密封基础知识

1.1泄漏


泄漏是机械设备常产生的故障之一。造成泄漏的原因主要有两方面:一是由于机械加工的结果,机械产品的表面必然存在各种缺陷和形状及尺寸偏差,因此,在机械零件联接处不可避免地会产生间隙;二是密封两侧存在压力差,工作介质就会通过间隙而泄漏。减小或消除间隙是阻止泄漏的主要途径。密封的作用就是将接合面间的间隙封住,隔离或切断泄漏通道,增加泄漏通道中的阻力,或者在通道中加设小型做功元件,对泄漏物造成压力,与引起泄漏的压差部分抵消或完全平衡,以阻止泄漏。

对于真空系统的密封,除上述密封介质直接通过密封面泄漏外,还要考虑下面两种泄漏形式:

渗漏。即在压力差作用下,被密封的介质通过密封件材料的毛细管的泄漏称为渗漏;

扩散。即在浓度差作用下,被密封的介质通过密封间隙或密封材料的毛细管产生的物质传递成为扩散。


1.2 密封的分类


密封可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。静密封主要有点密封,胶密封和接触密封三大类。根据工作压力,静密封由可分为中低压静密封和高压静密封。中低压静密封常用材质较软,垫片较宽的垫密封,高压静密封则用材料较硬,接触宽度很窄的金属垫片。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触,可以分为接触式密封和非接触式密封。一般说来,接触式密封的密封性好,但受摩擦磨损限制,适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差,适用于较高速度的场合。


1.3 密封的选型


对密封的基本要求是密封性好,安全可靠,寿命长,并应力求结构紧凑,系统简单,制造维修方便,成本低廉。大多数密封件是易损件,应保证互换性,实现标准化,系列化。


1.4 密封材料


1.4.1 密封材料的种类及用途

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,不易泄漏介质;

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。

橡胶是最常用的密封材料。除橡胶外,适合于做密封材料的还有石墨等,聚四氟乙烯以及各种密封胶等。


1.4.2 通用的橡胶密封制品材料

通用的橡胶密封制品在国防,化工,煤炭,石油,冶金,交通运输和机械制造工业等方面的应用越来越广泛,已成为各种行业中的基础件和配件。

橡胶密封制品常用材料如下。


1.4.2.1 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。


1.4.2.2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。


1.4.2.3 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。


1.4.2.4 氟橡胶

氟橡胶具有突出的耐热(200~250℃),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。


1.4.2.5 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-70~260℃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。


1.4.2.6 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。


1.4.2.7 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-20~80℃。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。


1.4.2.8 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。


1.4.2.9 丙烯酸酯橡胶

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。


2、垫密封


垫密封广泛应用于管道,压力容器以及各种壳体的结合面的静密封中。垫密封有非金属密封垫,非金属与金属组合密封垫和金属密封垫三大类。其常用材料有橡胶,皮革,石棉,软木,聚四氟乙烯,钢,铁,铜和不锈钢等。

垫密封的泄漏有三种形式:界面泄漏,渗透泄漏和破坏性泄漏。其中以前二者为主要形式。


3.1 概述


密封材料的功能是填充构形复杂且不利施工的间隙,以起密封作用。密封材料主要有三种类型:

1) 硫化型的橡胶垫片或密封圈;

2) 非硫化型的密封胶带;

3) 无固定形状的膏状或腻子状的液体密封胶。


3.2 密封胶的分类


密封胶的品种及类型很多。为了满足同一使用要求,可以使用几种不同基料的密封胶;而同一种基料又能制造出不同性能和不同的用途的密封胶。从密封胶的制造者和使用者两方面考虑,密封胶有多种分类方法。一般可按下述四种方法进行分类。


3.2.1 按密封胶基料分类


3.2.1.1 橡胶型

此类密封胶以橡胶为基料。常用橡胶有聚硫橡胶,硅橡胶,聚氨酯橡胶,氯丁橡胶和丁基橡胶等。


3.2.1.2 树脂型

此类密封胶以树脂为基料。常用树脂有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚氯乙烯树脂等。


3.2.1.3 油基型

此类密封胶以油料为基料。常用的油类有各种植物油如亚麻油,蓖麻油和桐油,以及动物油(如鱼油)等。


3.2.2 按密封胶硫化方法分类

此类密封胶系列利用空气中的水分进行硫化。它主要包括单组分的聚氨酯、硅橡胶和聚硫橡胶等。其聚合物基料中含有活性基因,能同空气中的水发生反应,形成交联键,使密封胶硫化成网状结构。大气中的湿气作为硫化反应中的催化剂。


