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第三章
机械密封
教学重点： （1）机械密封结构、原理； （2）机械密封与软填料密封比较时的优缺点； （3）内（外）流式单端面机械密封的端面比压计算。 教学难点： （1）机械密封的设计计算； （2）机械密封的冷却、冲洗与安装； （3）特殊工况下机械密封的设计要点。 （4）密封技术与润滑的关系 。
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第一节
机械密封原理和基本结构型式
一、密封原理和特点
1.结构
1 2 3 4
（1）组成
9 8 7 6 5
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
2
zpofrp 2013-10-21 （2）固定
1 2 3 4
9
8
7
6
5
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
紧定螺钉把弹簧固定在轴上 静环的周向固定：静环上开槽， 然后通过防转销与静环座固定。 而静环座又与设备联在一起。
3
zpofrp 2013-10-21 2.密封原理
1 2 3 4
9
8
7
6
5
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的 端面密封。如图3-1所示，当轴转动时，带动了弹簧座、 弹簧压板、动环等零件一起转动，由于弹簧力的作用使 动环紧紧压在静环上。轴旋转时，动环与轴一起旋转， 而静环则固定在座架上静止不动，这样动环与静环相接 触的环形密封面阻止了介质的泄漏。
4
zpofrp 2013-10-21 机械密封一般有四个密封处： A、动环与静环之间的密封——动密封 B、动环与轴或轴套之间的密封——相对静密封 C、静环与静环座之间的密封——静密封 D、静环座（压盖）与设备之间的密封——静密封
1
D
2 3 4
C
B
9 8 7
A
6 5
机械密封的主要 特点主是密封面 为垂直于旋转轴 线的端面。
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
5
zpofrp 2013-10-21 3.基本构件 （1）动环和静环
材料 较好的耐磨性，能有减摩作用（即f要小） 良好的导热性，把摩擦热及时传出 孔隙率小，结构紧密，以免介质在压力下有渗 透。 动、静环是一对摩擦副，它们的硬度各不相同。
一般动环的硬度比静环的硬度大。动环的材料可用 铸铁、硬质合金、高合金钢等，在有腐蚀介质的条 件下可用不锈钢或不锈钢表面（端面）堆焊硬质合 金、陶瓷等；静环的材料可用铸铁、磷青铜、巴氏 合金等，也常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。
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配对方法： 当介质粘度小，润滑性差时，采用金属配各种非金 属（因为大多数非金属材料都有自润
滑作用）；当 介质粘度较大时，采用金属与金属配对。 加工精度 由于摩擦副的端面要起密封作用，并且摩擦环要相 互滑动摩擦，故端面的加工精度影响着密封的效果 和使用寿命。因此，JB4127-85《机械密封技术条 件规定较高。
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zpofrp 2013-10-21 （2）弹簧加荷装置 作用：产生压紧力，保持动、静环端而后紧密接触， 且是一个缓冲元件，可以补偿轴的跳动及加工误差而 引起的摩擦面不贴合。 再进一步，如果我们把弹簧施加到密封环带单位面积 上的压紧力称为弹簧比压ps，那么ps的作用有两点： ①起动停车或介质压力波动时，使密封面维持足够的 比压；②克服密封圈与轴的摩擦力，保持动环沿轴向 移动，以补偿端面的磨损。 因此有人把机械密封定义为：机械密封是一种带有缓 冲机构，并通过与旋转轴大体垂直并做相对转动的密 封端面进行密封的装置。 （3）辅助密封元件 型式：O形、V形、矩形等
8
zpofrp 2013-10-21 4.机械密封的优缺点：（与软填料密封比较） 优 点
① 密封可靠，在一个较长的使用期中，不会泄漏或很少 泄漏； ② 使用寿命长，正确选择摩擦副材料和比压的机械密封 可用2—5年，最长的达9年； ③ 维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修； ④ 摩擦功率消耗少； ⑤ 轴或轴套不受磨损； ⑥ 对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感； ⑦ 适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各 种转速以及各种腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封。
缺 点
① ② ③ ④
结构较复杂，对制造加工要求高； 安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水平； 发生偶然事故时，处理比较困难； 一次性投资高。
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表3-1机械密封与填料密封的比较
比较
泄漏量 摩擦功率损失 轴磨损 维护及寿命 高参数 加工及安装 对材料要求
软填料密封
180～450ml/h 机械密封为软填料密封的10～50％ 有磨损，用久后要更换 几乎无磨损
机械密封
一般为软填料密封的１％
要经常维护，更换填料，个别情况 寿命很长，很少需要维修 每班换一次 高压、高温、高真空、高转速、大 可以 直径密封不能解决 加苛求一般，填料更换方便 一般 动、静环表面粗糙度及平直度 要求高，不易加工，成本高， 装拆不便 动、静环要求较高
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二、结构类型
1、内流式和外流式（图3-2） 按介质泄漏方向分为内流式和外流式。 内流式：介质沿半径方向从端面外周向内泄者称为内流式。 外流式：介质沿半径方向从端面内周向外泄者称为外流式。 内流式的泄漏方向与离心力方向相反，离心力阻碍着流体的 泄漏，因而内流式泄漏比外
流式泄漏量小。于是，有固体颗 粒的情况尤其应该采用内流式。这样可防止固体颗粒进入摩 擦面。
11
zpofrp 2013-10-21 2、内装式和外装式（如图3-3） 按弹簧是否与介质接触分为内装式和外装式。 内装式是弹簧置于工作介质之内，外装式是弹簧置于工作介 质之外。
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zpofrp 2013-10-21 外装式特点：一般来说大部分机械密封零件不与介质接触， 且暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外装式结 构的介质作用与弹簧力相反（指常用结构）。当介质压力有 波动或升高的情况下，弹簧力余量又不大时，会出现密封不 稳定的情况以致产生泄漏。当介质压力降低时，因弹簧力不 变，在摩擦面上受负荷增大，特别在低压起动时，摩擦副的 表面间尚未构成液膜，此时比压又是最大，容易擦伤端面。 内装式受力情况比较好，刚开车时介质压力较低，由不太大 的弹簧力即可对摩擦面构成初始的密封，此时因端面比压较 小，容易形成液膜。内装式端面比压随介质压力增在而增大， 因而增加了密封的可靠性。
