機械設計機械製圖密封技術基礎知識

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機械設計機械製圖密封技術基礎知識簡介
在機械設計,機械製圖時,常要用到各種各樣的密封技術. 1基礎知識——密封概述 1.1泄露 泄露是機械設備常產生的故障之一。造成泄露的原因主要有兩方面:一是由於……
機械設計機械製圖密封技術基礎知識正文

在機械設計,機械製圖時,常要用到各種各樣的密封技術.

1基礎知識——密封概述
1.1泄露
泄露是機械設備常產生的故障之一。造成泄露的原因主要有兩方面:一是由於機械加工的結果,機械產品的表面必然存在各種缺陷和形狀及尺寸偏差,因此,在機械零件聯接處不

可避免地會產生間隙;二是密封兩側存在壓力差,工作介質就會通過間隙而泄露。
減小或消除間隙是阻止泄露的主要途徑。密封的作用就是將接合面間的間隙封住,隔離或切斷泄露通道,增加泄露通道中的阻力,或者在通道中加設小型做功元件,對泄露物造成

壓力,與引起泄露的壓差部分抵消或完全平衡,以阻止泄露。
對於真空系統的密封,除上述密封介質直接通過密封面泄露外,還要考慮下面兩種泄露形式:
滲漏。即在壓力差作用下,被密封的介質通過密封件材料的毛細管的泄露稱為滲漏;
擴散。即在濃度差作用下,被密封的介質通過密封間隙或密封材料的毛細管產生的物質傳遞成為擴散。
1.2 密封的分類
密封可分為相對靜止接合面間的靜密封和相對運動接合面間的動密封兩大類。靜密封主要有點密封,膠密封和接觸密封三大類。根據工作壓力,靜密封由可分為中低壓靜密封和高

壓靜密封。中低壓靜密封常用材質較軟,墊片較寬的墊密封,高壓靜密封則用材料較硬,接觸寬度很窄的金屬墊片。動密封可以分為旋轉密封和往複密封兩種基本類型。按密封件

與其作用相對運動的零部件是否接觸,可以分為接觸式密封和非接觸式密封。一般說來,接觸式密封的密封性好,但受摩擦磨損限制,適用於密封麵線速度較低的場合。非接觸式

密封的密封性較差,適用於較高速度的場合。
1.3 密封的選型
對密封的基本要求是密封性好,安全可靠,壽命長,並應力求結構緊湊,系統簡單,製造維修方便,成本低廉。大多數密封件是易損件,應保證互換性,實現標準化,系列化。
1.4 密封材料
1.4.1 密封材料的種類及用途
密封材料應滿足密封功能的要求。由於被密封的介質不同,以及設備的工作條件不同,要求密封材料的具有不同的適應性。對密封材料的要求一般是:
1) 材料緻密性好,不易泄露介質;
2) 有適當的機械強度和硬度;
3) 壓縮性和回彈性好,永久變形小;
4) 高溫下不軟化,不分解,低溫下不硬化,不脆裂;
5) 抗腐蝕性能好,在酸,鹼,油等介質中能長期工作,其體積和硬度變化小,且不粘附在金屬表面上;
6) 摩擦係數小,耐磨性好;
7) 具有與密封面結合的柔軟性;
8) 耐老化性好,經久耐用;
9) 加工製造方便,價格便宜,取材容易。
橡膠是最常用的密封材料。除橡膠外,適合於做密封材料的還有石墨等,聚四氟乙烯以及各種密封膠等。
1.4.2 通用的橡膠密封製品材料
通用的橡膠密封製品在國防,化工,煤炭,石油,冶金,交通運輸和機械製造工業等方面的應用越來越廣泛,已成為各種行業中的基礎件和配件。
橡膠密封製品常用材料如下。
1.4.2.1 丁腈橡膠
丁腈橡膠具有優良的耐燃料油及芳香溶劑等性能,但不耐酮,酯和氯化氫等介質,因此耐油密封製品以及採用丁腈橡膠為主。
1.4.2.2氯丁橡膠
氯丁橡膠具有良好的耐油和耐溶

 

劑性能。它有較好的耐齒輪油和變壓器油性能,但不耐芳香族油。氯丁橡膠還具有優良的耐天候老化和臭氧老化性能。氯丁橡膠的交聯斷裂溫度在

200℃以上,通常用氯丁橡膠製作門窗密封條。氯丁橡膠對於無機酸也具有良好的耐腐蝕性。此外,由於氯丁橡膠還具有良好的撓曲性和不透氣性,可製成膜片和真空用的密封製品


1.4.2.3 天然橡膠
天然橡膠與多數合成橡膠相比,具有良好的綜合力學性能,耐寒性,較高的回彈性及耐磨性。天然橡膠不耐礦物油,但在植物油和醇類中較穩定。在以正丁醇與精製蓖麻油混合液

體組成的制動液的液壓制動系統中作為密封件的膠碗,膠圈均用天然橡膠製造,一般密封膠也常用天然橡膠製造。
1.4.2.4 氟橡膠
氟橡膠具有突出的耐熱(200~250℃),耐油性能,可用於製造氣缸套密封圈,膠碗和旋轉唇形密封圈,能顯著地提高使用時間。
1.4.2.5 硅橡膠
硅橡膠具有突出的耐高低溫,耐臭氧及耐天候老化性能,在-70~260℃的工作溫度範圍內能保持其特有的使用彈性及耐臭氧,耐天候等優點,適宜製作熱機構中所需的密封墊,如

強光源燈罩密封襯圈,閥墊等。由於硅橡膠不耐油,機械強度低,價格昂貴,因此不宜製作耐油密封製品。
1.4.2.6 三元乙丙橡膠
三元乙丙橡膠的主鏈是不含雙鍵的完全飽和的直鏈型結構,其側鏈上有二烯涇,這樣就可用硫磺硫化。三元乙丙橡膠具有優良的耐老化性,耐臭氧性,耐候性,耐熱性(可在120℃

環境中長期使用),耐化學性(如醇,酸,強鹼,氧化劑),但不耐脂肪族和芳香族類溶劑侵蝕。三元乙丙橡膠在橡膠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,三元乙丙橡膠有突出的耐蒸汽性能,可製作耐蒸汽膜片等密封製品。三元乙丙橡膠已廣泛用於洗衣機,電視機中的配件和門窗密封製品,或多種複合體剖面的膠條生產中。
1.4.2.7 聚氨脂橡膠
聚氨脂橡膠具有優異的乃磨性和良好的不透氣性,使用溫度範圍一般為-20~80℃。此外,還具有中等耐油,耐氧及耐臭氧老化特性,但不耐酸鹼、水、蒸汽和酮類等。適於製造各

種橡膠密封製品,如油封、O形圈和隔膜等。
1.4.2.8 氯醚橡膠
氯醚橡膠兼有丁腈橡膠,氯丁橡膠,丙烯酸酯橡膠的優點,其耐油、耐熱、耐臭氧、耐燃、耐鹼、耐水及耐有機溶劑性能都很好,並有良好的工藝性能,其耐寒性較差。在使用溫

