关于机械密封设计问题的探讨

陈勇

张家港保税区港密机械密封件有限公司 215633

摘要：先进的机械密封技术都是自动化的连续生产和文明生产必需的重要的环节。本文分析了机械密封设计的研发目的以及机械密封的主要类型等，对于在机械密封的设计过程中应该考虑到的一些因素等方面做出了说明，并且着重论述了如何提高机械密封设计的质量以及常用的机械密封结构形式。

关键词：机械密封；设计；设计质量

引言

机械密封第一个专利是在1885年的英国出现的，1900年开始机械密封开始在轴承密封中应用。二战过后，美国在机械密封技术方面有了迅速的发展，英、法等国也纷纷开始生产机械密封；磨擦副材料方面也得到了极大改进，出现了石墨、陶瓷和硬质合金材料，其加工精度也是大为提高；同时，在结构上中间环密封、平衡型机械密封等出现了。在近半个世纪以来，人们对环保的日益关注，这便要求机械密封向低磨损、长寿命、高可靠性、零逸出等方向发展。

一、机械密封基本概念

机械密封就是指由至少一对跟旋转轴线垂直的端面在补偿机构弹力（或磁力）和流体压力的作用下及辅助密封配合下保持着贴合并且相对滑动而构成的以防流体泄漏的一种装置。补偿环的辅助密封是金属波纹管的被称为波纹管机械密封。

二、机械密封基本原件和结构

1、端面密封副（动、静环）

端面密封副，它的作用是使密封面能够紧密贴合，以防介质泄漏。它要求动、静环有良好的耐磨性，其中动环能够轴向灵活地移动，对密封面磨损进行自动补偿，使之与静环之间良好地贴合；而静环是具有浮动性的，起着缓冲的作用。为此密封面便要求要有良好的加工质量，以保证密封副能有良好的贴合性能。

2、弹性元件（隔膜、波纹管、弹簧）

弹性元件主要是起着预紧、补偿以及缓冲的作用，这就要求需要始终保持足够的弹性以克服辅助密封及传动件的摩擦以及动环等的惯性，以保证端面密封副的良好贴合和动环追随性，因此材料要求耐疲劳、耐腐蚀。

3、辅助密封（& 形圈、/ 形圈、. 形圈、异形圈和楔形圈）

辅助密封主要是起着动环和静环的密封作用，同时也有浮动及缓冲的作用。要求动环的密封元件能够保证动环和轴或者轴套之间的密封性以及动环浮动性，而静环的密封元件能够保证静环和压盖之间的密封性以及静环有一定浮动性。因此材料要求耐寒、耐热，并且能够与介质相容。

4、传动件（传动销、传动座、传动环、传动突耳、传动键或者牙嵌式联结器）

传动件主要是将轴的转矩传给动环的作用。其材料要求耐磨、耐腐蚀。

5、紧固件（轴套、组装套、弹簧座、紧定螺钉、压盖）

紧固件主要是起到动、静环的定位和紧固的作用。它要求轴向的定位正确，要保证一定的弹簧压缩量，使得密封副的密封面是处于正确位置并且保持良好的贴合。同时，还要求其拆装方便、能重复利用、容易就位等。它与辅助密封的配合处，安装密封圈需要有导向倒角以及压弹量，应该特别注意的是动环辅助密封件和轴套配合处必须耐磨损且耐腐蚀，有必要的时候和轴套配合处可以采用硬面覆层。

6、防转件（防转销）

防转件主要是起到防止静环转动及脱出的作用。它要求有足够长度，以防静环在负压下脱出，并且要求定位要正确，以防静环随着动环旋转。其材料要求耐腐蝕，在必要的时候中间可以加四氟乙烯套，为免损坏碳石墨静环。

三、机械密封主要类型

1、在彼此都没有相对运动的结合面之间产生的密封性静密封件。

2、在彼此都有相对运动的结合面之间产生的密封性动密封件。

3、还有一些是专门为了防止灰尘、尘埃和其他的有害物侵入一个系统而设计的密封件类型。此类密封件采用的是防护罩或者类似的结构形式，它基本上是属于半静密封件。

四、机械密封工作原理

机械密封在工作的时候，由密封流体压力及弹性元件弹力等所引起的轴向力使得动环、静环互相贴合并且相对运动，因为两个密封端面紧密的配合，使得密封端面之间的交界形成一个微小的间隙，当有压介质从此间隙通过时，形成了极薄的液膜，并且产生阻力，便阻止了介质泄漏，同时液膜又使端面得以润滑，来获得长期的密封效果。