一般情况下内装式的介质泄漏方向与离心力方向相反，泄漏情况较外装 式好。所以在介质无腐蚀以及不影响弹簧机能时，应尽可能采用内装式 结构。
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zpofrp 2013-10-21 3、平衡型和非平衡型 主要按介质作用在端面的载荷程度分。 当不计摩擦副间反压力及密封圈摩擦力时，作用在端面上 的比压为：
Pc = Ps +
(d 2 − d b )
2 2
(d 2 − d 1 )
2 2
P = Ps + KP
式中：Pc—端面比压，是指作用于密封面环带的单位 面积上净剩的闭合力，它主要取决于密封结构型式和 介质压力。 P——介质压力 Pn——弹簧比压（弹簧施加到密封环带单位面积上的 压紧力）
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d 2 − db Ae =K= 2 2 A d 2 − d1
2 2
AP
A
其中：Ae——流体介质作用的有效载荷面积 A——接触面积（密封环带面积） K——载荷系数，动环的轴向受压面积与端面接触面积 之比。 d1、d2——密封环带内、外径 db——平衡直径（介质压力在补偿环辅助密封处的有效 作用直径） 减小动环的轴向受压面积，可将流体压力施加在摩擦副 端面上的载荷部分甚至全部卸除。这一方法称为卸荷。 因此K表示的是介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程 度。 根据d1、d2 和db的不同，K有不同的值。（图3-4）
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A
AP
A
K=0
K 1
AP A AP A
K 0
0 K 1
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K≥1非平衡型 ：介质作用于单位密封面上的轴向压力 大于或等于密封腔内介质压力，K=1.1～1.2 0
为推开力 令β=1-K，称β为平衡系数，它表示介质产生的比压在 摩擦副上的卸荷程度。 由前面Pc公式可知，β愈大，K愈小，由于介质引起的 端面比压愈小，虽然磨损很小，但不易保证密封；反 之β愈小，K愈大，端面磨损加剧并的热，甚至有咬坏 的危险，那密封就失效了。因此根据经验与试验，β不 宜超过0.5。
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zpofrp 2013-10-21 4、旋转式与静止式
按弹簧的运转状态分为旋转式与静止式。 旋转式：即是弹簧装置及轴的结构简单，径向尺寸较小。高 转速情况下，弹簧及其它转动零件产生的离心力很大，动平 衡要求高，有的介质经强烈搅拌后易结晶，对于这种情况宜 采用静止式较适宜。
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zpofrp 2013-10-21 4、单弹簧与多弹簧
单弹簧又称大弹簧，即是在密封装置中仅有一个弹簧与轴同 中心安装。 多弹簧又称小弹簧，即是在密封装置中有数个弹簧沿圆周均 匀分布。 一般说负荷较轻而且大量生产的密封采用单弹簧为佳，小量 生产且在严格的条件下使用时，则都采用多弹簧。
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zpofrp 2013-10-21 4、单端面、双端面和多端面 按摩擦面对数分为单端面、 双端面和多端面。 单端面：指在密封机构中仅 有一对摩擦副。 双端面：指在密封机构中有 两对摩擦副，且两对摩擦副 处于相同封液压力下（图35）。 密封机构中有两对以上的摩 擦副且密封腔的压力逐渐降 低，根据摩擦副的对数分别 称为双端面、三端面和多端 面。
20
zpofrp 2013-10-21 从结构比较来看，单端面比双端面简单，在制造和装拆上较 容易，因而使用很普遍。双端面因要通入带液体（封液）至 密封腔内起“封堵”和润滑作用，就需另设一套装置。单端 面只适用于一般场合。双端面适用于强腐蚀、主温、带悬浮 颗粒及纤维的介质、气体介质、易燃易爆介质、易挥发粘度 低的介质、高真空、贵重物料及要求介质与空气隔绝且允许 内漏的情况。
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三、常用机械密封标准结构简介
1、泵用机械密封标准结构
2、釜用机械密封标准结构
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三、常用机械密封标准结构简介
1、泵用机械密封标准结构 1）103、109型机械密封 103和109型均为单端面、单弹簧、旋转式结构，靠并圈弹簧 及带耳环的推环传动，103为非平衡型，109为平衡型，通常 按内流内装式设计，为国内使用最为普遍的一种结构。
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zpofrp 2013-10-21 2）104、110型机械密封 104为非平衡型，110为平衡型，也按内流骨装式设计， 与前两种不同之处在于它们是靠带耳环的传动套传动。
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zpofrp 2013-10-21 3）105、111型机械密封 105型为非平衡型，111型为平衡型，与和第一种型式 比较，不同的是弹性元件为多个沿周向均
匀布置的小 弹簧，传动方式是靠传动螺钉，通常也按内流内装式 设计。
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zpofrp 2013-10-21 4）114型机械密封 114型机械密封为单端面、单弹簧、非平衡结构，旋转 环是靠推环的拨叉带动耳环传动，按外流外装式设计， 主要用于化工腐蚀泵上。
26
zpofrp 2013-10-21 2、釜用机械密封标准结构 釜用机械密封标准（HG-、5-751-78至HG5-756-78） 列出了化工反应釜搅拌轴用机械密封六种型式共 108种规格，并规定了密封件的材料级别及主要技 术要求。
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第二节
密封特性与端面液膜承载能力
F X u v y
移动件
O
一、密封特性
1.轴承润滑理论 （1）两平行平板
贴近移动板的油层速度 贴近静止板的油层速度 各油层以不同速度 油层间剪应力
u=v u=0
∂u ∂y
成正比
静止件
u 移动
Y
τ
与速度梯度油层
F ∂u τ = = −η A ∂y
此式也称为牛顿粘性液摩擦定律 式中，A——移动板的面积 η——比例常数，即液体的粘度。
31
