高壓高速機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

1、l按照J(rèn)B/4127.2機(jī)械密封分類標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)密封腔體壓力超過3MPa時(shí)所采用的機(jī)械密封就屬于高壓機(jī)械密封；密封端面平均線速度為25100m/s被定義為高速機(jī)械密封。l高壓高速密封可以采用浮環(huán)密封，機(jī)械加浮環(huán)密封，干氣密封，金屬波紋管等很多形式的密封。此處僅研究彈簧式機(jī)械密封。普通密封大多采用彈簧式密封，通過對(duì)密封結(jié)構(gòu)，尺寸，設(shè)計(jì)參數(shù)及其它相關(guān)因素進(jìn)行調(diào)整，提高密封的使用參數(shù)（如壓力，轉(zhuǎn)速），拓展密封的使用范圍。采用彈簧式高壓高速密封具有成本低，互換性好，通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，彈簧式高壓高速密封在現(xiàn)代密封領(lǐng)域占有重要地位。高壓密封常用于熱水循環(huán)泵、鍋爐給水泵、丙烷泵、甲醇泵、乙二醇泵，或炭黑洗滌水，灰

2、水，汽包水，除氧水，醋酸乙烯，聚丙烯介質(zhì)的密封，以及原油管道輸送等。l1.技術(shù)關(guān)鍵l（1）機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的確定l高壓機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)形式非常關(guān)鍵，如果設(shè)計(jì)不合理，其它的細(xì)節(jié)部分再怎么考慮，也只能達(dá)到事倍功半的效果。因此，結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)好了，密封性能就好了一半。結(jié)構(gòu)形式包括兩部分：密封結(jié)構(gòu)型式，零件結(jié)構(gòu)型式。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式重點(diǎn)要考慮壓力的平衡問題，以避免力不平衡造成密封移位或變形，從而導(dǎo)致密封失效。 （2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械密封屬于動(dòng)密封，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供和維持機(jī)械密封的工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。處于高壓中的所有密封零件都受到高的壓力作用，其中承力的最薄弱環(huán)節(jié)當(dāng)屬傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)常常是一些小零件，桿細(xì)、壁薄是它的

3、特點(diǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一旦失效，密封肯定失效。因此要考慮可靠的傳動(dòng)方式，需按起動(dòng)扭矩來(lái)校核強(qiáng)度。起動(dòng)扭矩比工作扭矩大得多，可以估算為工作扭矩的四倍。（3）密封端面型式的確定機(jī)械密封的主要零件是摩擦副。密封端面承受著最惡劣的工作環(huán)境，因此，端面要求很高：既要求有很高的平面度、粗糙度、和軸的垂直度，又要求材料具有很高的強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐蝕性和耐高溫性。因?yàn)樵诟邏合?，端面摩擦熱更高，端面更容易產(chǎn)生熱變形，同時(shí)端面也更容易產(chǎn)生力變形，所以，高壓機(jī)械密封的端面，必須要考慮合理的形式，以利于導(dǎo)熱，減小溫升，平衡作用力，抑制端面變形。（4）載荷系數(shù)的確定載荷系數(shù)為密封重要設(shè)計(jì)參數(shù)，其取值的大小直接影響端面比壓，

4、影響密封端面的貼合狀態(tài)。在高壓下，其取值尤為重要，載荷系數(shù)只要有微小變動(dòng)，就會(huì)引起端面比壓發(fā)生很大的變化，而且可供參考的取值極為有限。高壓機(jī)械密封載荷系數(shù)與密封結(jié)構(gòu)、介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，其值的確定必須通過大量的試驗(yàn)獲得。（5）材料的選取原則高壓機(jī)械密封零件材料選取原則考慮的內(nèi)容和通用型機(jī)械密封一樣，不同的是，對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、剛度、耐熱性和導(dǎo)熱性、摩擦性能和氣密性要求更高。同時(shí)，材料的其他性能（通常要降低）也要滿足工況要求。（6）密封輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)械密封離不開輔助系統(tǒng)，對(duì)于高壓密封更是如此。合理地設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)，對(duì)于改善密封的工作環(huán)境，提高密封的可靠性和使用壽命意義重大。 2.采取的措施（1）采用可靠的零

