机械密封

泵用机械密封的工作原理概述
      机械密封是对于旋转机械通用的轴密封类型。机械密封主要用于气体、液体等各类介质的密封，如泵类、反应釜等;同时也用于气体密封，如压缩机介质轴的密封。

      机械密封由于具有泄漏量低和不需日常维护的特点，己广泛取代了压盖软填料密封。

      机械密封一般有两个垂直于回转轴轴线的密封平面，因此也可称为“径向端面密封”。其中一个密封面组件安装在泵盖、端盖或泵体上保持静止;另一个固定在轴上并随之转动。静止的称为静环组件(在静止式机械密封中又称为浮动环组件)、转动的称为动环(旋转环)组件。为使泄漏量保持在极小的范围内，一般情况下的常规机械密封的旋转环和静止环端面的研磨平面度允差为0.0006。

      为使两个面由于摩擦产生的热量及磨损量保持在允许范围内，在密封面之间必须有一层流体润滑膜。对于单端面密封，通常是将密封介质作为润滑剂，但对于有毒、有害、易燃、易爆、强腐蚀介质选用的双端面或串联机械密封，与介质能够相溶的封液作为润滑和冷却液。

      为了补偿磨损及制造误差，应有一个密封面在弹性元件和介质压力的双重作用下，可以沿轴向有一定量的移动;同时为了适应由旋转零件的角偏差引起的晃动，应有一个密封端面可以在径向作微小的浮动。通常由一个密封面兼有这两种功能。

      对于回转轴的密封，机械密封是最为通用的密封类型。机械密封通常用液体密封，如离心泵;也用于气体密封，如压缩机和搅拌装置的密封。在本教材中，我们主要介绍相对于泵类的液体介质的泵用机械密封。

      机械密封由于具有泄漏量低和不需日常维护的特点，己广泛取代了填料密封。

      机械密封一般有两个垂直于回转轴的密封面，因此也可称为“径向端面密封”。其中一个密封面安装在固定的泵支架或泵体上而称之为“静环”:另一个安装在转动的轴上并同轴一同转动而称之为“动环”。为使介质的泄漏量保持在允许范围内，这两个相对运动的接触面必须保持很小的间隙，通常应小于0.001mm，同时也应有辅助系统对机械密封的端面进行冷却和润滑。


图1——1 密封间隙
      为使两个端面摩擦产生的热量及磨损量保持在允许范围内，在密封面间必须有一层由被密封介质形成的流体润滑膜。从理论上讲，机械密封都有一定程度的泄漏，只是泄漏比其他密封少得多，有些密封我们看不到泄漏，那是泄漏的液体在流出密封面时己经汽化，我们看不到。总体上说，对于同一套机械密封，其泄漏量和寿命是成反比的一对参数，泄漏量大些，其端面液膜的厚度也大，其寿命较高。因此对于机械密封的安装，不要只追求小的泄漏量，应从综合因素考虑，如只追求小的泄漏量，从而增加弹簧的压缩，将导致机械密封端面严重磨损。从微观看，二个密封面并不是十分光洁的，而是存在表面粗糙度导致的波峰和波谷(见图1-1, 2)，峰谷之间存在液膜，但峰谷之间并不连通，所以静态时，一般不泄漏。


图1——2 给水泵机械密封动环密封面显微镜照片
      为了补偿磨损及制造误差，应有一个密封面可以沿轴向移动。同时为了适应由旋转部件的角偏差引起的晃动，应有一端密封面可以径向浮动。通常，由同一密封面兼有这两个功能。浮动的一端既可以是静环也可以是动环。但在回转轴表面线速度大于越15m/s时，将浮动端设置为静环以避免离心力的影响。

      实际上，机械密封的密封面的工作状态同滑动推力轴承是相同的。但由于机械密封具有要求运动间隙小、润滑性能差、润滑流量低等特点，导致其设计困难、运行可靠性低。下面我们将机械密封和推力轴承的工作参数做一比较:

      表1-1 机械密封与推力轴承参数对比表


      图1一一3是我们电站比较常见的机械密封结构。其密封面是由动和静环平面在相对转动中的接触面。密封面通过研磨加工成具有很高的平面度，可以用光波长度进行度量(我国JB4127-85《机械密封技术条件》规定，密封端面的平面度不大于0.9 um，但一般出厂要求达到0.6 um)。在旋转式机械密封中，动环可以沿轴线移动;在静止式机械密封中，静环(也叫浮动环)可以在轴向上移动，这样，在运行时密封液体的压力和弹簧力使密封端面保持接触，液体压力不足时弹簧仍然可以补偿压力。


图1——3 机械密封结构
      密封压紧力的大小应该综合考虑泄漏和磨损两种因素。在机械振动或压力波动较大的情况下，必须有足够的压紧力，以保证密封面的结合。辅助的静密封通常用“0”型橡胶圈。

      密封端面间相互滑动所引起的摩擦会产生很大的热量。中等型号和转速的密封，发热量在100-1000W之间。这些热量是通过密封元件的传导，最后传给周围的液体并被密封冲洗或冷却系统带走。面泄漏的液体也会带走很小一部分热量。

      密封端面间的温度必须安全地控制在密封介质的沸点以下，介质汽化会导致密封剧烈磨损，这一点非常重要!通常的布置是自泵的高压端引出液体来冲洗机械密封(后面会详细介绍)，如果介质温度太高，则需要布置辅助冷却装置。密封介质在冷却系统内靠泵的进、出口压差或依靠密封自身设计的泵送装置产生的压力进行循环，通过冷却器被二次冷却水带走热量。为防止介质中的颗粒杂志磨损密封面，在这个系统中通常还布置有过滤器或旋液分离器。

      密封端面的材料选择有以下几个要点:有良好的滑动特性(贴合相容性);耐介质的化学腐蚀性(化学相容性):对温度及其他一些运行因素(如耐磨性、导热性)的适应能力。

      通常，密封环之一是碳一一石墨材料，而与之配对的另一个环则为金属、合金、陶瓷或硬质合金材料。碳一一石墨综合了滑动特性和化学相容性(耐腐蚀性)。当用作密封环时，碳一一石墨通常进行浸树脂或金属的工艺处理。

      密封界面的润滑是依靠其自身调节的。根据结构和工作负荷的不同，它的润滑可由一层将两端面分开的液膜提供或是通过端面上粗糙度导致的波峰和波谷凹凸不平点接触并兼有液膜实现的，只有当滑动界面得到有效润滑时，才能获得满意的密封效果，否则机械密封的端面会很快磨损，从而导致寿命降低。

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