zpofrp 2013-10-21 （2）雷诺润滑方程式 两刚体被润滑油分隔开，移动件以速度v沿x方向滑动， 另一刚体静止不动。忽略压力对润滑油的影响，同时假 设：润滑油沿Z向没有流动；润滑油的流动是层流流动； 油与工作表面吸附牢固，表面油分子随工作表面一同运 动或静止；不计油的惯性和重力的影响，认为润滑油不 可压缩等等。 取微元体进行分析，根据X方向力的平衡，得：
pdydz − ( p +
整理后得：
∂p ∂x
dx )dydz + τdxdz − (τ +
∂τ ∂y
dy )dxdz = 0
∂p ∂τ =− ∂x ∂y
∂u (牛顿粘性 τ = −η ∂y 液摩擦定律)
∂p ∂ 2u =η 2 ∂x ∂y
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1 ∂p 2 u= y + C1 y + C 2 2η ∂x
积分后，已知：y=0时，u=v；y=h时，u=0，利用边界 条件，可得：
v 1 ∂p u = (h − y ) + ( y − h) y h 2η ∂x
再分析任何剖面沿x方向的单位宽度流量
qx = ∫
h
0
1 1 ∂p 3 udy = vh − h 2 12 µ ∂x
33
zpofrp 2013-10-21 如图3-11二平面间存在一定的斜楔。随着间隙减小，液压 增大，而斜楔的进出口处压差为零。故有一液压极大值， 对应该处的液膜厚度为h0，则流量
1 q x ' = ∫ udy = vh0 0 2
h
根据流量连续性定理qx=qx’，得
(h − h0 ) ∂p = 6 µv ∂x h3
称为一维的雷诺动压润滑方程。可发现油压的 变化与润滑油的粘度表面滑动速度和油膜厚度 的大小有关。
34
zpofrp 2013-10-21 2.机械密封的摩擦特性 工况参数G是液膜粘性力与液膜负荷的比值，它是表 示液膜形成的难易程度的无量纲特性值，它表示为：
G = µv b
w
式中： µ—密封流体粘度，Pa·s v—端面平均线速度，m/s w—端面承受的总载荷，N b—密封面的宽度，m G值越大，表示越容易形成
液膜，相应的液膜厚度也越 大。经实验测得，G与f之间的关系为：
f = φG = φ (
1 2
µvb
w
)
1 2
35
zpofrp 2013-10-21 参看图3-12，当G≥1×10-6时，系数Φ=常数， 两个密封面被液膜完全隔开，处于液体润滑状 态，密封面间有较厚的液膜（图3-13）；当 G=0.1~1×10-6时，Φ≠常数，液体处于边界润 滑或半液体润滑状态，而密封表面被一层具有 分层结构和润滑性能的边界膜分开。 对于一定的结构尺寸和材料组对的密封，Φ存 在着一个临界值Φc，如图3-14，Φ﹥Φc为密封 区，Φ﹤Φc为泄漏区。 对于机械密封，要想 做到绝对不泄漏是很困难的，只要泄漏量Q满 足工艺要求，将G控制在0.1~1×10-6的范围内。
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二、端面液膜压 力 包括液膜静压力和液膜动压力。 1 、液膜静压力——力图使端面开启的力
当密封间隙有较小泄漏时，密 封环内外径处存在压差，一端 是大气压，一端是介质端，这 个压差促使液体流动，另一方 面，液体流过缝隙时要受到密 封面的阻碍，压力将逐步降低。
db
d1 d2
d
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p
dr
中性粘度液体
pr
r2 r
db d1 d2 d
r1
设沿半径方向r处，dr的环面 积上液膜静压力为pr，当密封 液体压力为p ，作用于密封面 上的开启力为R ，则R为：
R = ∫ 2πrdrpr
r1
38
r2
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R = ∫ 2πrdrpr
r1
r2
p
由三角形相似： 代入上式积分：
R=
pr =
r − r1 p r2 − r1
dr
pr
r2 r r1
π
3
( r2 − r1 )( 2r2 + r1 ) p
（1）
2 2
再以pm代表端面上平均液膜静压力 ,则 R = π ( r2 − r1 ) pm （2）
2r2 + r1 p = λj p 由（1）和（2）得 pm = 3( r2 + r1 ) 2r2 + r1 称为液膜静力反压系数 其中 λ j = 3( r2 + r1 )
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2、液膜动压力
∂p ∂ 2v 奈维斯托克斯方程： ∂x = µ ∂y 2
与轴承润滑理论中的一维雷诺润滑方程推导方法相 同，可得出
( h − h0 ) ∂p = 6 µv h3 ∂x
∂p 为端面间流体沿运动方 向的压力增量，即液膜 动压力 ∂x
μ—粘度 v—流体沿运动方向流动的线速度 h—膜厚，即两端面间隙 h0—液膜压力出现最 大值处的膜厚
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结论：
( h − h0 ) ∂p = 6 µv ∂x h3
1）∂p/∂x∝v，当v=0时，∂p/∂x=0，说明动压力由流体 运动而产生； 2）∂p/∂x∝μ，流体粘度越大，产生的动压力也越大； 3）当h-h0﹥0时，∂p/∂x﹥0；h-h0﹤0时，∂p/∂x﹤0.说明 液膜沿x方向各处液压都大于入口和出口的液压（收敛 液膜），能产生压力支承外载； 4）液膜厚度h 越小，∂p/∂x越大，说明液膜越薄，承载 能力越高； 5）如果h=h0，∂p/∂x=0，表示两滑动表面平行，平行液 膜各处液压总是等于入口和出口的液压，因此不能产生 高于外面压力的液压以支承外载，也不会产生动压效应。
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第三节
机械密封设计计算
一、设计条件分析和结构选型 1、分析密封使用条件 （1）工作参数 压力、温度、转速、轴径 （2）介质特性 浓度、粘度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维 杂质、是否汽化或结晶 （3）主机工作性质与环境条件 连续或间隙操作
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2、主机对密封的要求 ① 密封性 ② 寿命 ③ 结构尺寸的限制 ④ 可靠性和稳定性 3、密封类型与材料的选择 4、密封系统的综合措施及加工、安装、维修、 经济效益等考虑 5、结构形式的选择
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1）工作压力：密封的工作压力是指密封腔处的 压力。当P介＞0.5~0.7MPa时，需采用部分平 衡型。由前面可知，K（载荷系数）表示介质 产生的比压加到摩擦副上的载荷程度，P介增 加，则K增加，据资料介绍，当P=0.5~0.7MPa 时，用部分平衡型就能保证密封(即K＜1) ,若 此时采用非平衡型，则K很大，介质产生的比 压加到摩擦副上的载荷程度也很大，从而密封 端面磨损，发热，密封失效。尤其是对于介质 粘度低，润滑性能差者，往往压力达 0.3~0.5MPa以上就应考虑选择部分平衡型；若 是超高压、高压，就应选双端面或多端面密封 使之逐级降压。