3.2.2.2 化学硫化型密封胶

双组分的聚氨酯、硅橡胶、聚硫橡胶、氯丁橡胶和环氧树脂密封胶都属于这一类,一般在室温条件下完成硫化。某些单组分的氯磺化聚乙烯和氯丁橡胶密封胶以及聚氯乙烯溶胶糊状密封胶(如汽车用点焊胶),则须在加条件下经化学反应完成硫化。


3.2.2.3 热转变型密封胶

用增塑剂分散的聚氯乙烯树脂和含有沥青的橡胶并用的密封胶是两个不同类型的热转变体系 。乙烯基树脂增塑体在室温下是液态悬浮体,通过加热转化为固体而硬化;而橡胶——沥青并用密封胶则为热熔性的。


3.2.2.4 氧化硬化型密封胶

表面干燥的嵌缝或安装玻璃用密封胶属这种类型,主要以干性和半干性植物油为基材。着中类油料可以是精制聚合的、吹制的或化学改性的。用环烷酸钴作催干剂加速表面干燥而内部不硬化;环烷酸铅可使表面和内部都硬化;而环烷酸锰使内部硬化更有效。


3.2.2.5 溶剂挥发凝固型密封胶

这是以溶剂挥发后无粘性高聚物为基料的密封胶。这一类密封胶主要有丁基相交、高分子量聚异丁烯、一定聚合程度的丙烯酸酯、氯磺化聚乙烯以及氯丁橡胶等密封胶。


3.2.2.6 不干性能够永久塑性密封胶

这类密封胶通常包括以聚丁烯、中等分子量的聚异丁烯、高粘度的非氧化性粘接料如苯乙烯基油、不干性植物油、吹制半干性油或丁基橡胶为基料的密封胶。


3.2.3 按密封胶形态分类


3.2.3.1 膏状密封胶

这类密封胶属低级别密封胶,通常采用3种主要材料:油和树脂;聚丁烯;沥青。常用于密封小窗户的固定玻璃,其接缝移动变形量最大为 +5%或-5%,使用有效期一般为2年。


3.2.3.2 液态弹性体密封胶

这类密封胶包括经硫化可形成弹性状态的液态聚合物。他们具有承受重复的接缝变形能力。液态弹性体密封胶使用寿命一般为15~20年。这类密封胶具有高的粘接力和剪切强度,室温下具有良好的柔软性。其缺点为价格高,通常情况下需要底胶,双组分密封胶现场混合不方便,硫化时对温度和湿度敏感等。


3.2.3.3 热熔密封胶

热熔密封胶又称为热施工型密封胶,是指以弹性体同热塑性树脂掺合物为基料的密封胶。

热熔密封胶可配制成性能接近于液体弹性密封胶,但它比液体弹性体密封胶优越的是不需要加入硫化剂。


3.2.3.4 液体密封胶

这类密封胶主要用于机械结合面的密封,以代替固体密封材料(纸片、石棉、软木和硫化橡胶),以防止机械内部流体从结合面泄漏,所以液体密封胶又称为液体垫圈。


3.2.4 按密封胶施工后性能分类


3.2.4.1 固化型密封胶

这类密封胶又可分为刚性和柔性两类。刚性密封胶硫化或凝固后形成的固体,很少具有弹性;柔性密封胶在硫化后具有弹性及柔软性。

刚性密封胶的特点是不能弯曲,通常接缝不可移动。

柔性密封胶经硫化后保持柔软性。


3.2.4.2 非固化型密封胶

这类密封胶是软质凝固性的密封胶,施工后仍保持不干性(增粘剂不断地迁移到表面)状态。这种胶通常为膏状,可用刮刀或刷子施用到接缝中,可以配合出不同粘度和不同性能的密封胶使用。