5、件支承、定位方法，強(qiáng)化轉(zhuǎn)矩傳遞機(jī)構(gòu)機(jī)械密封需要把軸的運(yùn)動(dòng)方式，通過一系列零件（如軸套、彈簧座、推環(huán)等），傳遞給旋轉(zhuǎn)環(huán)。同時(shí)，需要對(duì)靜止環(huán)防轉(zhuǎn)，以及對(duì)不需要浮動(dòng)的零件進(jìn)行定位和緊固。通常，這些功能是靠密封的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成的。常用的傳動(dòng)方式有：緊定螺釘、鍵、撥叉、并圈彈簧、銷釘、凸耳、勾圈彈簧、波紋管、鎖緊螺母等。對(duì)于高壓密封，應(yīng)采用增強(qiáng)措施：緊定螺釘應(yīng)加大規(guī)格，并在被壓零件上劃凹坑；銷釘規(guī)格需加大；凸耳壁厚應(yīng)增加或采用實(shí)凸耳；波紋管應(yīng)采用雙層結(jié)構(gòu)。不采用并圈彈簧、勾圈彈簧來(lái)傳動(dòng)，盡可能采用鍵、撥叉來(lái)傳動(dòng)。力的作用點(diǎn)也盡可能遠(yuǎn)離軸心，以減小傳動(dòng)件受的作用力。 （2）采用合理的結(jié)構(gòu)型式1）密封結(jié)構(gòu)型式

6、密封結(jié)構(gòu)形式需具體情況具體分析，通常的方式是平衡軸向力（如采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，靜環(huán)背部設(shè)立平衡腔等），采用串聯(lián)式或三端面結(jié)構(gòu)，采用平衡型密封。2）零件結(jié)構(gòu)型式對(duì)于密封中各零件，應(yīng)設(shè)計(jì)成有利于對(duì)稱受力、抑制變形的的結(jié)構(gòu)形式。采用圓弧過渡避免零件斷面面積突變，增大零件截面，提高零件加工精度。 3）密封端面形式 （a）偏心式 （b）橢圓式 （c）循環(huán)槽式 （d）內(nèi)循環(huán)槽式 （e）內(nèi)螺旋槽式 （f）螺旋槽式 （g）內(nèi)潤(rùn)滑槽式 （h）潤(rùn)滑槽式圖圖1 典型流體動(dòng)壓端面型式 密封端面可以采用流體動(dòng)壓槽形式，這種形式是在動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面上開數(shù)個(gè)均布的流體動(dòng)壓槽，深度1mm左右。槽形多種多樣，如圖1。根據(jù)工況，主要是使

7、用PV值來(lái)設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)來(lái)確立。這是一種新型的流體動(dòng)壓式密封，專門為在高壓和高摩擦熱的情況下，改善密封端面潤(rùn)滑膜穩(wěn)定性而研制的。當(dāng)密封環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，槽能使液體強(qiáng)烈地冷卻距它較遠(yuǎn)的密封端面（見圖2）。進(jìn)行這種冷卻時(shí)，在密封環(huán)的初始表面上形成與槽數(shù)相等的流體動(dòng)力楔和高壓區(qū)。由于切向流和壓力降，在每一槽后形成慧星狀潤(rùn)滑楔。因此，隨著密封面上載荷和滑動(dòng)速度的增加，摩擦系數(shù)反而減小。 圖2 流體動(dòng)壓槽端面 圖3 流體動(dòng)壓式密封端面壓力場(chǎng)和潤(rùn)滑場(chǎng) 摩擦系數(shù)曲線 1承載區(qū) 2密封區(qū) 試驗(yàn)條件 介質(zhì)：鍋爐水 溫度：3060 密封軸經(jīng)：30 這種密封的熱流體動(dòng)力效應(yīng)就是在密封端面縫隙高度為0.21.5m的情況下，在