度不太低的情況下,氯醚橡膠仍是製造油封,各種密封圈,墊片,隔膜和防塵罩等密封製品的良好材料。
1.4.2.9 丙烯酸酯橡膠
丙烯酸酯橡膠具有耐熱油(礦物油,潤滑油和燃料油),特別是在高溫下的耐油穩定性能,一般可達175℃,間隙使用或短時間可耐溫200℃。它的缺點是耐寒性差。因此在非寒冷

地區適合製作耐高溫油的油封,但不適合作高溫下受拉伸或壓縮應力的密封製品。

2.基礎知識——墊密封
墊密封廣泛應用於管道,壓力容器以及各種殼體的結合面的靜密封中。墊密封有非金屬密封墊,非金屬與金屬組合密封墊和金屬密封墊三大類。其常用材料有橡膠,皮革,石棉,

軟木,聚四氟乙烯,鋼,鐵,銅和不鏽鋼等。
墊密封的泄露有三種形式:界面泄露,滲透泄露和破壞性泄露

 

。其中以前二者為主要形式。
3.基礎知識——膠密封
3.1 概述
密封材料的功能是填充構形複雜且不利施工的間隙,以起密封作用。密封材料主要有三種類型:
1) 硫化型的橡膠墊片或密封圈;
2) 非硫化型的密封膠帶;
3) 無固定形狀的膏狀或膩子狀的液體密封膠。
3.2 密封膠的分類
密封膠的品種及類型很多。為了滿足同一使用要求,可以使用幾種不同基料的密封膠;而同一種基料又能製造出不同性能和不同的用途的密封膠。從密封膠的製造者和使用者兩方

面考慮,密封膠有多種分類方法。一般可按下述四種方法進行分類。
3.2.1 按密封膠基料分類
3.2.1.1 橡膠型
此類密封膠以橡膠為基料。常用橡膠有聚硫橡膠,硅橡膠,聚氨酯橡膠,氯丁橡膠和丁基橡膠等。
3.2.1.2 樹脂型
此類密封膠以樹脂為基料。常用樹脂有環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、聚丙烯酸樹脂、聚氯乙烯樹脂等。
3.2.1.3 油基型
此類密封膠以油料為基料。常用的油類有各種植物油如亞麻油,蓖麻油和桐油,以及動物油(如魚油)等。
3.2.2 按密封膠硫化方法分類
此類密封膠系列利用空氣中的水分進行硫化。它主要包括單組分的聚氨酯、硅橡膠和聚硫橡膠等。其聚合物基料中含有活性基因,能同空氣中的水發生反應,形成交聯鍵,使密封

膠硫化成網狀結構。大氣中的濕氣作為硫化反應中的催化劑。
3.2.2.2 化學硫化型密封膠
雙組分的聚氨酯、硅橡膠、聚硫橡膠、氯丁橡膠和環氧樹脂密封膠都屬於這一類,一般在室溫條件下完成硫化。某些單組分的氯磺化聚乙烯和氯丁橡膠密封膠以及聚氯乙烯溶膠糊

狀密封膠(如汽車用點焊膠),則須在加條件下經化學反應完成硫化。
3.2.2.3 熱轉變型密封膠
用增塑劑分散的聚氯乙烯樹脂和含有瀝青的橡膠並用的密封膠是兩個不同類型的熱轉變體系 。乙烯基樹脂增塑體在室溫下是液態懸浮體,通過加熱轉化為固體而硬化;而橡膠——

瀝青並用密封膠則為熱熔性的。
3.2.2.4 氧化硬化型密封膠
表面乾燥的嵌縫或安裝玻璃用密封膠屬這種類型,主要以乾性和半乾性植物油為基材。著中類油料可以是精製聚合的、吹制的或化學改性的。用環烷酸鈷作催干劑加速表面乾燥而

內部不硬化;環烷酸鉛可使表面和內部都硬化;而環烷酸錳使內部硬化更有效。
3.2.2.5 溶劑揮發凝固型密封膠
這是以溶劑揮發后無粘性高聚物為基料的密封膠。這一類密封膠主要有丁基相交、高分子量聚異丁烯、一定聚合程度的丙烯酸酯、氯磺化聚乙烯以及氯丁橡膠等密封膠。
3.2.2.6 不幹性能夠永久塑性密封膠
這類密封膠通常包括以聚丁烯、中等分子量的聚異丁烯、高粘度的非氧化性粘接料如苯乙烯基油、不幹性植物油、吹制半幹性油或丁基橡膠為基料的密封膠。
3.2.3 按密封膠形態分類
3.2.3.1 膏狀密封膠
這類密封膠屬低級別密封膠,通常採用3種主要材料:油和樹脂;聚丁烯;瀝青。常用於密封小窗戶的固定玻璃,其接縫移動變形量最大為 +5%或-5%,使用有效期一般為2年。
3.2.3.2 液態彈性體密封膠
這類密封膠包括經硫化可形成彈性狀態的液態聚合物。他們具有承受重複的接縫變形能力。液態彈性體密封膠使

 

用壽命一般為15~20年。這類密封膠具有高的粘接力和剪切強度,

室溫下具有良好的柔軟性。其缺點為價格高,通常情況下需要底膠,雙組分密封膠現場混合不方便,硫化時對溫度和濕度敏感等。
3.2.3.3 熱熔密封膠
熱熔密封膠又稱為熱施工型密封膠,是指以彈性體同熱塑性樹脂摻合物為基料的密封膠。
熱熔密封膠可配製成性能接近於液體彈性密封膠,但它比液體彈性體密封膠優越的是不需要加入硫化劑。
3.2.3.4 液體密封膠
這類密封膠主要用於機械結合面的密封,以代替固體密封材料(紙片、石棉、軟木和硫化橡膠),以防止機械內部流體從結合面泄露,所以液體密封膠又稱為液體墊圈。
3.2.4 按密封膠施工后性能分類
3.2.4.1 固化型密封膠
這類密封膠又可分為剛性和柔性兩類。剛性密封膠硫化或凝固后形成的固體,很少具有彈性;柔性密封膠在硫化后具有彈性及柔軟性。
剛性密封膠的特點是不能彎曲,通常接縫不可移動。
柔性密封膠經硫化后保持柔軟性。
3.2.4.2 非固化型密封膠
這類密封膠是軟質凝固性的密封膠,施工后仍保持不幹性(增粘劑不斷地遷移到表面)狀態。這種膠通常為膏狀,可用刮刀或刷子施用到接縫中,可以配合出不同粘度和不同性能

的密封膠使用。
3.3常用密封膠的種類
在前面密封膠的分類中列舉了多種方法,其中應用最廣泛的是將密封膠分為硫化型和非硫化型兩大類。在硫化型密封膠中應用最廣泛的是室溫硫化型,加溫硫化型用的較少。非硫

化型密封膠有液體密封膠和膩子。此外,在加上常用的厭氧膠。
3.4 液體密封膠的選用和施工工藝
密封膠的選用,應根據使用條件、密封件的材料和密封面狀態、密封介質的種類和特性以及塗敷工藝等要求綜合考慮。一般情況下當受力較大,且受衝擊力及交變力時,應選用強