3.3常用密封胶的种类


在前面密封胶的分类中列举了多种方法,其中应用最广泛的是将密封胶分为硫化型和非硫化型两大类。在硫化型密封胶中应用最广泛的是室温硫化型,加温硫化型用的较少。非硫化型密封胶有液体密封胶和腻子。此外,在加上常用的厌氧胶。


3.4 液体密封胶的选用和施工工艺


密封胶的选用,应根据使用条件、密封件的材料和密封面状态、密封介质的种类和特性以及涂敷工艺等要求综合考虑。一般情况下当受力较大,且受冲击力及交变力时,应选用强度较高的密封胶;当变温差很大时,应选用韧性好的密封胶。


3.4.1 液体密封胶的施工方法


液体密封胶的施工方法可根据胶的状态选用。膏状密封可用刮刀刮涂或注射枪注射施工;液体密封胶采用的刷子刷涂或喷涂施工;膜状密封胶用铺贴方法施工。


3.5 国产密封胶


3.5.1 室温硫化聚硫橡胶密封胶为多组分材料,室温硫化成弹性体,为干性粘着型密封胶,常用的有XM系列密封胶。


3.5.2 室温硫化硅橡胶密封胶

硅橡胶密封胶的有多种特殊性能,如耐高温、耐低温性能,良好的电绝缘性能。


3.5.3 厌氧胶


3.5.4其他硫化型密封胶


3.5.5非硫化型密封胶

非硫化型密封胶大部分为不干性和半干性,其中呈腻子状的又称非硫化型腻子。这类胶对温度敏感性小,在使用温度范围内密封胶不变形,不开裂,不结皮,而且长期储存性好,但力学性能低,适用于可拆卸部位或紧固联接接合面密封、沟槽密封及填堵较大的结构空隙,在液体密封垫中占主要地位,广泛应用于可拆卸部位的密封。


4、填料密封


填料蜜密封是一种最古老的密封方式,在中国已有上千年的历史。它最早以棉、麻的纤维填塞在泄漏通道内来阻止液流泄漏,主要用作提水机械的密封。

填料密封主要用作动密封。它广泛用作离心泵、压缩机、真空泵、搅拌机和船舶螺旋桨的转轴密封,往复式压缩机、制冷机的往复运动轴封,以及各种阀门阀杆的旋动密封等。为了适应上述设备的工作条件,填料密封必需具备下列条件:

1) 有一定的塑性,在压紧力作用下能产生一定的径向力并紧密与轴接触。

2) 有足够的化学稳定性,不污染介质,填料不被介质泡胀,填料中的侵渍剂不被介质溶解,填料本身不腐蚀密封面。

3) 自润滑性能良好,耐磨,摩擦因数小。

4) 轴存在少量偏心时,填料应有足够的浮动弹性。

5) 制造简单,填装方便。


填料的种类很多,可以从其功用方面、构造方面和材料方面分类,最常用的有下面四类:绞合填料、编结填料、塑性填料、金属填料。


4.1 绞合填料和编结填料


绞合填料即把几股石棉线绞合在一起,将它填塞在填料腔内即可起密封作用。

编结填料是以棉、麻以及石棉纤维纺线后编结而成,并于其中侵入润滑剂或聚四氟乙烯。


4.2 塑性填料


塑性填料是几经膜具压制成型的填料。


4.3 金属填料


金属填料有半金属填料和全金属填料两种。所谓半金属填料是金属与非金属组合而成,全金属填料则不含非金属。


4.4 碳纤维填料


碳纤维填料是一种新型填料。其优异的自润滑性能、耐高、低温性能和耐化学品性能引起人们的极大的注意,而且作为压缩填料的弹性和柔软性也极为良好,其缺点仅在于有渗透泄漏,但侵渍聚四氟乙烯或其他粘接剂之后可以防止。目前其成本较高,但随着碳纤维的发展,其成本定会下降,因此,碳纤维填料是一种最为理想和最有希望的填料。`


4.5 填料的选择


选择填料时,应考虑:机器的种类、介质的物理、化学特性、工作温度和工作压力,以及运动速度等,其中尤以介质的腐蚀性(以pH值表示),pH值及使用温度为最重要。


4.6 填料的合理装填


填料的合理装填应按下列步骤进行:

1) 清理填料腔,检查轴表面是否有划伤、毛刺等现象。

2) 用百分表检查轴在密封部位的径向跳动量,其公差应在允许范围内。

3) 填料腔内和轴表面应涂密封剂或与介质想适应的密封剂。

4) 对成卷包装的填料,使用时应先取一根与轴径同尺寸的木棒,将填料缠绕在其上,再用刀切断,切口最好呈450斜面,对切断后的每一节填料,不应让它松散,更不应将它拉直,而应取与填料同宽度的纸带把每节填料呈圆圈形包扎好,置于洁净处。

5) 装填时应一圈一圈装填,不得同时装填几圈。

6) 取一只与填料强同尺寸的木质两半轴套,合于轴上,将填料推入腔的深部,并用压盖对木轴套施加一定的压力,使填料得到预压缩。

7) 以同样的方法装填第二圈、第三圈。

8) 最后一圈填料装填完毕后,应用压盖压紧,但压紧力不宜过大。

5、成型填料密封

成型填料密封泛指用橡胶、塑料、皮革及金属材料经模压或车削加工成型的环状密封圈。

成型填料按工作特性分为挤压型密封圈和唇形密封圈两类;按材料可分为橡胶类、塑料类、皮革类和金属类。各种材料的挤压型密封圈中橡胶挤压型密封圈应用最广,其中O形圈历史最悠久,最典型。唇形密封圈的类型很多,有V形、U形、L形、J形和Y形等。


5.1 O型密封圈


O型密封圈简称O型圈,开始出现在19世纪中叶,当时用它作蒸汽机汽缸的密封元件。

O型橡胶密封圈有如下的优点:

1) 密封部位结构简单,安装部位紧凑,重量较轻;

2) 有自密封作用,往往只用 一个密封件便能完成密封;

3) 密封性能较好,用作静密封时几乎可以做到没有泄漏;

4) 运动摩擦阻力很小,对于压力交变的场合也能适应;

5)尺寸和沟槽已标准化,成本低,便于使用和外购。


5.2 V型密封圈


V型密封圈为一种唇形密封圈,是使用最早使用最多的成型填料之一。它主要用于往复运动,作活塞或活塞杆的密封。很少用于转动中或作静密封。

V形密封圈有下列特点:

1)密封性能良好;

2)允许一定的偏心载荷、和偏心运动;

3)可以多圈重叠使用,并通过调节压紧力来获得最大密封效果;

4)耐冲击压力和振动压力;

5)当填料不能从轴向装入时,可以开切口使用,只要安装时将切口互相错开,不影响密封效果。其缺点是摩擦阻力较其他成型填料的大。


5.3 Y型密封圈


活塞密封用的U形和Y形密封圈在形状上略有不同,U形圈的唇长,底部与唇部同厚度或略大于唇部厚度。Y形圈的纯短,底部厚,这是为了克服U形圈常常不能稳定安放而设计的,同时可增大唇的强度,以免唇根部被撕裂。


5.4 鼓形和山形密封圈的结构


5.4.1 鼓形密封圈的结构


鼓形密封圈又称活塞密封圈,它是为单向和双向工作的活塞而设计的。密封圈的截面、衬套或挡环的结构与活塞的设计有很大关系。由于有各种性能的要求,所以鼓形密封圈的结构也不可能是一致的。


5.5 J形和L形密封圈


J形和L形密封圈,都是用于工作压力不大于1MPa的气压或液压机械设备的密封。J形密封圈的是用于活塞杆密封。


6.1 油封


油封,即润滑油的密封。它常用于各种机械的轴承处,特别是滚动轴承部位。其功能在于把油腔和外界隔离,对内封油,对外封尘。

油封与其他密封比较有下列优点:

