī)械密封的現(xiàn)狀與發(fā)展1.我國(guó)機(jī)械密封技術(shù)發(fā)展起步較晚，但是發(fā)展速度較快。在機(jī)械制造業(yè)中出現(xiàn)了簡(jiǎn)單的機(jī)械密封。早在50年代末。蘭州煉油廠就開始研制泵用機(jī)械密封的配件，使用在進(jìn)口的離心泵上。與此同時(shí)，原第一機(jī)械工業(yè)部通過(guò)機(jī)械

35、研究所成立密封研究所，開始系統(tǒng)研究密封裝置。機(jī)械密封是重要的基礎(chǔ)件，它性能的好壞決定著泵性能的優(yōu)劣。在60年代，沈陽(yáng)水泵廠、上海水泵廠和天津機(jī)械密封件廠等相繼開始生產(chǎn)機(jī)械密封。1970年由機(jī)械、化工、石油三部聯(lián)合組織，制訂了泵用機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)，并以部標(biāo)jb1472-75頒布。自80年代以來(lái)，我國(guó)主要機(jī)械密封制造廠相繼引進(jìn)了高新的機(jī)械密封技術(shù)，使我國(guó)機(jī)械密封的技術(shù)水平迅速提高。在此期間，初步完成了機(jī)械密封的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展起了指導(dǎo)和推動(dòng)作用。機(jī)械密封之所以發(fā)展之快，是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：(1)密封性好；(2)使用壽命長(zhǎng)；(3)無(wú)須經(jīng)常調(diào)整；(4)功率損耗小；(5)軸或軸套的表面不

36、易磨損；(6)抗振性強(qiáng)，緩沖性好；(7)性能參數(shù)高，使用范圍廣；(8)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，品種多；(9)裝配稍難，更換不便；(10)價(jià)格昂貴。2.目前，在機(jī)械密封領(lǐng)域需進(jìn)一步研究怎樣去提高機(jī)械密封的性能，可靠性和壽命。各種旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械正朝著高性能方向發(fā)展，且不斷有新的要求和挑戰(zhàn)。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展有以下要求：(1)關(guān)于基礎(chǔ)理論研究方面，端面的熱變形和機(jī)械變形對(duì)摩擦工況的影響；端面的溫度分析；密封組件的動(dòng)力學(xué)特性，有必要把各種情況進(jìn)行綜合和切合實(shí)際的考慮。(2)關(guān)于結(jié)構(gòu)方面則是要求結(jié)構(gòu)盡量的簡(jiǎn)單，維護(hù)維修都很方便，常為更加容易使用的基礎(chǔ)件。需要研制出軸向尺寸短，使用參數(shù)高的雙端面機(jī)械密封。對(duì)

37、接觸式機(jī)械密封來(lái)說(shuō)，其發(fā)展方向是減少故障，提高可靠性。(3)關(guān)于pv值，在現(xiàn)有的材料基礎(chǔ)上，可以提高機(jī)械密封的使用pv值，來(lái)減少泄漏，進(jìn)一步提高工作穩(wěn)定性。(4)關(guān)于密封材料方面，機(jī)械密封摩擦副材料的組對(duì)，通常一方是以碳石墨的軟質(zhì)材料；另一方面是以硬質(zhì)合金、陶瓷為代表的硬質(zhì)材料。而如何提高其性能成了當(dāng)前難解決的問(wèn)題。(5)關(guān)于機(jī)械密封的合理使用，密封系統(tǒng)的元件無(wú)系列產(chǎn)品，要求系列化與密封產(chǎn)品配套供應(yīng)，以提高密封的性能及使用壽命。(6)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面，現(xiàn)有機(jī)械密封的售價(jià)很高，因此應(yīng)設(shè)法降低成本。1）利用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化降低成本；2）利用互換性及通用性減少庫(kù)存；3）改進(jìn)加工工藝，批量化生產(chǎn)等 五、3

38、2jf高速機(jī)械密封1以下是32jf型高速機(jī)械密封組件，其32為與它相配合的軸頸的直徑是32mm ，jf是指靜止式機(jī)械密封。 32jf的工作參數(shù)及密封指標(biāo)如下： 被密封的介質(zhì)：丙烯、液化氣 介質(zhì)壓力：0.1mpa 泄漏量：10mm/h 轉(zhuǎn) 數(shù)：7800r/min 使用壽命：一年以上 軸 頸：32mm 根據(jù)已知的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行機(jī)械密封設(shè)計(jì)：1)根據(jù)上述32jf的工況參數(shù)及高速機(jī)械密封的特點(diǎn)，確定32jf高速機(jī)械密封為單端面、內(nèi)裝、靜止式、平衡且多彈簧結(jié)構(gòu)，圖中非補(bǔ)償型動(dòng)環(huán)緊固在軸上，并用軸套壓緊，動(dòng)環(huán)將不能進(jìn)行浮動(dòng)。輔助密封圈軸向安裝的動(dòng)環(huán)，靠彈簧力壓緊密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。動(dòng)環(huán)的材料我選擇yg6，靜環(huán)

39、安裝在泵的壓蓋上與 動(dòng)環(huán)組成密封端面來(lái)防止介質(zhì)泄漏。32jf中采用補(bǔ)償型靜環(huán)，密封端面磨損后，靜環(huán)在彈簧作用下，作軸向移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。靜環(huán)材料我選擇的是呋喃樹脂，考慮到工況參數(shù)的特性，要滿足機(jī)械強(qiáng)度高，減少氣孔率大的要求。圖中所用到的輔助密封圈的結(jié)構(gòu)形式選擇為o形圈，因它的安裝制造都很簡(jiǎn)單，工作可靠。材料選擇用聚四氟乙烯，具有較好的氣密性、耐高溫、耐壓耐腐蝕，因而被廣泛使用。對(duì)于彈簧最重要的是保證它耐腐蝕，長(zhǎng)期工作性能不降低。我選擇不銹鋼(1cr18ni9ti)。2)端面寬度b值盡可能取小值，太大潤(rùn)滑和冷卻效果降低。靜環(huán)（石墨）、動(dòng)環(huán)（yg6）為一軟一硬材料，硬環(huán)端面的寬度比軟環(huán)大1-3mm，3

40、2jf的端面寬度可查“泵用機(jī)械密封”得b=3mm。同理：端面高度h =2mm。在32jf密封組件中，根據(jù)上圖2.3中關(guān)系，d為靜環(huán)座內(nèi)徑，d-d=2mm為軸與靜環(huán)的間隙。動(dòng)環(huán)與軸的配合間隙依軸徑大小而定，取為0.5mm。3)密封端面直徑確定：對(duì)于32jf內(nèi)裝型密封 k=a/ a1=( d22-d12) /( d22-d12)=0.5 當(dāng)k=0.5，b=3mm，d-d=2mm（靜環(huán)與軸），動(dòng)環(huán)與軸取0.5mm已確定，則 d1= -4bk+4d12-18b2k(1-k) /2 = -4×3×0.54×322-18×9×0.25 /2=45mm d2 =d1+2b =452×351mm4)pcv值代表機(jī)械密封的實(shí)際工作能力， pcv =pc·dm·n/60 =pc·（d1+d2）·n/120 =0.1×102 ×（511）×7800120=1045)彈簧比壓ps，它是彈簧施力到密封端面單位面積上的力： ps= fs·ns /a=104×2/452.16=0.46mpa a=/4(d22-d12)=0.785（512-452）=452.16m2 f=k·f=0.5