度較高的密封膠;當變溫差很大時,應選用韌性好的密封膠。
3.4.1 液體密封膠的施工方法
液體密封膠的施工方法可根據膠的狀態選用。膏狀密封可用刮刀刮塗或注射槍注射施工;液體密封膠採用的刷子刷塗或噴塗施工;膜狀密封膠用鋪貼方法施工。
3.5 國產密封膠
3.5.1 室溫硫化聚硫橡膠密封膠為多組分材料,室溫硫化成彈性體,為乾性粘著型密封膠,常用的有XM系列密封膠。
3.5.2 室溫硫化硅橡膠密封膠
硅橡膠密封膠的有多種特殊性能,如耐高溫、耐低溫性能,良好的電絕緣性能。
3.5.3 厭氧膠
3.5.4其他硫化型密封膠
3.5.5非硫化型密封膠
非硫化型密封膠大部分為不幹性和半乾性,其中呈膩子狀的又稱非硫化型膩子。這類膠對溫度敏感性小,在使用溫度範圍內密封膠不變形,不開裂,不結皮,而且長期儲存性好,

但力學性能低,適用於可拆卸部位或緊固聯接接合面密封、溝槽密封及填堵較大的結構空隙,在液體密封墊中佔主要地位,廣泛應用於可拆卸部位的密封。
4.基礎知識——填料密封
填料蜜密封是一種最古老的密封方式,在中國已有上千年的歷史。它最早以棉、麻的纖維填塞在泄露通道內來阻止液流泄露,主要用作提水機械的密封。
填料密封主要用作動密封。它廣泛用作離心泵、壓縮機、真空泵、攪拌機和船舶螺旋槳的轉軸密封,往複式壓縮機、制冷機的往複

 

運動軸封,以及各種閥門閥桿的旋動密封等。為

了適應上述設備的工作條件,填料密封必需具備下列條件:
1) 有一定的塑性,在壓緊力作用下能產生一定的徑向力並緊密與軸接觸。
2) 有足夠的化學穩定性,不污染介質,填料不被介質泡脹,填料中的侵漬劑不被介質溶解,填料本身不腐蝕密封面。
3) 自潤滑性能良好,耐磨,摩擦因數小。
4) 軸存在少量偏心時,填料應有足夠的浮動彈性。
5) 製造簡單,填裝方便。

填料的種類很多,可以從其功用方面、構造方面和材料方面分類,最常用的有下面四類:絞合填料、編結填料、塑性填料、金屬填料。
4.1 絞合填料和編結填料
絞合填料即把幾股石棉線絞合在一起,將它填塞在填料腔內即可起密封作用。
編結填料是以棉、麻以及石棉纖維紡線后編結而成,並於其中侵入潤滑劑或聚四氟乙烯。
4.2 塑性填料
塑性填料是幾經膜具壓製成型的填料。
4.3 金屬填料
金屬填料有半金屬填料和全金屬填料兩種。所謂半金屬填料是金屬與非金屬組合而成,全金屬填料則不含非金屬。
4.4 碳纖維填料
碳纖維填料是一種新型填料。其優異的自潤滑性能、耐高、低溫性能和耐化學品性能引起人們的極大的注意,而且作為壓縮填料的彈性和柔軟性也極為良好,其缺點僅在於有滲透

泄露,但侵漬聚四氟乙烯或其他粘接劑之後可以防止。目前其成本較高,但隨著碳纖維的發展,其成本定會下降,因此,碳纖維填料是一種最為理想和最有希望的填料。`
4.5 填料的選擇
選擇填料時,應考慮:機器的種類、介質的物理、化學特性、工作溫度和工作壓力,以及運動速度等,其中尤以介質的腐蝕性(以pH值表示),pH值及使用溫度為最重要。
4.6 填料的合理裝填
填料的合理裝填應按下列步驟進行:
1) 清理填料腔,檢查軸表面是否有划傷、毛刺等現象。
2) 用百分表檢查軸在密封部位的徑向跳動量,其公差應在允許範圍內。
3) 填料腔內和軸表面應塗密封劑或與介質想適應的密封劑。
4) 對成卷包裝的填料,使用時應先取一根與軸徑同尺寸的木棒,將填料纏繞在其上,再用刀切斷,切口最好呈450斜面,對切斷後的每一節填料,不應讓它鬆散,更不應將它拉直

,而應取與填料同寬度的紙帶把每節填料呈圓圈形包紮好,置於潔凈處。
5) 裝填時應一圈一圈裝填,不得同時裝填幾圈。
6) 取一隻與填料強同尺寸的木質兩半軸套,合於軸上,將填料推入腔的深部,並用壓蓋對木軸套施加一定的壓力,使填料得到預壓縮。
7) 以同樣的方法裝填第二圈、第三圈。
8) 最後一圈填料裝填完畢后,應用壓蓋壓緊,但壓緊力不宜過大。

5.基礎知識——成型填料密封
成型填料密封泛指用橡膠、塑料、皮革及金屬材料經模壓或車削加工成型的環狀密封圈。
成型填料按工作特性分為擠壓型密封圈和唇形密封圈兩類;按材料可分為橡膠類、塑料類、皮革類和金屬類。各種材料的擠壓型密封圈中橡膠擠壓型密封圈應用最廣,其中O形圈歷

史最悠久,最典型。唇形密封圈的類型很多,有V形、U形、L形、J形和Y形等。
5.1 O型密封圈
O型密封圈簡稱O型圈,開始出現在19世紀中葉,當時用它作蒸汽機汽缸的密封元件。

 

O型橡膠密封圈有如下的優點:
1) 密封部位結構簡單,安裝部位緊湊,重量較輕;
2) 有自密封作用,往往只用 一個密封件便能完成密封;
3) 密封性能較好,用作靜密封時幾乎可以做到沒有泄露;
4) 運動摩擦阻力很小,對於壓力交變的場合也能適應;
5)尺寸和溝槽已標準化,成本低,便於使用和外購。
5.2 V型密封圈
V型密封圈為一種唇形密封圈,是使用最早使用最多的成型填料之一。它主要用於往複運動,作活塞或活塞桿的密封。很少用於轉動中或作靜密封。
V形密封圈有下列特點:
1)密封性能良好;
2)允許一定的偏心載荷、和偏心運動;
3)可以多圈重疊使用,並通過調節壓緊力來獲得最大密封效果;
4)耐衝擊壓力和振動壓力;
5)當填料不能從軸向裝入時,可以開切口使用,只要安裝時將切口互相錯開,不影響密封效果。其缺點是摩擦阻力較其他成型填料的大。
5.3 Y型密封圈
活塞密封用的U形和Y形密封圈在形狀上略有不同,U形圈的唇長,底部與唇部同厚度或略大於唇部厚度。Y形圈的純短,底部厚,這是為了克服U形圈常常不能穩定安放而設計的,同

時可增大唇的強度,以免唇根部被撕裂。
5.4 鼓形和山形密封圈的結構
5.4.1 鼓形密封圈的結構
鼓形密封圈又稱活塞密封圈,它是為單向和雙向工作的活塞而設計的。密封圈的截面、襯套或擋環的結構與活塞的設計有很大關係。由於有各種性能的要求,所以鼓形密封圈的結