1) 油封重量轻,耗材少。

2) 油封的安装位置小,轴向尺寸小,容易加工。

3) 密封性能好,使用寿命较长,对机器的振动和主轴的偏心都有一定的适应性。

4) 拆卸容易,检修方便。

5) 价格便宜。


6.2 防尘密封


油封可作防尘密封的件使用。但是在粉尘严重或是为了保护其他密封件时,常常使用专门的防尘密封。

防尘密封的材料,油压机械多用橡胶,气压机械多用毛毡,飞机和寒带工作的油缸为了对付活塞杆外部结冰而用金属,化工部门为防止活塞杆上的粘着物也用金属。

防尘密封对保护关键性的液压设备是十分重要的。渗入尘土,不仅磨损密封件,而且会大大的磨损导向套和活塞杆。此外,杂质进入液压介质中,也会影响操作阀和泵的功能,在最坏的情况下,也可能损坏这些装置。防尘圈能除掉活塞杆表面上的尘土和杂物,但损坏活塞杆上的油膜,这对密封件的润滑也有一定作用。


11、浮环密封


浮动环密封简称浮环密封,用于离心压缩机、氢冷气轮发电机、离心泵等轴封。

在中、高压离心压气机中可供选择的密封方式有:机械密封、迷宫密封和填料密封。但由于气体的散热和润滑条件不如液体,所以填料密封只有小型、低速才用,而机械密封在周速大于40m/s温度高于200℃以后也很难适应,只有迷宫密封和浮环密封是最常用的两种方式。

浮环密封有下列优点:

1)密封结构简单,只有几个形状简单的环、销、弹簧等零件。多层浮动环也只有这些简单零件的组合,比机械密封零件少。

2)对机器的运行状态并不敏感,有稳定密封性能。

3)的密封件不产生磨损,密封可靠,维护简单、检修方便。

4)因密封件材料为金属,固耐高温。

5)浮环可以多个并列使用,组成多层浮动环,能有效的密封10MPa以上的高压。

6)能用于10000~20000r/min的高速旋转流体机械,尤其使用于气体压缩机,其许用速度高达100m/s以上,这是其他密封所不能比拟的。

7)只要采用耐腐蚀金属材料或里衬耐腐蚀的非金属材料(如石墨)作浮动环,可以用于强腐蚀介质的密封。

8)因密封间隙中是液膜,所以摩擦功率极小,在、使机器有较高的效率。

浮环密封的缺点:密封件的制造精度要求高,环的不同心度和端面的不垂直度和表面不粗糙度对密封性能有明显的影响。此外,这种密封对液体不能做到封严不漏。对气体虽然可做到封严,但需要一套复杂而昂贵的自动化供油系统。


11.1 浮环密封机理


浮环密封属于流阻型非接触式动密封,是依靠密封间隙内的流体阻力效应而达到阻漏目的。由于存在间隙,避免了固体摩擦,适用于高速情况,即可封堵液体,也可封堵气体,但泄漏量较大,某些情况下还须配置比较复杂的密封辅助系统。


11.2 浮动环


浮环密封装置的结构有多种型式,其主要型式有:宽环和窄环、光滑环和开口环、 液膜和干式浮动环。


11.2.1宽环和窄环


宽环的宽度相对其直径来说较大,其比例l/D=0.4~0.6。这种环的特点在于工作时作用在此环上的流体动力要比窄环大,并且不需用对正中心的附件。在一定的压差和泄漏量之下,其数目可以比窄环少些,这样,密封装置的结构可以简化,并便于装拆和检修。

宽环的缺点在于环的两侧会有较大的压差,这样,作用在环端面上的压力也就较大,在自由浮动时所须克服的端面摩擦力较大,即浮动较为困难。

窄环的宽度相对其直径较小,其比例l/D=0.1~0.2。窄环与轴的间隙较小,工作时,间隙中形成的流体动力较小,因此其自动同心的能力较差,大多用橡胶O型圈来帮助对正中心。由于采用这种辅助措施,偏心度较小,停车时间也较少,这样,虽然环窄,泄漏量却不大。

窄环也可以不用O形圈定位,而改用弹簧。环在弹簧力的作用下,压在隔离环端面上。当密封液的压力降低时,环仍可以保持它的对正中心位置。

由于作用在每个窄环上的压力差比宽环小,所以环作用在隔离环端面上的压力也就小,即窄环容易浮动。


11.2.2 光滑环和开口环


光滑环的内孔是光滑的;开槽环的内孔全长开槽或部分开槽。由于光滑环与轴表面的间隙中水力摩擦较小,使用中回出现较大的泄漏量。开槽环的内孔加工有许多道环形槽,与轴的 间隙中水力摩擦较大,在同样的压差和同样的宽度下,泄漏量要比光滑环小,特别是在高转速下可以作到完全不漏,液膜形成也很稳定,能有效的起到密封作用。所以,对于高速转轴,开槽环比光滑环好,如将光滑浮环密封与机械密封作比较,在低速时机械密封的泄漏量少些,高速下则光滑环少些,因此,高速转动密封宜用光滑环。但是,当旋转频率太高时,由于密封油的粘性阻滞作用,密封油会发热。为了散热,常常有意保持一定的泄漏量。而泄漏量除与环的形式有关外,还与运动速度、油的特性、入口油温和大气温度等有关。