8、非槽環(huán)帶密封區(qū)2上主要為邊界摩擦，這時(shí)密封的泄漏量極小。 （3）采取冷卻措施對(duì)于高壓機(jī)械密封，應(yīng)設(shè)置介質(zhì)沖洗和靜環(huán)背部急冷裝置。對(duì)于雙密封和多端面密封，應(yīng)設(shè)置緩沖阻塞液循環(huán)系統(tǒng)。與通用型密封比，應(yīng)加快循環(huán)，增大緩沖阻塞液的循環(huán)量，并在循環(huán)管路中安裝換熱器。循環(huán)可以通過密封腔內(nèi)部的泵送環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （4）合理選取零件材質(zhì)高壓密封摩擦副中碳石墨的強(qiáng)度及剛度是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，碳石墨環(huán)變形是影響其性能的重要因素。摩擦副的硬環(huán)材料（如硬質(zhì)合金、碳化硅等）的強(qiáng)度比碳石墨材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此硬環(huán)的強(qiáng)度與剛度均能滿足要求，但是這些材料一旦變形就不易復(fù)原，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意熱變形以及抗沖擊性能。過高的負(fù)荷，特別是可變的

9、密封壓力，會(huì)引起端面變形，即使微米級(jí)的變形也將影響密封的性能。 （5）選取合理的載荷系數(shù)通過長(zhǎng)期的研究和試驗(yàn)，我們推薦，對(duì)于非流體動(dòng)壓式密封，高壓機(jī)械密封的載荷系數(shù)比膜壓系數(shù)高0.050.152，配合彈簧比壓選?。粚?duì)于流體動(dòng)壓式密封，載荷系數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)成0.70.853。這樣，既保證了密封端面始終貼合，又限制了高壓對(duì)密封端面比壓的影響幅度。 4.密封的主要型式、技術(shù)指標(biāo)（1）機(jī)封總體結(jié)構(gòu)的確定1）單端面高壓機(jī)械密封圖4為我們?cè)O(shè)計(jì)的一種典型的高壓泵用帶中間環(huán)的單端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，我們認(rèn)真仔細(xì)地對(duì)國(guó)外同類型機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。我們認(rèn)為進(jìn)口機(jī)械密封靜環(huán)上兩個(gè)對(duì)稱的橢圓形孔（如圖5）削弱

10、了靜環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度（曾經(jīng)出現(xiàn)過進(jìn)口機(jī)械密封連續(xù)失效的情況），其失效的現(xiàn)象均為從兩橢圓形孔處斷裂。為提高摩擦副的強(qiáng)度、剛度，選用整體式結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜環(huán)，避免熱鑲產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力造成摩擦副變形，影響密封性能。靜環(huán)采用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)。我們對(duì)進(jìn)口機(jī)械密封靜環(huán)的結(jié)構(gòu)作了如下的改進(jìn)，首先改原靜環(huán)的防轉(zhuǎn)銷防轉(zhuǎn)為對(duì)稱的凸耳防轉(zhuǎn)，以增大靜環(huán)本身的強(qiáng)度；其次在靜環(huán)的外圓周上開出均勻的半圓槽，讓介質(zhì)以最短的時(shí)間充滿靜環(huán)背面的平衡腔，改善其受力情況。改進(jìn)后的靜環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。從而提高其追隨性，還可以降低對(duì)靜環(huán)自身強(qiáng)度和剛度的要求。 圖圖4 帶中間環(huán)的高壓密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.石墨靜環(huán)軸向力平衡2.常用于高壓熱水的密封3.輔助系統(tǒng)采用p

11、lan23兩對(duì)稱橢圓形孔半圓形槽 圖圖5 進(jìn)口密封中間環(huán) 圖圖6 改進(jìn)后中間環(huán)另外小彈簧彈力均勻，并且可使機(jī)械密封結(jié)構(gòu)緊湊，因此，選用小彈簧；輔助密封圈選用V形圈，因O形圈在高壓下容易被擠入動(dòng)環(huán)與軸套（或軸）間的縫隙中，造成密封失效；外接強(qiáng)制沖洗液，帶走摩擦熱，沖洗液應(yīng)沿摩擦副的切線方向引入。 1彈簧座；2緊定螺釘；3彈簧；4導(dǎo)向銷；5推環(huán)；6動(dòng)環(huán)V形圈；7動(dòng)環(huán)組件；8靜環(huán)密封圈；9靜環(huán)；10.防轉(zhuǎn)銷；11傳動(dòng)螺釘圖圖7 7 典型單端面高壓泵用密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件厚實(shí)2.鍵加撥叉?zhèn)鲃?dòng)3.能承受高壓到12MPa圖7也是一種典型的的單端面高壓泵用機(jī)械密封，屬于多彈簧、螺釘加鍵傳動(dòng)、平衡型