構也不可能是一致的。
5.5 J形和L形密封圈
J形和L形密封圈,都是用於工作壓力不大於1MPa的氣壓或液壓機械設備的密封。J形密封圈的是用於活塞桿密封
6.基礎知識——油封和防塵密封
6.1 油封
油封,即潤滑油的密封。它常用於各種機械的軸承處,特別是滾動軸承部位。其功能在於把油腔和外界隔離,對內封油,對外封塵。
油封與其他密封比較有下列優點:
1) 油封重量輕,耗材少。
2) 油封的安裝位置小,軸向尺寸小,容易加工。
3) 密封性能好,使用壽命較長,對機器的振動和主軸的偏心都有一定的適應性。
4) 拆卸容易,檢修方便。
5) 價格便宜。
6.2 防塵密封
油封可作防塵密封的件使用。但是在粉塵嚴重或是為了保護其他密封件時,常常使用專門的防塵密封。
防塵密封的材料,油壓機械多用橡膠,氣壓機械多用毛氈,飛機和寒帶工作的油缸為了對付活塞桿外部結冰而用金屬,化工部門為防止活塞桿上的粘著物也用金屬。
防塵密封對保護關鍵性的液壓設備是十分重要的。滲入塵土,不僅磨損密封件,而且會大大的磨損導向套和活塞桿。此外,雜質進入液壓介質中,也會影響操作閥和泵的功能,在

最壞的

7.基礎知識——磁流體密封
7.1 磁流體
7.1.1 磁流體的組成
1995年由美國帕佩爾(Papell)發明的磁性流體,是把磁鐵礦等強磁性的微細粉末(約100?)在水、油類、酯類、醚類等液體中進行穩定分散的一種膠態液體。這種液體具有在通

常離心力和磁場作用下,既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性,可以被磁鐵所吸引的特性。
磁流體由3種主要成分組成:
1)固體鐵磁體微粒(Fe3O4);
2)包覆著微粒並阻止其相互凝聚的表面活性劑(穩

 

定劑);
3)載液(溶媒)。
7.1.2 磁流體的特性
磁流體是一種叫膠體溶液。作為密封用的磁流體,其性能要求是:穩定性好,不凝聚、不沉澱、不分解;飽和磁化強度高;起始磁導率大;粘度和飽和蒸氣低,其他如凝固點、沸

點、導熱率、比熱和表面張力等也有一定的要求。
影響磁流體穩定的主要因素有:微粒力度大小、表面活性劑和載液以及它們的合理配比。穩定性是磁流體各種特性存在的前提。
7.2 磁流體密封的工作原理
圓環形永久磁鐵,極靴和轉軸所構成的磁性迴路,在磁鐵產生的磁場作用下,把放置在軸與極靴頂端縫隙間的磁流體加以集中,使其形成一個所謂的“O”形環,將縫隙通道堵死而

達到密封的目的。這種密封方式可用於轉軸是磁性體和轉軸是非磁性體兩種場合。前者磁束集中於間隙處並貫穿轉軸而構成磁路,而後者磁束比不通過轉軸,只是通過密封間隙中

的磁流體而構成磁路。
7.2.3 極限條件
磁流體密封在工作時會受到下列條件的限制:
1)蒸發。磁流體由磁性微粒、表面活性劑和載液3部分組成,載液的蒸發是決定密封極限旋轉頻率和使用壽命的主要因素。因為密封是靠有限的磁流體工作的。為此,應選用蒸汽

壓低的載液,使蒸發損失為最小值。
2)溫升。溫度升高會導致磁鐵退磁和磁流體的蒸發。因為溫度升高,粘度降低,功率消耗也就降低,這是有利的一面。但是溫度的、升高,磁飽和強度下降,也可能使密封的耐壓

能力有些下降,因此,磁流體溫度一般不應高於105℃,否則應採用冷卻措施。
3)極限真空度。磁流體密封極限真空度取決於載液的揮發度,用二脂潤滑劑作成的載液可滿足1.333×10-7Pa超高真空技術的要求。
4)周速。一般磁流體密封適用於高周速30m/s以上的運轉,無極限標誌。但考慮到溫度和散熱,周速應限制在60~80m/s,此時還要考慮極限耐壓能力。

8.基礎知識——高壓密封

高壓密封的型式很多,按其工作原理分為強制密封和自緊密封兩類。強制密封是依靠聯接件(螺栓)的預緊力來保證壓力容器的頂蓋、密封元件和圓筒體端部之間具有一定的接觸

壓力,以達到密封的目的。自緊密封是隨著壓力容器內的操作壓力增加,密封元件與頂蓋、圓筒體端部之間的接觸壓力也隨之增加,由此實現密封作用。自緊密封的特點是壓力越

高,密封元件在接觸面的壓緊力就 越大,密封性能也就越好,操作條件波動時,密封仍然可靠。但是結構比較複雜,製造較困難。自緊密封按密封元件變形方式還可以分為軸向自

緊密封和徑向自緊密封。
    按密封材料性能,高壓密封又可分為使密封元件產生塑性變形的塑性密封,使密封元件產生彈性變形的彈性密封。
    目前,壓力容器常用的密封型式有如下幾種:
    1) 強制密封有平墊密封,卡扎里密封和八角墊密封;
    2) 半自緊密封有雙錐密封;
    3) 自緊密封有楔形密封,五德密封,空心金屬O形環密封,C形環密封,B形環密封,三角墊密封,八角墊密封,平墊自緊密封及橡膠O形圈密封等。

9.基礎知識——真空密封
真空

 

聯機密封性能取決於聯接處的泄露和真空材料的放氣。對任何真空系統總希望漏、放氣量與密封形式、密封材料、加工精度及裝配質量等諸多因素有關,故在聯接處總會存在

一定的漏、放氣量,因此可根據真空系統工作的性質,真空室工作工作應力的高低及其出口處抽氣速度的大小提出要求。
真空系統中的壓力在高於10-5Pa真空範圍內廣泛使用合成橡膠、環氧樹脂和塑料。當真空度提到壓力10-7Pa的真空範圍時,這些密封材料就不能用了,需要應用超高真空的密封材

料如金或銅作墊圈,而真空殼體不能用軟剛需要改用不鏽鋼。
超真空氣體內的氣體狀態是動態平衡狀態。系統內的壓力極限,一方面與泵的有效抽速有關,另一方面與來自真空殼體及其內部的零部件的氣流量有關。因雖有系統的有效抽速由

於泵有結構尺寸和費用的原因,總存在實際限制。所以,減少氣流量就成為達到超高真空狀態的基本設計目標,成為選擇超高真空材料的主要準則。
作為真空系統內部用的材料,要求飽和蒸汽壓低,為了減少慢性解吸和體出氣,要求能耐450℃高溫烘烤,而不降低機械強度和不發生化學和物理損傷。作為真空系統殼體材料,要

求能忽略氣體滲透,承受得住大氣壓的壓力,烘烤期間耐空氣侵蝕和不發生漏氣。此外,要求選用材料,加工製作容易,價廉易得。
對於真空度低於10-7Pa的超高真空,雖然天然和合成橡膠是理想的密封圈材料,彈性好,裝配成真空密封后法蘭螺栓受力很小,而且可以多次重複使用。但由於超高真空系統要求