11.2.3 液膜和干式浮动环


浮动密封既可密封液体,也可密封气体。用以阻止液体泄漏的称为液膜浮环密封;用于阻止气体泄漏的称为干式浮环密封,因为浮环通常石墨等固体自润滑材料制造,故又称石墨浮环密封。

石墨浮环密封:波形片弹簧的弹力及气体压力使各浮动环的一个端面分别与各隔离环的一个端面紧密贴合,组阻止气体沿径向泄漏,并靠端面的摩擦力防止环转动通过浮动环密封沿轴向漏出的少量气体由排漏空排出,或引至主机的气体进口。石墨浮环密封的工作间隙不是定值,而是随摩擦发热状况而自行调整,故有“热自调间隙密封”之称。

石墨既耐腐蚀又耐热,但它太脆,在径向载荷作用下易断裂。在离心压气机中,采用了石墨作浮环,为了防止断裂,常在石墨环的外周镶有金属环。石墨环用冷缩方法套用金属环内,然后再加工石墨环的内孔,使之达到规定的尺寸。当轴封的温度上升时,如镶环与轴的材料相同或相似,他们的膨胀量就会相同或相差不大。而不致影响密封性能。这种结构已成功应用于温度高达400℃的气体密封。


12、迷宫密封


迷宫密封是在转轴周围设若干个依次排列的环行密封齿,齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔,被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。

由于迷宫密封的转子和机壳间存在间隙,无固体接触,毋须润滑,并允许有热膨胀,适应高温、高压、高转速频率的场合,这种密封形式被广泛用于汽轮机、燃汽轮机、压缩机、鼓风机的轴端和的级间的密封,其他的动密封的前置密封。


12.1 迷宫密封的密封机理


流体通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机能称为“迷宫效应”。对液体,有流体力学效应,其中包括水力磨阻效应、流束收缩效应;对气体,还有热力学效应,即气体在迷宫中因压缩或者膨胀而产生的热转换;此外,还有“透气效应”等。而迷宫效应则是这些效应的综合反应,所以说,迷宫密封机理是很复杂的。


12.1.1 摩阻效应


泄漏液流在迷宫中流动时,因液体粘性而产生的摩擦,使流速减慢流量(泄漏量)减少。简单说来,流体沿流道的沿程摩擦和局部磨阻构成了磨阻效应,前者与通道的长度和截面形状有关,后者与迷宫的弯曲数和几何形状有关。一般是:当流道长、拐弯急、齿顶尖时,阻力大,压差损失显著,泄漏量减小。


12.1.2 流束收缩效应


由于流体通过迷宫缝口,会因惯性的影响而产生收缩,流束的截面减小。设孔口面积为A,则收缩后的流束最小面积为 Cc A,此处 Cc 是收缩系数。同时,气体通过孔口后的速度也有变化,设在理想状态下的流速为u1,实际流速比u1小,令Cd为速度系数,则实际流速u1为u1= Cd u1于是,通过孔口的流量将等于q=CcCdA u1式中CcoCd=α(流量系数)。

迷宫缝口的流量系数,与间隙的形状,齿顶的形状和壁面的粗糙度有关。对非压缩性流体,还与雷诺数有关;对压缩性流体,还于压力比和马赫数有关。同时,对缝口前的流动状态也有影响。因此在复杂型式的迷宫只,不能把一个缝口的流量系数当作所有缝口的流量系数。根据试验,第一级的流量系数小一些,第二级以后的缝口流量系数大一些,一般流量系数常取1。但是尖齿的流量系数比1小,约在0.7左右,圆齿的流量系数接近于1,通常取α=1,计算的泄漏量是偏大。