12、結(jié)構(gòu)，靜環(huán)端面可以開設(shè)流體動(dòng)壓槽以適應(yīng)更高的工作負(fù)荷。這種密封的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件采用增加了厚壁的結(jié)構(gòu)，動(dòng)環(huán)、靜環(huán)常采用硬對(duì)硬材料組合方式。該種密封型式應(yīng)用范圍很廣。圖8 204B型高壓機(jī)械密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.靜止式，可用于大軸徑2.避免鑲嵌結(jié)構(gòu)3.動(dòng)環(huán)軸向力由臺(tái)階承受4.楔形抱軸器使傳動(dòng)可靠圖8是一種靜止式高壓機(jī)械密封，適用于大軸徑或高線速度的場(chǎng)合。該結(jié)構(gòu)考慮了力平衡，并采用楔形抱軸器，最高壓力可達(dá)15MPa。2）雙端面、串聯(lián)式及三端面高壓機(jī)械密封其設(shè)計(jì)思路與單端面高壓機(jī)械密封的設(shè)計(jì)思路相同，不同之處在于，對(duì)于雙端面密封，其使用壓力低于6MPa時(shí)，在靜環(huán)的設(shè)計(jì)上可不用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中必須要

13、考慮力矩的可靠傳遞，動(dòng)、靜環(huán)要有最佳的幾何形狀，以及高的強(qiáng)度和剛度，良好的追隨性。對(duì)于有毒、易燃、易爆的介質(zhì)，單端面密封不能適用，因密封一旦失效，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果，給國(guó)家和企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成環(huán)境污染，甚至?xí)＜吧踩ａ槍?duì)這種工況，我們?cè)O(shè)計(jì)了平衡型雙端面機(jī)械密封。為了及時(shí)將密封腔內(nèi)的摩擦熱帶走，在傳動(dòng)套上加一螺旋套，加大密封液的循環(huán)。彈簧選用小彈簧，輔圈選用O形圈，結(jié)構(gòu)如圖9所示。當(dāng)密封壓力很高時(shí)，如超過6MPa，可采用串聯(lián)式密封，若介質(zhì)為易燃、易爆、有毒或貴重流體時(shí)，可采用三端面密封，即雙端面加串聯(lián)式結(jié)構(gòu)。 (2）端面比壓的確定密封負(fù)荷水平的標(biāo)志是PV值，通常軸的轉(zhuǎn)速是恒定

14、的，密封端面的壓力負(fù)荷主要受介質(zhì)壓力影響，所以可以通過采用平衡型結(jié)構(gòu)來(lái)減小有效的壓力值。減小摩擦端面的寬度，可以減小摩擦熱。高壓密封設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一是確定載荷系數(shù)及端面寬度。要確定載荷系數(shù)和端面寬度的最佳值比較困難，通常端面寬度b=25mm4，根據(jù)載荷系數(shù)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行調(diào)整。我們知道，端面比壓P比=P彈+（K-）P介。在機(jī)械密封的設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免出現(xiàn)K-0的情況，否則機(jī)械密封將處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨時(shí)有被打開的可能，造成密封失效。另外，摩擦熱的大小與端面比壓的大小成正比，要降低摩擦熱，就必須要控制端面比壓，和選擇較小的彈簧比壓P彈。在此，我們選擇載荷系數(shù)K與該工況下的膜壓系數(shù)相近，彈簧比

15、壓P彈選用0.10.15MPa，這樣就可將端面比壓控制在理想的范圍內(nèi)，從而達(dá)到控制摩擦熱的目的，提高機(jī)械密封的使用壽命。 圖圖 9 雙端面高壓泵用機(jī)械密封 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.載荷系數(shù)、端面寬度、零件尺寸特殊設(shè)計(jì)2.結(jié)構(gòu)類似通用型密封，應(yīng)用范圍廣，成本低，不修改腔體（3）技術(shù)指標(biāo) 我們研制的高壓機(jī)械密封的技術(shù)參數(shù)如下：1) 密封腔內(nèi)壓力P=315MPa（軸徑d50，轉(zhuǎn)速n3000r/min，對(duì)于常溫、水介質(zhì)，采用單端面密封時(shí)，P值可達(dá)15 MPa）2）密封腔內(nèi)溫度：T=-401803）轉(zhuǎn)速：n15000rpm，線速度v35m/s（軸徑d40，壓力P=3.5MPa，對(duì)于常溫、水介質(zhì)，采用單端面密封時(shí)，n