密封圈材料耐250℃烘烤,實際上可可供選用的幾種橡膠材料都不能滿足要求。真空度更高(即壓力更低)的超高真空,則必須採用金屬密封。
9.1 真空用橡膠密封圈
接觸式真空動密封的結構,最常用的有下面幾種類型:
1)J型真空用橡膠密封。
J型真空用橡膠密封圈工作表面應平整光滑,不允許有氣泡雜質、凹凸不平等缺陷。
2)O型真空用橡膠密封圈。
3)骨架型真空用橡膠密封圈
4)真空用O形橡膠密封圈
9.2真空用金屬密封圈
金屬密封圈密封的可拆聯接是超高真空系統中常用的聯接形式。它是為滿足超高真空要求而必須經200~400℃的高溫烘烤除氣而採用的密封方式。
常用的金屬密封圈的材料有金絲和無氧銅兩種,它們有下列一些性能:
金(Au)具有高的化學穩定性,高溫時不氧化,塑性好,屈服極限比銅或鋁低一倍,在較小的夾緊力下即可產生塑性變形,膨脹係數為αg=14×10-6cm/cm·℃,比不鏽鋼的膨脹系

數αs=18×10-6cm/cm·℃稍低。金制密封圈雖有良好的密封性能,但在夾緊力的作用下會發生顯著的變形硬化,強度增加。為了保證密封圈密封,必須增大加緊力,而過大的加緊

力又會在法蘭表面上引起壓力痕,影響密封性能。因此,用在要求較高而不經過裝拆的聯接,拆開后重新裝配時需要更換密封圈。由於金的價格比較貴,它的應用受到較大的限制


銅(Cu)的熱膨脹係數為αs=16.4×10-6 cm/cm·℃。銅的硬度比較大,銅製密封圈在使用前必須在真空或氫氣中進行退火處理,消除內應力。無氧銅是目前超高真空密封聯接中

常用的密封圈材料。其不足

 

之處是高溫烘烤中與大氣接觸部分會氧化,因此,在要求高的情況下,將無氧銅的密封圈的表面鍍一層金,使其具有更好的密封性能。
作為聯接用的法蘭盤材料也必須能承受高溫烘烤、抗氧化以及在高溫時仍有良好的力學性能。最常用的材料是不鏽鋼。法蘭密封表面的粗糙度和尺寸就精度均應滿足超高真空密封

的要求。
9.3 採用軟體變形的動聯接密封
9.3.1 非金屬軟體變形的動聯接密封
9.3.2 金屬軟體變形的動聯接密封
9.4 真空用的其他密封
9.4.1 真空用磁流體密封
真空轉軸密封具有代表的典型結構是接觸式的威爾遜密封。為了防止軸在高速旋轉、下氣體的泄露,只能增加密封接觸界面上的壓力。但是由此而產生的摩擦發熱問題卻難以解決

。因此,研製摩擦損失小,使用壽命長的新型密封結構已成為真空裝置中應當解決的重大問題之一。為了解決這一問題,近年來應用磁流體進行真空轉軸動密封的技術已經在國內

外取得了成功。
真空中應用磁流體密封的優點:
1)磁流體密封真空轉軸可消除密封件間的接觸所產生的摩擦損失,提高軸的轉速(可達120000r/min),大大減少泄露。如果採用低蒸汽壓的磁流體可將真空室內的真空度維持在

1.3×10-7Pa以上。
2)磁流體的密封結構簡單,維護方便,軸與極靴間的間隙較大,因此可不必要求過高的製造精度。
3)磁流體在密封空隙中由磁鐵所產生的磁場所固定,因此軸的起動和停止較方便。其缺點是磁流體在高溫下難以穩定,工作溫度一般在-30~120℃之間。軸的過高或過低溫度下工

作時需要採用冷卻或升溫措施,從而使密封結構複雜化。
9.4.2 聯接接隔板密封
利用磁力把動力傳遞當真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一個旋轉磁場1,該磁場帶動真空容器內鼠籠式轉子2轉動,即可達到隔板密封的目的。
這種密封裝置的特點:
1)磁聯接隔板密封對真空容器內的真空條件沒有顯著影響,同其他幾種動密封相比,其真空可靠性大。
2)運動件與真空容器壁不相接觸,在傳遞運動過程中隔板或隔離圈筒除承受壓力差外,不承受其他載荷,從而可以保證磁聯接隔板密封的可靠性。
3)真空容器內的“污染”,僅取決於運動部件本身的結構元件,特別是摩擦部件的放氣及隔板的透氣性。
磁聯接隔板密封結構在設計中應注意的問題:
1)外磁鐵應盡量接近真空器的內壁;
2)隔離平板或隔離圈筒應用非磁性材料製造;
3)傳遞運動的鐵芯形狀與磁鐵的形狀相適應,而且容器壁或真空室內的其他零件應保證鐵芯運動方向;
4)為了減少放氣和摩擦建議用包著玻璃的鐵芯;
5)磁場強度和磁鐵與鐵芯的距離應選擇使它們運動時與容器壁或容器內的水銀、銦等的衝擊不大
10.基礎知識——離心、停車和全封閉密封
10.1 離心封閉
10.1.1 離心密封的結構型式
離心密封是利用迴轉體帶動流體使之產生離心力以克服泄露的裝置,其密封能力來源於機器軸的旋轉帶動密封元件所做的功,因此它屬於一種動力密封。
離心密封的特點:它沒有直接接觸的摩擦副,可以採用較大的密封間隙,因此能密封含有固相雜質的介質,磨損小,壽命長,若設計合理可以做到接近於零泄露。但是

 

這種密封所

能克服的壓差小,亦即密封的減壓能力低。離心密封的功率消耗大,甚至可達泵有效功率的1/3。此外,由於它是一種動力密封,所以一停車立即喪失密封功能,為此必須輔以停車

密封。
10.2.2 離心密封的減壓能力
10.2.1 背葉片密封
如果工作輪后蓋板上無葉片,亦即為光滑盤時,則處於後蓋板與泵殼間隙腔中的液體將以工作輪角速度的ω/2的旋轉。此時,間隙空腔中的壓力沿徑向按拋物線規律分佈,如圖10

-5中的壓力將沿ABEKG分佈,也就是說,軸封處的壓力降低了。
10.2 停車密封
停車密封是動力密封的重要組成部分。當部件旋轉頻率降低或停車時,動力密封失去密封能力,只有依靠停車密封阻止流體泄漏。某些液封和氣封液帶有停車密封,以便停車后將

封液、封氣系統關閉。停車密封的結構類型有多種,其中應用最廣的是離心式停車密封,此外還有壓力調節式停車密封,脹胎式停車密封等。
10.2.1離心式停車密封
圖10-10所示是一種典型的離心式停車密封結構,泵運轉時靠背葉片的離心作用密封。停車時,在彈簧力推動下,使泵軸向左滑移而將錐套填料抵緊,阻止泄漏。起動后離心子甩開

,其抓部拔動軸肩使軸左移,將錐套與填料密封脫開,是密封面不受磨損。
10.2.2 壓力調節式停車密封
與螺旋密封組合的壓力調節式密封,停車時,可在軸上移動的螺旋套,在彈簧力推動下,是其台階端面與機殼端面壓緊而密封。運轉時,兩段反向的螺旋使間隙中的粘性流體在端