12.1.3 热力学效应


理想的迷宫流道模型,它是由一个个环形齿隙和齿间空腔串联而成的。气体每通过一个齿隙和齿间空腔的流动可描述如下:在间隙入口处,气体状态为p0,T0和零开始,气体越接近入口,气流越是收缩和加速,在间隙最小处的后面不远处,气流获得最大的速度;当进入空腔,流速截面突然扩大,并在空腔内形成强烈的旋涡。从能量观点来看,在间隙前后,气流的压力能转变为动能。同时,当温度下降(热焓值h减小),气体以高速进入两齿之间的环行腔室时,体积突然膨胀产生剧烈旋涡。涡流摩擦的结果,使气流的绝大部分动能转变为热能,被腔室中的气流所吸收而升高温度,热焓又恢复到接近进入间隙前的值,只有小部分动能仍以余速进入下一个间隙,如此逐级重复上述过程。


12.1.4 透气效应


在理想迷宫中,认为通过缝口的气流在膨胀室内动能,全部变成热能。也就是说,假定到下一个缝口时的渐近速度等于零,但这只是在膨胀室特别宽阔和特别长时才成立。在一般直通迷宫中,由于通过缝口后的气流只能向一侧扩散,在膨胀室内不能充分的进行这种速度能(动能)向热能的能量转换,而靠光滑壁一侧有一部分气体速度不减小或者只略微减小,直接越过各个齿顶流向低压侧,把这种一掠而过的现象称为 “透气效应”。


12.2 迷宫密封的结构型式


迷宫密封按密封齿的结构不同,分为密封片和密封环两大类型。

密封片结构紧凑,运转中与机壳相碰,密封片能向两侧弯曲,减少摩擦,且拆换方便。

密封环由6~8块扇形块组成,装入机壳与转轴中,用弹簧片将每块环压紧在机壳上,弹簧片压紧力约60~100N,当轴与齿环相碰时,齿环自行弹开,避免摩擦。这种结构尺寸较大,加工复杂,齿磨损后将整块密封环调换,因此应用不及密封圈结构广泛。


12.3 理想迷宫的泄漏计算


给定下列几个条件:

1) 泄漏气体是理想气体,不考虑焦尔-汤姆逊效应,即气体的焓只与温度有关;

2) 假设迷宫是连续的多缝口组成的一个系列,两缝口之间的膨胀室足够大;

3) 通过缝口的流动作绝热循环膨胀,在这里引用一个流量系数α;

4) 通过缝口之后的流动速度能量在膨胀室内因受等压支配而完全作恒温恢复,所以在每一个缝口之前的速度渐近为0,即不发生透气现象。


12.4 直通型迷宫的特性


由于在轴表面加工沟槽或各种形状的齿要比孔内加工容易,因此常把孔加工成光滑面,与带槽或带齿的轴组成迷宫,这就是直通型迷宫,因制作方便,所以直通型迷宫应用最广。但是,直通型迷宫存在着透气现象,其泄漏量大于理想迷宫的泄漏量。


12.4.1 迷宫特性的影响因素:


1) 齿的影响。根据国外所进行的试验得出:齿距一定时,齿数越多,泄漏量越少。齿距改变时,齿距越大,泄漏量会急剧下降,同时还可以减少透气现象的影响。

2) 膨胀室的影响。国外对膨胀室深度的影响进行过试验研究,结论是浅的膨胀室对减少泄漏量有利。

根据对膨胀室流动状态的观察,认为浅膨胀室中的旋涡是不稳定的。由于旋涡能很快地把能量耗尽,所以膨胀室的渐近速度减小,起到减小泄漏的效果。

3) 副室的影响。所谓 “副室”是指直通型迷宫光滑面上开的附属槽,开槽后迷宫中的流动状态立即发生明显的变化。试验证明,只要副室的位置恰当,泄漏量的减少率是相当大的。