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2）温度超出120℃是高温。
3）圆周速度当V﹥30m/s时可选用静止型，即是 高速又是高压力时，可考虑用流体动压型机 械密封。 4）介质的腐蚀性及易燃易爆、结晶等性质:对于 腐蚀较弱，选内装式较好，因结构上端面受 力和泄漏方向比外装式合理，反之，选用外 装式。外装外流式介质压力不起自紧作用， 故适用于压力较低的情况（0.2~0.3MPa）
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二、端面比压Pc的计算
端面比压：指作用于密封端面环 带的单位面积上净剩的闭合力。
Fc′ pc = A
1、内流式单端面机械密封的端面比压计算
P PS P
Pm = λP
db
db
d1 d2
图3-15内流单端面机械密封结构简图及补偿环轴向力平衡
46
d
d2
d1
PC
zpofrp 2013-10-21 1)弹簧力 Fs
Fs = ps A = ps
π
4
2 (d 2 − d 12 ) （N）
ps
——弹簧比压，弹性元件
密封环带面积，（m2）
P PS
P
施加到密封环带单位面积 上的压紧力， Pa
A——
A=
db
π
4
2 (d 2 − d 12 )
其中，d2、d1分别为密封环带外径和内径，m
d2
d1
PC
47
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2）作用于端面的介质总压力Fp
Fp = p ⋅ Ae
式中
P PS
P
db
p ——介质压力（Pa）
Ae
Ae =
——介质压力作用于补偿环上的有效载荷面积，m2
π
4
(d 2 − d b )
2 2
其中db为平衡直径，即介质压力在补偿环辅助密封处 的有效作用直径，m Fs、Fp都是使端面趋于闭合的力。
48
d2
d1
PC
zpofrp 2013-10-21 3）端面液膜压力Fm 包括液膜静压力和动压力，它们都是力图使
端面开启的力。
Fm = R = λpA = (λ j + λd ) pA
其中λ为液膜反压系数。
P PS
P
db
4）补偿环辅助密封与相关元件表面的摩擦阻力Ft 其方向与补偿环轴向移动方向相反，补偿环向闭合方向移 动时，Ft为负值；反之则为正值。 Ft=ptA Pt是由摩擦阻力引起端面比压增大或减小的比压 因此端面所受净闭合力， c′ 为： F
49
d2
d1
PC
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Fc′ = Fs + F p − R ± Ft
则端面比压pc为：
P PS
P
db
Fc′ pc = = ps + kp − λp ± pt = ps + ( k内 − λ）p ± pt A
Ae d 2 − d b = 2 k内 = A d 2 − d12
2 2
d2
d1
PC
50
zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 外流单端面机械密封的端面比压的计算
双端面机械密封的端面比压计算
51
zpofrp 2013-10-21 外流单端面机械密封的端面比压的计算 课堂小测验 (参考答案)
52
zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 (参考答案)
53
zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 (参考答案)
双端面机械密封的端面比压计算
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zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 (参考答案)
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1.弹簧力 Fs
Fs = ps A
式中
=
ps
π
4
2 (d 2 − d 12 )
（N）
ps ——弹簧比压，弹性元件 施加到密封环带单位面积上的压 紧力， Pa A——密封环带面积，（m2）
A=
π
4
2 (d 2 − d 12 )
其中，d2、d1分别为密封环带外径和内径，m
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2.作用于端面的介质总压力
Fp
p
F p = p ⋅ Ae外 = 式中
π
4
2 (d b − d 12 )
(N)
p
——介质压力（Pa）
Ae外 ——介质压力作用于补偿环上的有效载荷面积，m2
Ae外
=
−
π
4
2 (d b − d 12 )
d——平衡直径，即介质压力在补偿环辅助密封圈 b
处的有效作用直径，m
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3.由介质产生的端面液膜压力 Fm 1 4.作用于端面的封液总压力 F p f
Fm 1 = λp ⋅ A
F p f = p f ⋅ Ae内
式中
pf
=
pf
π
4
2 2 (d 2 − d b )
(N)
——封液压力（Pa）
Ae内 ——封液压力作用于补偿环上的
有效载荷面积，m2
Ae内
=
π
4
2 2 (d 2 − d b )
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5.由封液产生的端面液膜压力
Fm 2 = λp f A
Fm 2
（N）
6.摩擦阻力 Ft
是补偿环辅助密封与相关元件表面的摩擦阻力，其方向与补 偿环轴向移动方向相反。补偿环向闭合方向移动时为负，反 之为正。
Ft = pt ⋅ A
（N）
pt ——由摩擦阻力引起端面比压增大或减小的值，Pa
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因此，端面所受净闭合力为：
Fc′ = Fs
-
Fp
-
Fm1
+
Fp f
-
Fm 2 ± Ft
-
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因此，端面所受净闭合力为：
Fc′ = Fs
= ps
π
4
-
Fp
2 2
2 1
Fm1
+
π
Fp f
-
Fm 2 ± Ft
(d − d ) -[- p
4
2 (d b − d 12 ) ]-
λp ⋅ A
pt ⋅ A
+ pf
π
4
2 2 (d 2 − d b ) -
λp f A ±
2 2 2 ′ d b − d 12 d2 − db Fc − λp + p f 2 − λ p f ± pt = ps + p 2 Pc = 2 2 d 2 − d1 d 2 − d1 A
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即
pc = ps + ( k
外 − λ ) p + ( k内 − λ ) p f ± pt
亦即