面處形成壓力峰,作用於螺旋軸的台階端面處使其與殼體端面脫離接觸。
帶有滑閥的停車、密封。當壓差缸卸壓,片彈簧推移的滑閥與軸肩接緊而實現停車密封。
10.3 全封閉密封
10.3.1 全封閉密封
全封閉密封是將系統內外的泄露通道全部隔斷,或者將工作機和動機置於同一密閉系統內,可以完全杜絕介質向外泄露。
全封閉密封沒有一般動密封存在的摩擦、磨損、潤滑以及流體通過密封面的流動即泄露問題,是一種特殊類型的密封。在密封劇毒、放射性和稀有貴重物質等方面以及在其實驗和

產生中,全封閉密封都有重要用途。

11.基礎知識——浮環密封
浮動環密封簡稱浮環密封,用於離心壓縮機、氫冷氣輪發電機、離心泵等軸封。
在中、高壓離心壓氣機中可供選擇的密封方式有:機械密封、迷宮密封和填料密封。但由於氣體的散熱和潤滑條件不如液體,所以填料密封只有小型、低速才用,而機械密封在周

速大於40m/s溫度高於200℃以後也很難適應,只有迷宮密封和浮環密封是最常用的兩種方式。
浮環密封有下列優點:
1)密封結構簡單,只有幾個形狀簡單的環、銷、彈簧等零件。多層浮動環也只有這些簡單零件的組合,比機械密封零件少。
2)對機器的運行狀態並不敏感,有穩定密封性能。
3)的密封件不產生磨損,密封可靠,維護簡單、檢修方便。
4)因密封件材料為金屬,固耐高溫。
5)浮環可以多個並列使用,組成多層浮動環,能有效的密封10MPa以上的高壓。
6)能用於10000~20000r/min的高速旋轉流體機械,尤其使用於氣體壓縮機,其許用速度高達100m/s以上,這是其他密封所不能比擬的。
7)只要採用耐腐蝕金屬材料或

 

里襯耐腐蝕的非金屬材料(如石墨)作浮動環,可以用於強腐蝕介質的密封。
8)因密封間隙中是液膜,所以摩擦功率極小,在、使機器有較高的效率。
浮環密封的缺點:密封件的製造精度要求高,環的不同心度和端面的不垂直度和表面不粗糙度對密封性能有明顯的影響。此外,這種密封對液體不能做到封嚴不漏。對氣體雖然可

做到封嚴,但需要一套複雜而昂貴的自動化供油系統。
11.1 浮環密封機理
浮環密封屬於流阻型非接觸式動密封,是依靠密封間隙內的流體阻力效應而達到阻漏目的。由於存在間隙,避免了固體摩擦,適用於高速情況,即可封堵液體,也可封堵氣體,但

泄露量較大,某些情況下還須配置比較複雜的密封輔助系統。
11.2 浮動環
浮環密封裝置的結構有多種型式,其主要型式有:寬環和窄環、光滑環和開口環、 液膜和乾式浮動環。
11.2.1寬環和窄環
寬環的寬度相對其直徑來說較大,其比例l/D=0.4~0.6。這種環的特點在於工作時作用在此環上的流體動力要比窄環大,並且不需用對正中心的附件。在一定的壓差和泄露量之下

,其數目可以比窄環少些,這樣,密封裝置的結構可以簡化,並便於裝拆和檢修。
寬環的缺點在於環的兩側會有較大的壓差,這樣,作用在環端面上的壓力也就較大,在自由浮動時所須克服的端面摩擦力較大,即浮動較為困難。
窄環的寬度相對其直徑較小,其比例l/D=0.1~0.2。窄環與軸的間隙較小,工作時,間隙中形成的流體動力較小,因此其自動同心的能力較差,大多用橡膠O型圈來幫助對正中心。

由於採用這種輔助措施,偏心度較小,停車時間也較少,這樣,雖然環窄,泄露量卻不大。
窄環也可以不用O形圈定位,而改用彈簧。環在彈簧力的作用下,壓在隔離環端面上。當密封液的壓力降低時,環仍可以保持它的對正中心位置。
由於作用在每個窄環上的壓力差比寬環小,所以環作用在隔離環端面上的壓力也就小,即窄環容易浮動。
11.2.2 光滑環和開口環
光滑環的內孔是光滑的;開槽環的內孔全長開槽或部分開槽。由於光滑環與軸表面的間隙中水力摩擦較小,使用中回出現較大的泄露量。開槽環的內孔加工有許多道環形槽,與軸

的 間隙中水力摩擦較大,在同樣的壓差和同樣的寬度下,泄露量要比光滑環小,特別是在高轉速下可以作到完全不漏,液膜形成也很穩定,能有效的起到密封作用。所以,對於高

速轉軸,開槽環比光滑環好,如將光滑浮環密封與機械密封作比較,在低速時機械密封的泄露量少些,高速下則光滑環少些,因此,高速轉動密封宜用光滑環。但是,當旋轉頻率

太高時,由於密封油的粘性阻滯作用,密封油會發熱。為了散熱,常常有意保持一定的泄露量。而泄露量除與環的形式有關外,還與運動速度、油的特性、入口油溫和大氣溫度等

有關。
11.2.3 液膜和乾式浮動環
浮動密封既可密封液體,也可密封氣體。用以阻止液體泄露的稱為液膜浮環密封;用於阻止氣體泄露的稱為乾式浮環密封,因為浮環通常石墨等固體自潤滑材料製造,故又稱石墨

浮環密封。
石墨浮環密封:波形片彈簧的彈力及氣體壓力使各浮動環的一個端面分別與各隔離環的一個端面緊密貼合,組阻止氣體沿徑向泄露

 

,並靠端面的摩擦力防止環轉動通過浮動環密封

沿軸向漏出的少量氣體由排漏空排出,或引至主機的氣體進口。石墨浮環密封的工作間隙不是定值,而是隨摩擦發熱狀況而自行調整,故有“熱自調間隙密封”之稱。
石墨既耐腐蝕又耐熱,但它太脆,在徑向載荷作用下易斷裂。在離心壓氣機中,採用了石墨作浮環,為了防止斷裂,常在石墨環的外周鑲有金屬環。石墨環用冷縮方法套用金屬環

內,然後再加工石墨環的內孔,使之達到規定的尺寸。當軸封的溫度上升時,如鑲環與軸的材料相同或相似,他們的膨脹量就會相同或相差不大。而不致影響密封性能。這種結構

已成功應用於溫度高達400℃的氣體密封。

12.基礎知識——迷宮密封
迷宮密封是在轉軸周圍設若干個依次排列的環行密封齒,齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔,被密封介質在通過曲折迷宮的間隙時產生節流效應而達到阻漏的目的。
由於迷宮密封的轉子和機殼間存在間隙,無固體接觸,毋須潤滑,並允許有熱膨脹,適應高溫、高壓、高轉速頻率的場合,這種密封形式被廣泛用於汽輪機、燃汽輪機、壓縮機、

鼓風機的軸端和的級間的密封,其他的動密封的前置密封。
12.1 迷宮密封的密封機理
流體通過迷宮產生阻力並使其流量減少的機能稱為“迷宮效應”。對液體,有流體力學效應,其中包括水力磨阻效應、流束收縮效應;對氣體,還有熱力學效應,即氣體在迷宮中

