關(guān)于機械密封設計問題的探討

陳勇

張家港保稅區(qū)港密機械密封件有限公司 215633

摘要：先進的機械密封技術(shù)都是自動化的連續(xù)生產(chǎn)和文明生產(chǎn)必需的重要的環(huán)節(jié)。本文分析了機械密封設計的研發(fā)目的以及機械密封的主要類型等，對于在機械密封的設計過程中應該考慮到的一些因素等方面做出了說明，并且著重論述了如何提高機械密封設計的質(zhì)量以及常用的機械密封結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：機械密封；設計；設計質(zhì)量

引言

機械密封第一個專利是在1885年的英國出現(xiàn)的，1900年開始機械密封開始在軸承密封中應用。二戰(zhàn)過后，美國在機械密封技術(shù)方面有了迅速的發(fā)展，英、法等國也紛紛開始生產(chǎn)機械密封；磨擦副材料方面也得到了極大改進，出現(xiàn)了石墨、陶瓷和硬質(zhì)合金材料，其加工精度也是大為提高；同時，在結(jié)構(gòu)上中間環(huán)密封、平衡型機械密封等出現(xiàn)了。在近半個世紀以來，人們對環(huán)保的日益關(guān)注，這便要求機械密封向低磨損、長壽命、高可靠性、零逸出等方向發(fā)展。

一、機械密封基本概念

機械密封就是指由至少一對跟旋轉(zhuǎn)軸線垂直的端面在補償機構(gòu)彈力（或磁力）和流體壓力的作用下及輔助密封配合下保持著貼合并且相對滑動而構(gòu)成的以防流體泄漏的一種裝置。補償環(huán)的輔助密封是金屬波紋管的被稱為波紋管機械密封。

二、機械密封基本原件和結(jié)構(gòu)

1、端面密封副（動、靜環(huán)）

端面密封副，它的作用是使密封面能夠緊密貼合，以防介質(zhì)泄漏。它要求動、靜環(huán)有良好的耐磨性，其中動環(huán)能夠軸向靈活地移動，對密封面磨損進行自動補償，使之與靜環(huán)之間良好地貼合；而靜環(huán)是具有浮動性的，起著緩沖的作用。為此密封面便要求要有良好的加工質(zhì)量，以保證密封副能有良好的貼合性能。

2、彈性元件（隔膜、波紋管、彈簧）

彈性元件主要是起著預緊、補償以及緩沖的作用，這就要求需要始終保持足夠的彈性以克服輔助密封及傳動件的摩擦以及動環(huán)等的慣性，以保證端面密封副的良好貼合和動環(huán)追隨性，因此材料要求耐疲勞、耐腐蝕。

3、輔助密封（& 形圈、/ 形圈、. 形圈、異形圈和楔形圈）

輔助密封主要是起著動環(huán)和靜環(huán)的密封作用，同時也有浮動及緩沖的作用。要求動環(huán)的密封元件能夠保證動環(huán)和軸或者軸套之間的密封性以及動環(huán)浮動性，而靜環(huán)的密封元件能夠保證靜環(huán)和壓蓋之間的密封性以及靜環(huán)有一定浮動性。因此材料要求耐寒、耐熱，并且能夠與介質(zhì)相容。

4、傳動件（傳動銷、傳動座、傳動環(huán)、傳動突耳、傳動鍵或者牙嵌式聯(lián)結(jié)器）

傳動件主要是將軸的轉(zhuǎn)矩傳給動環(huán)的作用。其材料要求耐磨、耐腐蝕。

5、緊固件（軸套、組裝套、彈簧座、緊定螺釘、壓蓋）

緊固件主要是起到動、靜環(huán)的定位和緊固的作用。它要求軸向的定位正確，要保證一定的彈簧壓縮量，使得密封副的密封面是處于正確位置并且保持良好的貼合。同時，還要求其拆裝方便、能重復利用、容易就位等。它與輔助密封的配合處，安裝密封圈需要有導向倒角以及壓彈量，應該特別注意的是動環(huán)輔助密封件和軸套配合處必須耐磨損且耐腐蝕，有必要的時候和軸套配合處可以采用硬面覆層。

6、防轉(zhuǎn)件（防轉(zhuǎn)銷）

防轉(zhuǎn)件主要是起到防止靜環(huán)轉(zhuǎn)動及脫出的作用。它要求有足夠長度，以防靜環(huán)在負壓下脫出，并且要求定位要正確，以防靜環(huán)隨著動環(huán)旋轉(zhuǎn)。其材料要求耐腐蝕，在必要的時候中間可以加四氟乙烯套，為免損壞碳石墨靜環(huán)。

三、機械密封主要類型

1、在彼此都沒有相對運動的結(jié)合面之間產(chǎn)生的密封性靜密封件。

2、在彼此都有相對運動的結(jié)合面之間產(chǎn)生的密封性動密封件。

3、還有一些是專門為了防止灰塵、塵埃和其他的有害物侵入一個系統(tǒng)而設計的密封件類型。此類密封件采用的是防護罩或者類似的結(jié)構(gòu)形式，它基本上是屬于半靜密封件。