pc = ps + ( k内 − λ ) p f + ( k外 − λ ) p ± pt
式中
k内 =
d −d d −d
2 2 2 2
2 b 2 1
k外 =
d −d d −d
2 b 2 2
2 1 2 1
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第四节
冷却、冲洗与安装、使用
一、密封环端面发热 机械密封的摩擦副就是动环和静环，其端面贴紧 且一个静止，一个旋转，它们之间存在相对运动， 所以会产生摩擦和磨损，同时会伴有热量的产生。 前面已经讨论过，如果摩擦产生的热量越多，密 封的工作PV值就越大。当然摩擦热除与PV值有关 外，还与摩擦系数及端面面积有关。 假设端面比压是均布的，则摩擦热
Q = fPcVA
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热量的传递有三种方式：对流、间壁导热、辐射。 显然机械密封端面的摩擦热就是以这三种方式传递 出去的。如果密封环向周围散失的热量与产生的摩 擦热相平衡，则可得到一个稳定的温度值。 对于普通机械密封，泄漏量较小，它带走的热量可 以忽略，那么摩擦热主要是由轴导入动静环，再由 动静环传给周围介质，即：
Ql =
λA∆T
l
△T------环端面温度与周围介质温度差 l------温度降方向的壁厚，轴向为环厚h，径向为端面宽度b。 显然，λ越小，传出的热量就少，温升越高，PV值就越大； 反之，λ越大，传出的热量就多，温升越低，PV值就越小。 因此要选择导热系数大的材料。
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二、冷却、冲洗方法及系统设计 如果密封环材料的导热性差，介质温度又高，或 PV值比较高的情况下，端面间的大量热量不能及 时导出，必然引起端面温度急剧上升。其结果可 能造成端面间液膜汽化，恶化润滑条件，甚至完 全处于干摩擦状态，这不仅使磨损加剧，还会导 致密封环的热裂、变形等等。因此只是依靠选择 耐高温、导热性好的密封环材料或仅从结构上考 虑，都很难达到预期的效果。合理的方法就是强 化冷却，使端面摩擦热及时导出。 使端面冷却的方式主要有三种：
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1、端面直接冷却 (1)闭路自冲洗（图3-24，a） 将密封介质从系统中高于密封 腔压力处引出，通过接管引入 密封腔，对于密封介质的温度 高或含固体粒子的场合，可在 管路上设置冷却器或过滤器， 使进入密封腔内的介质净化并 降低温度。
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1、端面直接冷却 (2)反向自冲洗 将密封腔内的介质引入 主机低压侧，使介质通过密 封腔进行自循环而带走摩擦 热（图3-24，b），这种方法 适用于密封腔压力与主机工 作压力比较接近的场合。
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1、端面直接冷却 (3)贯通自冲洗 将介质从高压侧引出， 流经密封腔进行冲洗后流回 主机吸入侧（图3-24,c），这 种冲洗冷却效果
优于前两种。
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1、端面直接冷却 (4)内冲洗 利用其它压力源将冲洗冷却液 注入密封腔内（图3-24，d）。 冲洗液应为低温、清洁液体， 并且少量内漏与密封介质相混 在工艺上必须是允许的，冲洗 液压力应比密封介质压力大 0.05~0.1Mpa。对于高温或含固 体颗粒的介质，效果较好。
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1、端面直接冷却 (5)局部循环冲洗 在密封腔内的一段轴上装上小型动力元件（图325），使密封腔内介质进行局部循环，或在旋转环 外周开槽同样能直到泵送作用。
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2、静环背部冷却
从静止环背部将清水、油等冷 却液直接引入密封环内表面的 一种冷却方法（图3-26），又 称为急冷法、外冲洗法。冷却 效果好，但冷却水硬度高时产 生的无机物水垢在轴上沉 积，会影响动环密封圈的浮动 性，可能会引起密封失效。
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3、间接冷却
冷却液不直接与密封面接触，其效果没有直接冷却效果好， 但对冷却液要求不高。常用
静环外周冷却（图3-27，b）夹套冷却（图3-27，a） 轴套冷却（图3-27，c）蛇管冷却（图3-28）
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三、机械密封的安装 1、安装前的准备及注意事项 ① 检查机械密封的型号、规格是否符合设计图 纸的要求，所有零件有无损伤、变形、裂纹 等现象，若有缺陷，必须更换或修复。 ② 检查机械密封各零件之配合尺寸、粗糙度、 平行度是否符合要求。 ③ 使用小弹簧机械密封时，须检查小弹簧的长 短和刚性是否相同。使用并圈弹簧时，须注 意旋向是否与轴的旋向一致，其判别方法是： 面向旋转环端面，视转轴为顺时针方向旋转 者用右旋弹簧；反之，用左旋弹簧。
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三、机械密封的安装 1、安装前的准备及注意事项 ④ 检查主机轴的窜动量、摆动量和挠度是否符 合技术要求。 ⑤ 安装过程中应保持清洁，特别是旋转环和静 止环密封面及辅助密封圈表面应无杂质、灰 尘。不允许用不清洁的布擦试密封面。 ⑥ 安装中不允许用工具敲打密封元件。
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三、机械密封的安装 2、安装顺序 ① 确定安装位置 ② 静止件的安装 ③ 旋转组件的安装。
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第五节
特殊工况下机械密封的设计要点
在石油、化工生产中，由于所处理的介质非常 复杂，介质的特性、温度、压力、轴径、轴的 转速等各有差别。因此，机械密封必须从结构、 材料以及附加装置等方面加以考虑，以适应各 种使用条件的要求，尤其在苛刻条件下工作的 机械密封，在设计时必须对这些问题提出相应 的解决措施。
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一、高温条件 当温度大
于120℃时，即认为是高温。 ① 高温介质不但不能带走端面摩擦热，还可 能对密封环起加热作用，使密封端面温度 过高，造成端面液膜汽化，出现干摩擦； 密封环还可能发生热变形和热裂。 ② 当高温超过一定限度时，浸树脂石墨中的 树脂碳化析出的硬粒划伤密封面；浸金属 石墨中的金属熔化渗出，使密封失效。 ③ 高温条件下的橡胶、塑料等辅助密封圈材 料易老化，分解变质。 ④ 在腐蚀性介质中，高温会加剧金属密封件 的腐蚀。