因壓縮或者膨脹而產生的熱轉換;此外,還有“透氣效應”等。而迷宮效應則是這些效應的綜合反應,所以說,迷宮密封機理是很複雜的。
12.1.1 摩阻效應
泄露液流在迷宮中流動時,因液體粘性而產生的摩擦,使流速減慢流量(泄露量)減少。簡單說來,流體沿流道的沿程摩擦和局部磨阻構成了磨阻效應,前者與通道的長度和截面

形狀有關,後者與迷宮的彎曲數和幾何形狀有關。一般是:當流道長、拐彎急、齒頂尖時,阻力大,壓差損失顯著,泄露量減小。
12.1.2 流束收縮效應
由於流體通過迷宮縫口,會因慣性的影響而產生收縮,流束的截面減小。設孔口面積為A,則收縮后的流束最小面積為 Cc A,此處 Cc 是收縮係數。同時,氣體通過孔口后的速度

也有變化,設在理想狀態下的流速為u1,實際流速比u1小,令Cd為速度係數,則實際流速u1為u1= Cd u1於是,通過孔口的流量將等於q=CcCdA u1式中Cc·Cd=α(流量係數)。
迷宮縫口的流量係數,與間隙的形狀,齒頂的形狀和壁面的粗糙度有關。對非壓縮性流體,還與雷諾數有關;對壓縮性流體,還於壓力比和馬赫數有關。同時,對縫口前的流動狀

態也有影響。因此在複雜型式的迷宮只,不能把一個縫口的流量係數當作所有縫口的流量係數。根據試驗,第一級的流量係數小一些,第二級以後的縫口流量係數大一些,一般流

量係數常取1。但是尖齒的流量係數比1小,約在0.7左右,圓齒的流量係數接近於1,通常取α=1,計算的泄露量是偏大。
12.1.3 熱力學效應
理想的迷宮流道模型,它是由一個個環形齒隙和齒間空腔串聯而成的。氣體每通過一個齒隙和齒間空腔的流動可描述如下:在間隙入口處,氣體狀態

 

為p0,T0和零開始,氣體越接

近入口,氣流越是收縮和加速,在間隙最小處的後面不遠處,氣流獲得最大的速度;當進入空腔,流速截面突然擴大,並在空腔內形成強烈的旋渦。從能量觀點來看,在間隙前後

,氣流的壓力能轉變為動能。同時,當溫度下降(熱焓值h減小),氣體以高速進入兩齒之間的環行腔室時,體積突然膨脹產生劇烈旋渦。渦流摩擦的結果,使氣流的絕大部分動能

轉變為熱能,被腔室中的氣流所吸收而升高溫度,熱焓又恢復到接近進入間隙前的值,只有小部分動能仍以余速進入下一個間隙,如此逐級重複上述過程。
12.1.4 透氣效應
在理想迷宮中,認為通過縫口的氣流在膨脹室內動能,全部變成熱能。也就是說,假定到下一個縫口時的漸近速度等於零,但這只是在膨脹室特別寬闊和特別長時才成立。在一般

直通迷宮中,由於通過縫口后的氣流只能向一側擴散,在膨脹室內不能充分的進行這種速度能(動能)向熱能的能量轉換,而靠光滑壁一側有一部分氣體速度不減小或者只略微減小

,直接越過各個齒頂流向低壓側,把這種一掠而過的現象稱為 “透氣效應”。
12.2 迷宮密封的結構型式
迷宮密封按密封齒的結構不同,分為密封片和密封環兩大類型。
密封片結構緊湊,運轉中與機殼相碰,密封片能向兩側彎曲,減少摩擦,且拆換方便。
密封環由6~8塊扇形塊組成,裝入機殼與轉軸中,用彈簧片將每塊環壓緊在機殼上,彈簧片壓緊力約60~100N,當軸與齒環相碰時,齒環自行彈開,避免摩擦。這種結構尺寸較大

,加工複雜,齒磨損后將整塊密封環調換,因此應用不及密封圈結構廣泛。
12.3 理想迷宮的泄露計算
給定下列幾個條件:
1) 泄露氣體是理想氣體,不考慮焦爾-湯姆遜效應,即氣體的焓只與溫度有關;
2) 假設迷宮是連續的多縫口組成的一個系列,兩縫口之間的膨脹室足夠大;
3) 通過縫口的流動作絕熱循環膨脹,在這裡引用一個流量係數α;
4) 通過縫口之後的流動速度能量在膨脹室內因受等壓支配而完全作恆溫恢復,所以在每一個縫口之前的速度漸近為0,即不發生透氣現象。
12.4 直通型迷宮的特性
由於在軸表面加工溝槽或各種形狀的齒要比孔內加工容易,因此常把孔加工成光滑面,與帶槽或帶齒的軸組成迷宮,這就是直通型迷宮,因製作方便,所以直通型迷宮應用最廣。

但是,直通型迷宮存在著透氣現象,其泄露量大於理想迷宮的泄露量。
12.4.1 迷宮特性的影響因素:
1) 齒的影響。根據國外所進行的試驗得出:齒距一定時,齒數越多,泄露量越少。齒距改變時,齒距越大,泄露量會急劇下降,同時還可以減少透氣現象的影響。
2) 膨脹室的影響。國外對膨脹室深度的影響進行過試驗研究,結論是淺的膨脹室對減少泄露量有利。
根據對膨脹室流動狀態的觀察,認為淺膨脹室中的旋渦是不穩定的。由於旋渦能很快地把能量耗盡,所以膨脹室的漸近速度減小,起到減小泄露的效果。
3) 副室的影響。所謂 “副室”是指直通型迷宮光滑面上開的附屬槽,開槽后迷宮中的流動狀態立即發生明顯的變化。試驗證明,只要副室的位置恰當,泄露量的減少率是相當大

的。
12.5 迷宮式氣體密封的

 

間隙
除特殊情況外,一般氣輪機、燃氣輪機等葉輪機械都採用迷宮式氣體密封。其徑向間隙應根據以下因素選取:軸承間隙,製造公差與裝配誤差,部件的變形(如鑄件收縮和失圓)

,轉子的撓度,以及通過臨界旋轉頻率時的振幅,熱膨脹以及由此引起的變形等。在多種情況下,熱膨脹的影響最突出。因此,對啟動與停車時單個部件尺寸的變化,以及部件的

相對位移必須預先估算。可用靜態和動態有限元演算法出隨時間變化的熱膨脹規律,由此可了解哪些是臨界條件,間隙實際上應當多大尺寸。
12.5.1 迷宮密封設計的注意點
總結迷宮密封設計中積累的經驗,歸納起來有下列要點:
1)盡量使氣流的動能轉化為熱能,而不使余速進入下一個間隙。齒與齒之間應保持適當的距離,或用高-低齒強制改變氣流方向。齒間距一般為5~9mm。
2)密封齒要做得盡量薄,並帶銳角 。齒尖厚度應小於0.5mm,運行中偶爾與軸的相碰時,齒尖先磨損而脫離接觸,不致因摩擦出現軸的局部過熱而造成事故。
3)由於迷宮密封泄露量大,因此在密封易燃、易爆或有毒氣體時,要注意防止污染環境。採用充氣式迷宮密封,間隙內引入惰性氣體,其壓力稍大於被密封氣體壓力;如果介質不

