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1、机械密封 林昌基 机械密封又叫端面密封 它是流体旋转机械的轴封装置 1 机械密封的基本结构与工作原理 2 机械密封的类型 按摩擦副对数分类 单端面双端面 按弹簧与介质接触与否分类 内装式外装式 缓冲补偿原件的形式 单弹簧适用于载荷较轻 轴径较小 有腐蚀性介质的场合 单弹簧与多弹簧相比较 有以下特点 1 比压不均匀 轴径大时突出 2 转速大时离心力使弹簧变形 3 压缩量变化时 弹簧力变化小 4 丝径大 腐蚀对弹簧力影响小 多弹簧 适用于载荷较重 轴径较大的场合 多弹簧与单弹簧相比较 有以下特点 1 比压均匀 不受轴径影响 2 弹簧变形受转速影响小 3 压缩量变化时 弹簧力变化大 4 丝径小 腐蚀
2、对弹簧力影响大 5 介质有杂质或结晶时 对弹簧性能影响大 严重时使性能丧失 6 通过增减弹簧数易于调节弹簧力 波纹管 波纹管适用于高低温作业 耐温 200 650 24 波纹管的种类 25 焊接金属波纹管密封的特点 动环的追随性好 3 机械密封的材料 机械密封由若干零件所组成 各零件的材料是根据其所起的作用 结构特征和使用条件来进行选择或研制与开发 机械密封材料包括摩擦副材料 辅助密封材料 加载弹性元件材料和其他结构件材料 正确合理地选择各种材料 特别是端面摩擦副材料 对保证机械密封工作的稳定性 延长其使用寿命 降低成本等有着重要意义 1 摩擦副材料 端面摩擦副是机械密封最重要的零件 其材料的
3、物理性能 耐腐蚀性能和摩擦性能等对密封性能的影响巨大 由于大多数机械密封是在边界润滑状态下工作 与摩擦有关的性能更为重要 1 摩擦副材料的主要性能有物理力学性能 耐腐蚀性能和摩擦学性能等 1 物理力学性能端面材料的物理性能决定着端面的结构性能 并进而影响到机械密封的总体性能 物理力学性能指标有强度 刚度 热性能参数等 2 耐腐蚀性能摩擦副暴露于被密封流体 要使机械密封能正常发挥作用 其耐腐蚀性能必须加以考虑 首先应考虑最耐蚀的材料 机械密封端面材料中 从耐蚀性的角度考虑 优秀的材料有石墨材料 工程陶瓷材料 填充玻璃纤维聚四氟乙烯材料等 3 摩擦学性能 摩擦 磨损和润滑等是评价机械密封端面摩擦副
4、材料的摩擦学性能的重要参数 设法改善端面的润滑状态 降低其摩擦和磨损一直是机械密封的主要发展方向 从材料角度考虑 不断出现了许多性能优异的摩擦副材料 如石墨材料 碳化硅陶瓷等 从结构上考虑 出现了许多较为先进的结构设计方案及其冲洗 润滑方案 同时出现了气膜润滑或液膜润滑的非接触机械密封 2 常用的摩擦副材料 主要有碳 石墨 硬质合金 工程陶瓷和填充聚四氟乙烯等 1 碳 石墨 碳 石墨是机械密封中用量最大 应用范围最广的摩擦副组对材料 它具有许多优良的性能 如良好的自润滑性和低的摩擦系数 优良的耐腐蚀性能 导热性好 线膨胀系数低 组对性能好 且易于加工 成本低 2 硬质合金 硬质合金是一类依靠粉
5、末冶金方法制造获得的金属碳化物 它依靠某些合金元素 如钴 镍 钢等 作为粘结相 将碳化钨 碳化钛等硬质相在高温下烧结粘合而成 硬质合金具有硬度高 HRA87 94 强度大 其抗弯强度一般都在1400MPa以上 导热系数高而线膨胀系数小等优点 且具有一定的耐蚀能力 广泛应用于重负荷条件或用在含有颗粒 固体及结晶介质的场合 机械密封摩擦副常用的硬质合金有钴基碳化钨 WC Co 硬质合金 镍基碳化钨硬质合金 WC Ni 镍铬基 WC Ni Cr 碳化钨硬质合金 钢结碳化钛硬质合金 3 工程陶瓷 工程陶瓷是工程上应用的一大类陶瓷材料 其特点是均具有极好的化学稳定性 硬度高 耐磨损 但抗冲击韧性低 脆性