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要解决以上问题。一般是采取积极的冷却措施 和耐高温的材料。也可以从结构上采取措施， 如工作温度在250℃以上，可采用单弹簧金属波 纹管密封。
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二、低温条件
温度为0~-50℃时视为普冷机械密封，当 温度低于-50℃时视为深冷机械密封。 低温工作的介质多属液化气体，具有低沸点、 低粘度、高蒸汽压的特点。 这种情况下，一般材料都会发生冷脆现象； 辅助密封圈发生老化，失去弹性，影响密封 性能；密封装置若与大气接触，其低温使大 气的水蒸汽冻结在密封面上，加速摩擦副的 磨损；另外密封面上的液膜汽化现象对密封 特性也有重要影响。所以低温用机械密封需 要考虑以下几个方面的问题：
80
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二、低温条件
① 用金属密封圈或金属波纹管代替辅助密封圈，在超 低温条件下常采用不锈钢或铜合金来制作的金属波 纹管。这样能保持优异的弹性补偿和消除种种因素 引起的机械振动，使两密封面紧密贴合保持良好的 运动状态。 ② 防止波纹管疲劳，波纹管虽然有优异的弹性，但在 超低温时，其塑性也有一定的下降，硬度增大，疲 劳寿命降低。若把波纹管置于旋转运动中，则会加 速疲劳破坏。故在超低温下常采用静止式结构。 ③ 与大气隔绝。密封腔与大气隔绝能减少冷损，提高 泵的效率和抗蚀性能，防止摩擦面上产生水结冰， 加速端面的磨损。 ④ 选择导热性和低温性能好的材料，如石墨、青铜等。 ⑤ 防止液膜汽化，可采取急冷和冲洗液（均匀低温流 体）并用的措施。 81
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三、高压与真空
按照密封术语，压力在常压1MPa称作低压；大 于1~3MPa属于中压；超过3~15MPa称为高压。 高压可能使密封环产生力变形或破裂，真空 条件下，由于分子 降低，分子间摩擦力小， 与相同压差的正压相比，真空更易渗漏。 解决问题应从结构型式、材质、冷却与润滑 等方面作一合适的选择，选择的重点是密封 型式和材料。
82
zpofrp 2013-10-21 ① 平衡系数β值的选择 端面比压是考核密封性能和耐磨性能的重要指标，选用 密封所允许的最小端面比压对
提高使用寿命有利，高 压下一般取较大的β值，多采用平衡型结构。 ② 多端面结构 当端面负荷达到15MPa以上时，仅依靠材料的选择及结 构型式，都会非常危险。这时可采用串联式多端面结 构，将前级密封的端面比压设计得小些，允许较大的 泄漏量，也可采用流体静压式或流体动压式结构，使 密封端面维持良好的润滑状态。 对于真空用机械密封尽可能造成液膜形成的条件，如采 用双端面结构加封液循环、外装单端面结构加油盒润 滑等强化润滑的措施。 ③ 高压条件下，密封环采用强度、刚度高的材料。
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zpofrp 2013-10-21 工作压力30MPa，转速2000rpm。
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四、高速
当线速度超过25m/s时称为高速机械密封。
高速条件下，由于PcV值大，摩 擦功率消耗以及相应产生的摩 擦热也大，易使端面温度升高， 造成液膜汽化出现干摩擦出现 干摩擦而加剧磨损。 高速还会引起转动零件的振动， 动平衡是一个主要解决的问题， 必须从加强冷却、改善润滑条 件、减少端面比压和宽度等方 面来解决。
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① 结构上的考虑：减少端面宽度b，摩 擦产生的热量降低；将弹簧及其加荷 装置设计成静止式的结构。
② 加强冷却与润滑，降低PcV值，减少 摩擦热，使端面液膜不汽化。
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五、腐蚀性介质条件
① 处于腐蚀性介质中的密封元件，不仅要注意每 一零件本身的耐蚀性，还应防止两种材料组合 一起时产生的电偶腐蚀。尤其是环端面受到磨 损和介质腐蚀的同时作用时要注意这些材料的 钝化耐磨性和钝态稳定性。 ② 在结构上我们可采用外装式结构，但辅助密封 弹簧却无法避免与介质接触。 ③ 所以辅助密封圈的材料要求除了弹性之外，还 需考虑材料对介质的耐腐蚀性和耐热性。 ④ 作为弹簧主要有以下几种方法解决：弹簧外装； 弹簧保护层；泄漏液隔离采用多端面结构等。
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zpofrp 2013-10-21 强腐蚀介质的密封结构实例
旋转环采用填充聚四氟 乙烯，静止环用氧化铝 陶瓷，弹簧用塑料软管 或涂层保护，这种结构 可用于盐酸(30％以上)、 硫酸(50％以上)、硝酸 (98％以上)．氢氧化钠 (10~40％)等大部分腐蚀 性介质。
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六、含有固体粒子条件
1．含有固体颗粒的介质容易出现： 杂质进入密封端面间，将会划伤密封面或破坏液膜的连续 性 杂质在补偿环密封圈处沉积会影响补偿环的浮动性 杂质沉积在弹簧上，将使弹簧失去作用 2．提高含固体粒子条件下机械密封的寿命方法 对降温结晶性介质，可采用保温或适当提高操作温度阻止 晶粒生成 采用开
式传动大弹簧结构，减少粒子沉积的影响 采用辅助密封，如成型填料、甩砂环等 密封环摩擦副选择高耐磨材料 冲洗措施 可采用自冲洗和内冲洗，多采用自冲洗，但由于内含固体 粒子，因此应附设净化装置，对杂质进行分离与过滤，如 小型旋流器、过滤器等。
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第三章
机械密封
教学重点： （1）机械密封结构、原理； （2）机械密封与软填料密封比较时的优缺点； （3）内（外）流式单端面机械密封的端面比压计算。 教学难点： （1）机械密封的设计计算； （2）机械密封的冷却、冲洗与安装； （3）特殊工况下机械密封的设计要点。 （4）密封技术与润滑的关系 。
1
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第一节
机械密封原理和基本结构型式
一、密封原理和特点
1.结构
1 2 3 4
（1）组成
9 8 7 6 5
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
2
zpofrp 2013-10-21 （2）固定
1 2 3 4
9
8
7
6
5
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
紧定螺钉把弹簧固定在轴上 静环的周向固定：静环上开槽， 然后通过防转销与静环座固定。 而静环座又与设备联在一起。
3
zpofrp 2013-10-21 2.密封原理
1 2 3 4
9
8
7
6
5