五、常见的机械密封结构形式

密封技术的关键便在于消除各种零件的连接处的间隙泄漏。

1、接触零件精密配合。此种方法能够最大限度地保证和连接表面的轮廓相吻合，即在精加工的过程中，使它达到最小微观粗糙度。结合其表面精度的配合，此种方法在许多的结构中都能够满足密封的要求。

2、在连接处承受压应力。在连接处加载，利用接触面的受压缩应力，使得微观粗糙度发生变形从而实现密封。此种方法实际上可应用于所有的密封装置中。其主要的优点就是在密封件的加工性方面，对于配合表面的粗糙度和精度要求比较低，而且是由橡胶和热缩性材料以及其他非金属的材料来源，既丰富且具有着互换性。缺点便是要达到密封可靠性，这必然将增加结构之复杂性以及加工制造之难度。

3、利用辅助介质填充间隙。可以利用辅助介质来填充连接处的间隙，这已经成为了一种独立的密封方法，与此同时，也可以和精密配合的密封方法以及组对零件加载的密封方法相结合着使用。

4、利用焊接和粘接等方法来形成永久性连接。用焊接和粘接密封可谓是最可靠的密封方法之一。焊接密封就是利用连接零件的接触处进行材料溶化，随着溶化的液体固化而形成的整体，从而使得连接处的刚度及强度增加，以确保密封的卡靠性，来实现稳定的密封作用。

5、利用电磁场，使其和连接处的间隙中的介质产生相互作用。电磁密封就是利用在连接处的间隙中的介质，在电磁场作用下来产生密封的作用。由于电磁场以及密封的介质相互作用，再利用液态金属以及强磁性液体，集中的产生一个有着很大应力场的一个区域，从而产生封组密封介质作用。

六、对机械密封设计性能产生影响的因素

1、密封的目的主要是在于对一处有可能发生泄漏因此要对其施以密封的地方，在此处设置出一个完善的物理壁垒。静密封件都是无泄漏的密封件。欲达此目的，密封件就必须要有足够的弹性，以便可以嵌入并填满被密封面上的任一一处凹凸不平，同时还必须保证足够刚性，在防止系统满载的密封压力下挤入表面件间隙中，此两项均要求长时间的得到满足。弹性流动是通过压紧加载所形成的，密封件在经过压缩后处于受力的状态。系统中可以产生的任何应力若松弛都会使降低性能。面对这种情况也可能是由于密封材料其本身的应力松弛或是不均匀热膨胀等所引起的。

2、这些要求都有关一个动密封件，彼此间则具有抵触性的，因而便需要通盘考虑。就接触型密封件而论，要有良好的密封性就必须要被密封面上要有足够大的接触压力；与此同时，密封件需要最大限度减少磨损及磨损来减少系统的惯量，以便利于伺服系统的伺服精度、动态响应和稳定性，同时也有利于减少用来克服摩擦载荷的功率上的损耗。在接触型的密封结构中，因为静态压缩应力，其密封件的摩擦作用中的周期载荷，及具有物理和化学活性的密封介质侵蚀作用，对密封的材料性能随时间稳定也有了较高要求，这便限制了接触密封元件使用的条件。

七、如何提高机械密封设计的质量

1、密封系统中的密封件间功能需要分别做出不同规定，其中每种功能都必须满足机器密封部件所提出的要求；并且保证其密封功能。

2、从结构上采取一定措施。减少和消除某些使用中的有害因素影响。

3、在密封的连接处，减少热的生成。例如，采用非接触的密封代替接触密封；对接触零件的耐磨性质等进行改善；同时，建议缩短密封的周边，及尽量地减少连接密封，用焊接和钎焊来代替可卸连接。

八、结束语

随着人们对环保的日益关注，对于机械密封的泄漏方面要求也是越来越严格，因此，机械密封其发展的总体趋势就是要利用新概念、新材料、新工艺和新技术，对机械密封結构进行不断改进，来提高机械密封的可靠性、降低泄漏量、延长其寿命和开发出更多新的适用于特殊工况的机械密封产品。机械密封得技术对于大多数的技术领域来说都有重要的意义，它始终是机械制造专家们最为关注的中心问题。

参考文献：

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