6、大 目前用于机械密封摩擦副的主要是氧化铝陶瓷 A1203 碳化硅陶瓷 SiC 和氮化硅陶瓷 Si3Ni4 4 填充聚四氟乙烯 聚四氟乙烯 PTFE 是化学稳定性最好的有机聚合物 几乎能耐所有强酸 强碱和强氧化剂的腐蚀 目前仅发现熔融碱金属 或它的氨溶液 元素氟和三氟化氯在高温下能与聚四氟乙烯作用 5 其它摩擦副材料 用作机械密封摩擦副的材料还有铸铁 碳钢 铬钢 铬镍钢 铬镍钼钢 工具钢 轴承钢 青铜等 3 摩擦副材料配对规律 对于轻载工况 v 10m s p 1MPa 优先选择一密封环材料为浸树脂石墨 而另一配对密封环材料 则可根据不同的介质环境进行选择 例如 油类介质可选用球墨铸铁 水 海水
7、可选用青铜 中等酸类介质可选用高硅铸铁 含钼高硅铸铁等 轻载工况也可选择等级更高的材料 如碳化钨 碳化硅等 对于高速 高压 高温等重载工况 石墨环一般选择浸锑石墨 与之配对材料通常选择导热性能很好的反应烧结或无压烧结碳化硅 当可能遭受腐蚀时 选择化学稳定性更好的热压烧结碳化硅 对于同时存在磨粒磨损和腐蚀性的工况 端面材料必须均选择硬材料以抵抗磨损 常用的材料组合为碳化硅对碳化钨 或碳化硅对碳化硅 碳化钨材料一般选择钴基碳化钨 但有腐蚀危险时 选择更耐腐蚀的镍基碳化钨 对于强腐蚀而无固体颗粒的工况 可选择填充玻璃纤维聚四氟乙烯对超纯氧化铝陶瓷 99 Al2O3 2 辅助密封材料 机械密封的辅助密
8、封包括旋转环辅助密封和非旋转环辅助密封 也包括端盖与密封腔体间的密封 轴套与轴的密封 从端面形状看 有O形圈 方形圈 垫 平垫 V形垫 楔形垫 包覆垫 包覆O形圈等 根据辅助密封的作用 要求材料具有良好的弹性 低的摩擦系数 能耐介质的腐蚀 耐溶解和溶胀 耐老化 在压缩后及长期的工作中有较小的永久变形 在高温下使用具有不粘着性 在低温下不硬脆而失去弹性 具有一定的强度和抗压性 辅助密封常用的材料有合成橡胶 聚四氟乙烯 柔性石墨 金属材料等 1 合成橡胶 橡胶是一种弹性很好的高分子材料 具有良好的弹性和一定的强度 具有较好的气密性 不透水性 耐磨 耐温 耐压 耐腐蚀 是一种被广泛采用的辅助密封材料
9、 不同种类的橡胶有不同的耐腐蚀性能 耐溶剂性能和耐温性能 在选用时要加以注意 机械密封辅助密封常用的合成橡胶有丁腈橡胶 NBR 氟橡胶 FPM 乙丙橡胶 EPM 硅橡胶 1 丁腈橡胶 NBR 是最常用的辅助密封圈材料 它以优异的耐油 耐老化著称 也具有良好的耐磨性能 丁腈橡胶的性能与丙烯腈的含量有关 丙烯腈含量高 耐油性能好 强度 硬度 耐磨性 耐水性增加 但耐蚀性 弹性和低温性变差 辅助密封圈一般采用中 高丙烯腈含量 丙烯腈含量为26 40 即丁腈 26 丁腈 40 的丁腈橡胶 尤其以丁腈 40橡胶应用最为广泛 但低温工况辅助密封圈材料应选用丁腈 26橡胶 丁腈橡胶对矿物油 动植物油 脂肪烃
10、有优良的耐蚀性 但值得注意的是 它不耐磷酸酯系液压油 不耐强酸 芳烃 酯 酮 醚 卤代烃等介质的腐蚀 2 氟橡胶 FPM 目前 机械密封辅助密封圈采用的氟橡胶主要是氟橡胶 26 氟橡胶具有特别好的耐热性 耐腐蚀性 良好的耐过热水 过热蒸汽性 在250 下可长期使用 广泛用于耐腐蚀 耐高温的场合 但是氟橡胶不耐氨水 强碱 有机酸 浓醋酸 丙酮 醚 醋酸乙酯等 3 乙丙橡胶 EPM或EPDM 具有优异的耐老化性能 耐热性能 能在150 下长期使用而物理力学性能变化缓慢 它耐磨损性 耐腐蚀能较好 但对碳氢化合物油类稳定性差 因而不可用于矿物油中 如果借助于润滑脂 润滑油来安装机械密封 也得考虑这一因