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的 端面密封。如图3-1所示，当轴转动时，带动了弹簧座、 弹簧压板、动环等零件一起转动，由于弹簧力的作用使 动环紧紧压在静环上。轴旋转时，动环与轴一起旋转， 而静环则固定在座架上静止不动，这样动环与静环相接 触的环形密封面阻止了介质的泄漏。
4
zpofrp 2013-10-21 机械密封一般有四个密封处： A、动环与静环之间的密封——动密封 B、动环与轴或轴套之间的密封——相对静密封 C、静环与静环座之间的密封——静密封 D、静环座（压盖）与设备之间的密封——静密封
1
D
2 3 4
C
B
9 8 7
A
6 5
机械密封的主要 特点主是密封面 为垂直于旋转轴 线的端面。
1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9-紧定螺钉
5
zpofrp 2013-10-21 3.基本构件 （1）动环和静环
材料 较好的耐磨性，能有减摩作用（即f要小） 良好的导热性，把摩擦热及时传出 孔隙率小，结构紧密，以免介质在压力下有渗 透。 动、静环是一对摩擦副，它们的硬度各不相同。
一般动环的硬度比静环的硬度大。动环的材料可用 铸铁、硬质合金、高合金钢等，在有腐蚀介质的条 件下可用不锈钢或不锈钢表面（端面）堆焊硬质合 金、陶瓷等；静环的材料可用铸铁、磷青铜、巴氏 合金等，也常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。
6
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配对方法： 当介质粘度小，润滑性差时，采用金属配各种非金 属（因为大多数非金属材料都有自润
滑作用）；当 介质粘度较大时，采用金属与金属配对。 加工精度 由于摩擦副的端面要起密封作用，并且摩擦环要相 互滑动摩擦，故端面的加工精度影响着密封的效果 和使用寿命。因此，JB4127-85《机械密封技术条 件规定较高。
7
zpofrp 2013-10-21 （2）弹簧加荷装置 作用：产生压紧力，保持动、静环端而后紧密接触， 且是一个缓冲元件，可以补偿轴的跳动及加工误差而 引起的摩擦面不贴合。 再进一步，如果我们把弹簧施加到密封环带单位面积 上的压紧力称为弹簧比压ps，那么ps的作用有两点： ①起动停车或介质压力波动时，使密封面维持足够的 比压；②克服密封圈与轴的摩擦力，保持动环沿轴向 移动，以补偿端面的磨损。 因此有人把机械密封定义为：机械密封是一种带有缓 冲机构，并通过与旋转轴大体垂直并做相对转动的密 封端面进行密封的装置。 （3）辅助密封元件 型式：O形、V形、矩形等
8
zpofrp 2013-10-21 4.机械密封的优缺点：（与软填料密封比较） 优 点
① 密封可靠，在一个较长的使用期中，不会泄漏或很少 泄漏； ② 使用寿命长，正确选择摩擦副材料和比压的机械密封 可用2—5年，最长的达9年； ③ 维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修； ④ 摩擦功率消耗少； ⑤ 轴或轴套不受磨损； ⑥ 对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感； ⑦ 适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各 种转速以及各种腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封。
缺 点
① ② ③ ④
结构较复杂，对制造加工要求高； 安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水平； 发生偶然事故时，处理比较困难； 一次性投资高。
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表3-1机械密封与填料密封的比较
比较
泄漏量 摩擦功率损失 轴磨损 维护及寿命 高参数 加工及安装 对材料要求
软填料密封
180～450ml/h 机械密封为软填料密封的10～50％ 有磨损，用久后要更换 几乎无磨损
机械密封
一般为软填料密封的１％
要经常维护，更换填料，个别情况 寿命很长，很少需要维修 每班换一次 高压、高温、高真空、高转速、大 可以 直径密封不能解决 加苛求一般，填料更换方便 一般 动、静环表面粗糙度及平直度 要求高，不易加工，成本高， 装拆不便 动、静环要求较高
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二、结构类型
1、内流式和外流式（图3-2） 按介质泄漏方向分为内流式和外流式。 内流式：介质沿半径方向从端面外周向内泄者称为内流式。 外流式：介质沿半径方向从端面内周向外泄者称为外流式。 内流式的泄漏方向与离心力方向相反，离心力阻碍着流体的 泄漏，因而内流式泄漏比外
流式泄漏量小。于是，有固体颗 粒的情况尤其应该采用内流式。这样可防止固体颗粒进入摩 擦面。
11
zpofrp 2013-10-21 2、内装式和外装式（如图3-3） 按弹簧是否与介质接触分为内装式和外装式。 内装式是弹簧置于工作介质之内，外装式是弹簧置于工作介 质之外。
12
zpofrp 2013-10-21 外装式特点：一般来说大部分机械密封零件不与介质接触， 且暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外装式结 构的介质作用与弹簧力相反（指常用结构）。当介质压力有 波动或升高的情况下，弹簧力余量又不大时，会出现密封不 稳定的情况以致产生泄漏。当介质压力降低时，因弹簧力不 变，在摩擦面上受负荷增大，特别在低压起动时，摩擦副的 表面间尚未构成液膜，此时比压又是最大，容易擦伤端面。 内装式受力情况比较好，刚开车时介质压力较低，由不太大 的弹簧力即可对摩擦面构成初始的密封，此时因端面比压较 小，容易形成液膜。内装式端面比压随介质压力增在而增大， 因而增加了密封的可靠性。
一般情况下内装式的介质泄漏方向与离心力方向相反，泄漏情况较外装 式好。所以在介质无腐蚀以及不影响弹簧机能时，应尽可能采用内装式 结构。
13
zpofrp 2013-10-21 3、平衡型和非平衡型 主要按介质作用在端面的载荷程度分。 当不计摩擦副间反压力及密封圈摩擦力时，作用在端面上 的比压为：
Pc = Ps +
(d 2 − d b )
2 2
(d 2 − d 1 )
2 2
P = Ps + KP
式中：Pc—端面比压，是指作用于密封面环带的单位 面积上净剩的闭合力，它主要取决于密封结构型式和 介质压力。 P——介质压力 Pn——弹簧比压（弹簧施加到密封环带单位面积上的 压紧力）
14
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d 2 − db Ae =K= 2 2 A d 2 − d1
2 2
AP
A
其中：Ae——流体介质作用的有效载荷面积 A——接触面积（密封环带面积） K——载荷系数，动环的轴向受压面积与端面接触面积 之比。 d1、d2——密封环带内、外径 db——平衡直径（介质压力在补偿环辅助密封处的有效 作用直径） 减小动环的轴向受压面积，可将流体压力施加在摩擦副 端面上的载荷部分甚至全部卸除。这一方法称为卸荷。 因此K表示的是介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程 度。 根据d1、d2 和db的不同，K有不同的值。（图3-4）