16、值可達(dá)15000r/min） 4）泄漏量le5300ml/h5）壽命：L40008000h 高壓機(jī)械密封重點(diǎn)考核的指標(biāo)是：壽命L和泄漏量le。5.實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)運(yùn)行情況 研制初期，由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，不能模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，因此，我們將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)改在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。在現(xiàn)場(chǎng)按要求將機(jī)械密封裝上設(shè)備，按機(jī)械密封試驗(yàn)規(guī)范，先作靜壓試驗(yàn)，靜壓合格后，再作動(dòng)壓試驗(yàn)。我們的帶中間環(huán)單端面高壓密封產(chǎn)品已經(jīng)在鎮(zhèn)海煉化化肥廠合成氨裝置4112-P3泵上使用有3年時(shí)間，運(yùn)行狀況良好，已完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。此泵工作參數(shù)如下：介質(zhì)：水，進(jìn)口壓力8.6Mpa，出口壓力9.5MPa，密封腔壓力9.65MPa，溫度187。同時(shí)在齊魯

17、塑料廠聚丙烯裝置的P200泵上采用的雙端面密封和P201泵上采用的三端面密封，使用也已經(jīng)有6年時(shí)間；在內(nèi)蒙化肥廠和九江大化肥合成氨裝置A-GA302泵上使用已經(jīng)有2年時(shí)間；在荊門化肥廠P200泵上也使用了幾年時(shí)間。通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)運(yùn)行，證明我們的設(shè)計(jì)是合理的，研制是成功的，參數(shù)和結(jié)構(gòu)的選擇也是正確的，我們提供的產(chǎn)品已完全替代進(jìn)口同類產(chǎn)品，使用壽命有些甚至超過了國(guó)外同類產(chǎn)品。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)的多次裝拆、啟動(dòng)、停機(jī)及長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行，證明我們研制開發(fā)的高壓密封性能好、壽命長(zhǎng)，并可運(yùn)用于不同的介質(zhì)工況。本課題現(xiàn)已圓滿完成，各項(xiàng)考核指標(biāo)均滿足和超過合同要求。該項(xiàng)目的研制是成功的，我們的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)路線

18、是正確的，擴(kuò)大應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。l端面熱量大；l離心力造成振動(dòng)和不平衡，端面產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，加大端面摩擦熱和疲勞破壞，同時(shí)無(wú)法形成穩(wěn)定液膜；l傳動(dòng)機(jī)構(gòu)易在沖擊載荷或交變載荷下失效；l高頻顫振要求密封有更好的追隨性，抗疲勞性。l1.彈性元件靜止；l2.減小轉(zhuǎn)動(dòng)件質(zhì)量，并盡可能保持與軸中心線對(duì)稱；l3.減小轉(zhuǎn)動(dòng)件長(zhǎng)度，降低渦流損失；l4.充分散熱，加大強(qiáng)化冷卻力度；l5.結(jié)構(gòu)上采取措施，降低端面摩擦熱；l6.提高精度，包括形位公差，尺寸公差和表面粗糙度；l7.強(qiáng)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；l8.減小補(bǔ)償還輔圈壓縮量。l1.采用多彈簧靜止式平衡型機(jī)械密封；l2.減小密封端面寬度；l3.減小選轉(zhuǎn)環(huán)外徑，長(zhǎng)度；l4.減小徑環(huán)質(zhì)量；l5.增大彈簧比壓；l6.端面開流體動(dòng)壓槽；l7.減小靜環(huán)密封圈壓縮率。135 熱水（20B結(jié)構(gòu)），30%氨水（高速機(jī)封），烴類，丙烯進(jìn)料泵，乙烯，油，30