四、機械密封工作原理

機械密封在工作的時候，由密封流體壓力及彈性元件彈力等所引起的軸向力使得動環(huán)、靜環(huán)互相貼合并且相對運動，因為兩個密封端面緊密的配合，使得密封端面之間的交界形成一個微小的間隙，當有壓介質(zhì)從此間隙通過時，形成了極薄的液膜，并且產(chǎn)生阻力，便阻止了介質(zhì)泄漏，同時液膜又使端面得以潤滑，來獲得長期的密封效果。

五、常見的機械密封結(jié)構(gòu)形式

密封技術(shù)的關(guān)鍵便在于消除各種零件的連接處的間隙泄漏。

1、接觸零件精密配合。此種方法能夠最大限度地保證和連接表面的輪廓相吻合，即在精加工的過程中，使它達到最小微觀粗糙度。結(jié)合其表面精度的配合，此種方法在許多的結(jié)構(gòu)中都能夠滿足密封的要求。

2、在連接處承受壓應力。在連接處加載，利用接觸面的受壓縮應力，使得微觀粗糙度發(fā)生變形從而實現(xiàn)密封。此種方法實際上可應用于所有的密封裝置中。其主要的優(yōu)點就是在密封件的加工性方面，對于配合表面的粗糙度和精度要求比較低，而且是由橡膠和熱縮性材料以及其他非金屬的材料來源，既豐富且具有著互換性。缺點便是要達到密封可靠性，這必然將增加結(jié)構(gòu)之復雜性以及加工制造之難度。

3、利用輔助介質(zhì)填充間隙?？梢岳幂o助介質(zhì)來填充連接處的間隙，這已經(jīng)成為了一種獨立的密封方法，與此同時，也可以和精密配合的密封方法以及組對零件加載的密封方法相結(jié)合著使用。

4、利用焊接和粘接等方法來形成永久性連接。用焊接和粘接密封可謂是最可靠的密封方法之一。焊接密封就是利用連接零件的接觸處進行材料溶化，隨著溶化的液體固化而形成的整體，從而使得連接處的剛度及強度增加，以確保密封的卡靠性，來實現(xiàn)穩(wěn)定的密封作用。

5、利用電磁場，使其和連接處的間隙中的介質(zhì)產(chǎn)生相互作用。電磁密封就是利用在連接處的間隙中的介質(zhì)，在電磁場作用下來產(chǎn)生密封的作用。由于電磁場以及密封的介質(zhì)相互作用，再利用液態(tài)金屬以及強磁性液體，集中的產(chǎn)生一個有著很大應力場的一個區(qū)域，從而產(chǎn)生封組密封介質(zhì)作用。

六、對機械密封設計性能產(chǎn)生影響的因素

1、密封的目的主要是在于對一處有可能發(fā)生泄漏因此要對其施以密封的地方，在此處設置出一個完善的物理壁壘。靜密封件都是無泄漏的密封件。欲達此目的，密封件就必須要有足夠的彈性，以便可以嵌入并填滿被密封面上的任一一處凹凸不平，同時還必須保證足夠剛性，在防止系統(tǒng)滿載的密封壓力下擠入表面件間隙中，此兩項均要求長時間的得到滿足。彈性流動是通過壓緊加載所形成的，密封件在經(jīng)過壓縮后處于受力的狀態(tài)。系統(tǒng)中可以產(chǎn)生的任何應力若松弛都會使降低性能。面對這種情況也可能是由于密封材料其本身的應力松弛或是不均勻熱膨脹等所引起的。

2、這些要求都有關(guān)一個動密封件，彼此間則具有抵觸性的，因而便需要通盤考慮。就接觸型密封件而論，要有良好的密封性就必須要被密封面上要有足夠大的接觸壓力；與此同時，密封件需要最大限度減少磨損及磨損來減少系統(tǒng)的慣量，以便利于伺服系統(tǒng)的伺服精度、動態(tài)響應和穩(wěn)定性，同時也有利于減少用來克服摩擦載荷的功率上的損耗。在接觸型的密封結(jié)構(gòu)中，因為靜態(tài)壓縮應力，其密封件的摩擦作用中的周期載荷，及具有物理和化學活性的密封介質(zhì)侵蝕作用，對密封的材料性能隨時間穩(wěn)定也有了較高要求，這便限制了接觸密封元件使用的條件。

七、如何提高機械密封設計的質(zhì)量

1、密封系統(tǒng)中的密封件間功能需要分別做出不同規(guī)定，其中每種功能都必須滿足機器密封部件所提出的要求；并且保證其密封功能。

2、從結(jié)構(gòu)上采取一定措施。減少和消除某些使用中的有害因素影響。

3、在密封的連接處，減少熱的生成。例如，采用非接觸的密封代替接觸密封；對接觸零件的耐磨性質(zhì)等進行改善；同時，建議縮短密封的周邊，及盡量地減少連接密封，用焊接和釬焊來代替可卸連接。

八、結(jié)束語

隨著人們對環(huán)保的日益關(guān)注，對于機械密封的泄漏方面要求也是越來越嚴格，因此，機械密封其發(fā)展的總體趨勢就是要利用新概念、新材料、新工藝和新技術(shù)，對機械密封結(jié)構(gòu)進行不斷改進，來提高機械密封的可靠性、降低泄漏量、延長其壽命和開發(fā)出更多新的適用于特殊工況的機械密封產(chǎn)品。機械密封得技術(shù)對于大多數(shù)的技術(shù)領(lǐng)域來說都有重要的意義，它始終是機械制造專家們最為關(guān)注的中心問題。

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