12.5 迷宫式气体密封的间隙


除特殊情况外,一般气轮机、燃气轮机等叶轮机械都采用迷宫式气体密封。其径向间隙应根据以下因素选取:轴承间隙,制造公差与装配误差,部件的变形(如铸件收缩和失圆),转子的挠度,以及通过临界旋转频率时的振幅,热膨胀以及由此引起的变形等。在多种情况下,热膨胀的影响最突出。因此,对启动与停车时单个部件尺寸的变化,以及部件的相对位移必须预先估算。可用静态和动态有限元算法出随时间变化的热膨胀规律,由此可了解哪些是临界条件,间隙实际上应当多大尺寸。


12.5.1 迷宫密封设计的注意点


总结迷宫密封设计中积累的经验,归纳起来有下列要点:

1)尽量使气流的动能转化为热能,而不使余速进入下一个间隙。齿与齿之间应保持适当的距离,或用高-低齿强制改变气流方向。齿间距一般为5~9mm。

2)密封齿要做得尽量薄,并带锐角 。齿尖厚度应小于0.5mm,运行中偶尔与轴的相碰时,齿尖先磨损而脱离接触,不致因摩擦出现轴的局部过热而造成事故。

3)由于迷宫密封泄漏量大,因此在密封易燃、易爆或有毒气体时,要注意防止污染环境。采用充气式迷宫密封,间隙内引入惰性气体,其压力稍大于被密封气体压力;如果介质不允许混入充气,则可采用抽气式迷宫密封。


14.1 机械密封的工作原理


机械密封又称端面密封(Mechanical Seal),是旋转轴用动密封。机械密封性能可靠,泄漏量小,使用寿命长,功耗低,毋须经常维修,且能适应于生产过程自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性介质、含固体颗粒介质等苛刻工况的饿密封要求。

机械密封是靠一对或几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)作用下保持接合并配以辅助密封而达到的阻漏的轴封装置。

机械密封与软填料密封比较如下:

优点:

1)密封可靠,在长期运转中密封状态很稳定,泄漏量很小,其泄漏约为软填料密封的1%;

2) 使用寿命长,在油、水介质中一般可达1~2年或更长,在化工介质中一般能工作半年以上;

3) 擦功率消耗小,其摩擦功率仅为软填料密封的10%~50%;

4) 轴或轴套基本上不磨损;

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维修;

6) 抗振性好,对旋转轴的振动以及轴对密封腔的偏斜不敏感;

7) 适用范围广,机械密封能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率,以及各种腐蚀介质和含磨粒介质的密封。

缺点:

1)较复杂,对加工要求高;

2)安装与更换比较麻烦,要求工人有一定的技术水平;

3)发生偶然性事故时,处理较困难;

4)价高。

机械密封前的准备工作:

1)检查机械密封的型号、规格是否符合设计图纸的要求,所有零件(特别是密封面、辅助密封圈)有无损伤、变形、裂纹等现象,若有缺陷,必须更换或修复。

2)检查机械密封各零件的配合尺寸、粗糙度、平行度是否符合设计要求。

3)使用小弹簧机械密封时,应检查小弹簧的长短和刚性是否相同。

4)检查主机的窜动量、摆动量和挠度是否符合技术要求,密封腔是否符合安装尺寸,密封端盖与轴是否垂直,一般要求:轴窜动量不大于±0.5mm;轴摆动量(旋转环密封圈处)不大于0.06mm;轴最大挠度不大于0.05mm;密封端盖与垫片接触平面对中心线的不垂直度允许差0.03~0.05mm。

5)应保持清洁,特别是旋转环和静止环密封面及辅助密封圈表面应无杂质、灰尘。不允许用不清洁的布擦拭密封面。

6)允许用工具敲打密封元件,以防止密封件被损坏。


14. 2 机械密封材料


摩擦副材料

根据统计,机械密封的泄漏大约有80%~95%是由于密封端面,摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外,主要是摩擦副的材料问题。

摩擦材料应具备下列条件:

1) 机械强度高,能耐压和耐压力变形;

2) 具有耐干磨性,耐高载荷性,自润滑性好;

3) 配对材料的磨合性好,无过大的磨损和对偶腐蚀;

4) 耐磨性好,寿命长;

5) 导热性和散热性好;

6) 耐高温性好;

7) 抗热裂性好;

8) 耐腐蚀性强;

9) 线膨胀系数小,能耐热变形和尺寸稳定性好;

10) 切削加工性好,成型性能好;

11) 气密性好;

12) 密度小。


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