允許混入充氣,則可採用抽氣式迷宮密封。

13.基礎知識——螺旋密封
螺旋密封應用於許多尖端技術部門,如氣冷堆壓縮機密封、增殖堆鈉泵密封等。有時也用於減速機高速軸密封。它的最大優點是密封偶件之間既使有較大的間隙,也能有效的起密

封作用。如設計合理,其使用壽命可達無限大。由於可以從材料上作廣泛的選擇,且製造上極其容易,當壓差不大時,螺旋密封功率耗損和發熱都很小,用冷卻水套散熱已足夠。

螺旋密封往往需要輔以停車密封,這樣就使結構複雜,並加大了尺寸,故常使應用受到限制。螺旋密封可用於高溫、深冷、腐蝕和帶有顆粒等的液體,密封條件苛刻,密封效果良

好。
13.1 螺旋密封的密封機理
螺旋密封的軸表面開有螺旋槽,而孔為光表面,這同迷宮密封的開槽情況是一致的,所以可以把螺旋密封看成是迷宮密封的一種特殊型式,稱為螺旋迷宮。但是,螺旋迷宮的齒是

連續的,不象前述的各種迷宮的齒是連續的齒。由於齒的連續性,通過齒的介質的流動狀態發生變化。螺旋槽不再作為膨脹室產生旋渦來消耗流動能量,而是作為推進裝置與介質

發生能量交換,產生所謂的“泵送作用”,併產生泵送壓頭,與被密封介質的壓力相平衡,即壓力差 p=0,從而阻止泄露。所以在密封機理上與迷宮密封略有不同。但是,介質在

通過間隙時會有一部分越過齒頂留過,而不沿槽向流動,即有透氣效應,這和迷宮密封中的情況是一樣的。
根據螺旋結構,螺旋密封的密封機理又稍有區別。
單段螺旋,它利用螺旋桿泵原理,利用螺旋的泵送作用,把沿泄露間隙的介質推趕回去,以實現密封。它適用於密封液體或氣液混合物,無須外加封液,常用於軸承封油。須注意

的,螺旋的趕油方向需與油的泄露方向相反,否則,不但不能實現密封,反而會導致泄露量急劇增加。
兩段旋向相反的螺旋,將封液擠向中間,形成液封。液封的壓力稍大於或等於被密封介質的壓

 

力,即能實現密封。常用於密封氣體或密封真空。
兩段旋向相反的螺旋在高旋轉頻率下將氣體向兩側排出,使中間形成高真空陷阱以實現密封。這種密封可用作真空密封。
從理論上講,螺旋密封的間隙小則對確保密封越有利。如果間隙大,則液體介質不能同時附著於軸的表面上。假設液體介質僅附著於孔壁而與軸分離,則螺旋密封不起推趕介質的

作用,即密封失效。但是,間隙太小,又怕軸與孔壁相碰。為避免產生密封金屬偶件的摩擦與,磨損,可在孔壁表面塗上一層石墨。
13.3 迷宮螺旋密封
迷宮螺旋密封在工業上使用還是不久以前的事,它與螺旋密封的不同之處在於:在軸表面車制了螺旋槽,在密封的孔上也車製成螺套,而且具有與軸相反的螺紋旋向,使軸與螺套

間的流動形成強烈的紊流。此外,迷宮螺旋密封的螺旋運動速度要比螺桿密封的高,它在紊流工況下用於低粘度液體。螺旋密封一般用於層流工況下大粘度液體(如粘度大於水的

液體)。
工作原理:在螺桿與螺套之間的工作空間內,液體位於螺套兩齒面和螺桿兩齒面所圍成的若干個蜂窩狀的空間內。螺桿與螺套表面間的縫隙呈帶凹槽的環形柱面。液體通過這些螺

紋時形成旋渦,方向與流出方向相反。由於螺桿繞流液體的動量交換結果,螺桿將能量傳給液體。螺旋和螺套與液體相互作用,其結果在通過螺桿與螺套之間間隙的名義分界面上

產生摩擦力。液體中產生的摩擦力就在螺桿與螺套之間產生了壓力。

14.基礎知識——機械密封
14.1 機械密封的工作原理
機械密封又稱端面密封(Mechanical Seal),是旋轉軸用動密封。機械密封性能可靠,泄露量小,使用壽命長,功耗低,毋須經常維修,且能適應於生產過程自動化和高溫、低溫

、高壓、真空、高速以及各種強腐蝕性介質、含固體顆粒介質等苛刻工況的餓密封要求。
機械密封是靠一對或幾對垂直於軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力(或磁力)作用下保持接合併配以輔助密封而達到的阻漏的軸封裝置。
機械密封與軟填料密封比較如下:
優點:
1)密封可靠,在長期運轉中密封狀態很穩定,泄露量很小,其泄露約為軟填料密封的1%;
2) 使用壽命長,在油、水介質中一般可達1~2年或更長,在化工介質中一般能工作半年以上;
3) 擦功率消耗小,其摩擦功率僅為軟填料密封的10%~50%;
4) 軸或軸套基本上不磨損;
5) 維修周期長,端面磨損后可自動補償,一般情況下不需經常性維修;
6) 抗振性好,對旋轉軸的振動以及軸對密封腔的偏斜不敏感;
7) 適用範圍廣,機械密封能用於高溫、低溫、高壓、真空、不同旋轉頻率,以及各種腐蝕介質和含磨粒介質的密封。
缺點:
1)較複雜,對加工要求高;
2)安裝與更換比較麻煩,要求工人有一定的技術水平;
3)發生偶然性事故時,處理較困難;
4)價高。
機械密封前的準備工作:
1)檢查機械密封的型號、規格是否符合設計圖紙的要求,所有零件(特別是密封面、輔助密封圈)有無損傷、變形、裂紋等現象,若有缺陷,必須更換或修復。
2)檢查機械密封各零件的配合尺寸、粗糙度、平行度是否符合設計要求。
3)使用小彈簧機械密封時,

 

應檢查小彈簧的長短和剛性是否相同。
4)檢查主機的竄動量、擺動量和撓度是否符合技術要求,密封腔是否符合安裝尺寸,密封端蓋與軸是否垂直,一般要求:軸竄動量不大於±0.5mm;軸擺動量(旋轉環密封圈處)

不大於0.06mm;軸最大撓度不大於0.05mm;密封端蓋與墊片接觸平面對中心線的不垂直度允許差0.03~0.05mm。
5)應保持清潔,特別是旋轉環和靜止環密封面及輔助密封圈表面應無雜質、灰塵。不允許用不清潔的布擦拭密封面。
6)允許用工具敲打密封元件,以防止密封件被損壞。
14. 2 機械密封材料
摩擦副材料
根據統計,機械密封的泄露大約有80%~95%是由於密封端面,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問題。
摩擦材料應具備下列條件:
1) 機械強度高,能耐壓和耐壓力變形;
2) 具有耐干磨性,耐高載荷性,自潤滑性好;
3) 配對材料的磨合性好,無過大的磨損和對偶腐蝕;
4) 耐磨性好,壽命長;
5) 導熱性和散熱性好;
6) 耐高溫性好;
7) 抗熱裂性好;
8) 耐腐蝕性強;
9) 線膨脹係數小,能耐熱變形和尺寸穩定性好;
10) 切削加工性好,成型性能好;
11) 氣密性好;
12) 密度小。

 

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