11、素的影响 但它特别耐硅油 磷酸酯液压油等合成润滑剂 耐酮 醇溶液 中等强度的酸碱 同时也耐高压水蒸气 4 硅橡胶 具有很宽的温度使用范围 100 350 和很高的热稳定性 一般可在200 300 下长期使用 硅橡胶无毒 无味 对人体无不良影响 但耐溶剂性差 且易在酸碱作用下发生裂解 在高压水蒸气中会产生分解 机械强度低 不耐磨 主要用于各种高 低温 高速旋转等场合下的动植物油 矿物油 氧 弱酸 弱碱等介质 不适用于苯 甲苯 丙酮等溶剂性介质 也不适用于高压水蒸气 2 聚四氟乙烯 PTFE 几乎能耐所有强酸 强碱和强氧化剂的腐蚀 因具有很低的摩擦系数 是一种极好的减摩 自润滑材料 但其导热性能很
12、差 仅为0 244W m K 添加青铜粉 二硫化钼 石墨等 可改善其导热性和自润滑性 聚四氟乙烯有很高的耐热性和耐寒性 使用温度范围为 180 250 耐水性 耐老化性 不燃性 韧性及加工性能都很好 常制成V形圈 作旋转环和非旋转环的辅助密封 另外 可用聚四氟乙烯包覆其他材料 如聚四氟乙烯包覆不锈钢 聚四氟乙烯包覆橡胶 形成复合材料辅助密封 由于它们结合了两种或两种以上材料的优点 具有更加良好的密封效果 3 柔性石墨 既有普通石墨的优良热稳定性 化学稳定性和高导热性 同时又具有独特的可压缩性和回弹性 它能耐高低温 在输送介质温度不低于200 时 辅助密封材料应优先采用柔性石墨 但柔性石墨的强度
13、较低 应注意加强和保护 模压成矩形圈 楔形圈 垫片的柔性石墨常用于机械密封非旋转环辅助密封圈 旋转环辅助密封圈 金属波纹管密封的波纹管组件与轴套连接的静密封垫 4 金属材料 在高压下 尤其是高压和高温同时存在时 前述几种材料并不能胜任 这时只有选用金属材料来制作辅助密封 根据不同的工作条件有不同的金属材料供选用 金属空心 形圈的材料有0Crl8Ni9 0Crl8Nil2M02Ti 1Crl8Ni9Ti等 对于端面为三角形的楔形垫 则常采用铬钢 如0Crl3 对于平垫则多采用紫铜或铝垫 3 弹性元件材料 机械密封的弹性加载元件有压缩螺旋弹簧 波形弹簧 金属波纹管等 要求材料耐腐蚀 耐疲劳 耐高低
14、温 强度极限高 弹性极限高 长期工作仍有足够弹力维持密封端面的紧密贴合 压缩螺旋弹簧大多由不锈钢 如4Crl3 1Crl8Ni9Ti 0Crl7Nil2M02 0Crl8Nil2M02Ti等或特殊合金 如Ni66Cu31Fe Monel400 Ni76Crl6Fe8 Inconel600 等制 机械密封用波形弹簧 常用薄钢带制造 其常用材料有1Crl8Ni9 302 0Crl8Nil2Mo2Ti 316 0Crl7Ni7A1 17 7pH 因科镍尔X 750 1nconelX 750 蒙乃尔K 500 MonelK 500 等 金属波纹管分焊接波纹管和压力成型波纹管两种 一般耐腐蚀材料为沉淀硬化不锈钢AM350 16 5 Cr 4 3 Ni 2 75 Mo 0 1 C 中级耐腐蚀程度用InconelX 750 高级耐腐蚀用HasterlloyC 276 57 Ni 15 Cr 16 Mo 1 Fe 0 02 C 4 其他结构件材料 机械密封的其他结构件 如弹簧座 推环 旋转环座 非旋转环座 紧定螺钉 传动销等 虽非关键部件 但其设计选材也不能忽视 除应满足机械强度要求外 还要求耐腐蚀 一般情况下用2Crl3 在腐蚀性介质中 需要分别选用1Crl8Ni9Ti 0Crl8Nil2M02Ti 蒙乃尔合金等耐蚀材料 谢谢