15
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A
AP
A
K=0
K 1
AP A AP A
K 0
0 K 1
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K≥1非平衡型 ：介质作用于单位密封面上的轴向压力 大于或等于密封腔内介质压力，K=1.1～1.2 0
为推开力 令β=1-K，称β为平衡系数，它表示介质产生的比压在 摩擦副上的卸荷程度。 由前面Pc公式可知，β愈大，K愈小，由于介质引起的 端面比压愈小，虽然磨损很小，但不易保证密封；反 之β愈小，K愈大，端面磨损加剧并的热，甚至有咬坏 的危险，那密封就失效了。因此根据经验与试验，β不 宜超过0.5。
17
zpofrp 2013-10-21 4、旋转式与静止式
按弹簧的运转状态分为旋转式与静止式。 旋转式：即是弹簧装置及轴的结构简单，径向尺寸较小。高 转速情况下，弹簧及其它转动零件产生的离心力很大，动平 衡要求高，有的介质经强烈搅拌后易结晶，对于这种情况宜 采用静止式较适宜。
18
zpofrp 2013-10-21 4、单弹簧与多弹簧
单弹簧又称大弹簧，即是在密封装置中仅有一个弹簧与轴同 中心安装。 多弹簧又称小弹簧，即是在密封装置中有数个弹簧沿圆周均 匀分布。 一般说负荷较轻而且大量生产的密封采用单弹簧为佳，小量 生产且在严格的条件下使用时，则都采用多弹簧。
19
zpofrp 2013-10-21 4、单端面、双端面和多端面 按摩擦面对数分为单端面、 双端面和多端面。 单端面：指在密封机构中仅 有一对摩擦副。 双端面：指在密封机构中有 两对摩擦副，且两对摩擦副 处于相同封液压力下（图35）。 密封机构中有两对以上的摩 擦副且密封腔的压力逐渐降 低，根据摩擦副的对数分别 称为双端面、三端面和多端 面。
20
zpofrp 2013-10-21 从结构比较来看，单端面比双端面简单，在制造和装拆上较 容易，因而使用很普遍。双端面因要通入带液体（封液）至 密封腔内起“封堵”和润滑作用，就需另设一套装置。单端 面只适用于一般场合。双端面适用于强腐蚀、主温、带悬浮 颗粒及纤维的介质、气体介质、易燃易爆介质、易挥发粘度 低的介质、高真空、贵重物料及要求介质与空气隔绝且允许 内漏的情况。
21
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三、常用机械密封标准结构简介
1、泵用机械密封标准结构
2、釜用机械密封标准结构
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三、常用机械密封标准结构简介
1、泵用机械密封标准结构 1）103、109型机械密封 103和109型均为单端面、单弹簧、旋转式结构，靠并圈弹簧 及带耳环的推环传动，103为非平衡型，109为平衡型，通常 按内流内装式设计，为国内使用最为普遍的一种结构。
23
zpofrp 2013-10-21 2）104、110型机械密封 104为非平衡型，110为平衡型，也按内流骨装式设计， 与前两种不同之处在于它们是靠带耳环的传动套传动。
24
zpofrp 2013-10-21 3）105、111型机械密封 105型为非平衡型，111型为平衡型，与和第一种型式 比较，不同的是弹性元件为多个沿周向均
匀布置的小 弹簧，传动方式是靠传动螺钉，通常也按内流内装式 设计。
25
zpofrp 2013-10-21 4）114型机械密封 114型机械密封为单端面、单弹簧、非平衡结构，旋转 环是靠推环的拨叉带动耳环传动，按外流外装式设计， 主要用于化工腐蚀泵上。
26
zpofrp 2013-10-21 2、釜用机械密封标准结构 釜用机械密封标准（HG-、5-751-78至HG5-756-78） 列出了化工反应釜搅拌轴用机械密封六种型式共 108种规格，并规定了密封件的材料级别及主要技 术要求。
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第二节
密封特性与端面液膜承载能力
F X u v y
移动件
O
一、密封特性
1.轴承润滑理论 （1）两平行平板
贴近移动板的油层速度 贴近静止板的油层速度 各油层以不同速度 油层间剪应力
u=v u=0
∂u ∂y
成正比
静止件
u 移动
Y
τ
与速度梯度油层
F ∂u τ = = −η A ∂y
此式也称为牛顿粘性液摩擦定律 式中，A——移动板的面积 η——比例常数，即液体的粘度。
31
zpofrp 2013-10-21 （2）雷诺润滑方程式 两刚体被润滑油分隔开，移动件以速度v沿x方向滑动， 另一刚体静止不动。忽略压力对润滑油的影响，同时假 设：润滑油沿Z向没有流动；润滑油的流动是层流流动； 油与工作表面吸附牢固，表面油分子随工作表面一同运 动或静止；不计油的惯性和重力的影响，认为润滑油不 可压缩等等。 取微元体进行分析，根据X方向力的平衡，得：
pdydz − ( p +
整理后得：
∂p ∂x
dx )dydz + τdxdz − (τ +
∂τ ∂y
dy )dxdz = 0
∂p ∂τ =− ∂x ∂y
∂u (牛顿粘性 τ = −η ∂y 液摩擦定律)
∂p ∂ 2u =η 2 ∂x ∂y
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1 ∂p 2 u= y + C1 y + C 2 2η ∂x
积分后，已知：y=0时，u=v；y=h时，u=0，利用边界 条件，可得：
v 1 ∂p u = (h − y ) + ( y − h) y h 2η ∂x
再分析任何剖面沿x方向的单位宽度流量
qx = ∫
h
0
1 1 ∂p 3 udy = vh − h 2 12 µ ∂x
33
zpofrp 2013-10-21 如图3-11二平面间存在一定的斜楔。随着间隙减小，液压 增大，而斜楔的进出口处压差为零。故有一液压极大值， 对应该处的液膜厚度为h0，则流量
1 q x ' = ∫ udy = vh0 0 2
h
根据流量连续性定理qx=qx’，得
(h − h0 ) ∂p = 6 µv ∂x h3
称为一维的雷诺动压润滑方程。可发现油压的 变化与润滑油的粘度表面滑动速度和油膜厚度 的大小有关。
34
zpofrp 2013-10-21 2.机械密封的摩擦特性 工况参数G是液膜粘性力与液膜负荷的比值，它是表 示液膜形成的难易程度的无量纲特性值，它表示为：
G = µv b
w
式中： µ—密封流体粘度，Pa·s v—端面平均线速度，m/s w—端面承受的总载荷，N b—密封面的宽度，m G值越大，表示越容易形成
液膜，相应的液膜厚度也越 大。经实验测得，G与f之间的关系为：
f = φG = φ (
1 2
µvb
w
)
1 2
35
zpofrp 2013-10-21 参看图3-12，当G≥1×10-6时，系数Φ=常数， 两个密封面被液膜完全隔开，处于液体润滑状 态，密封面间有较厚的液膜（图3-13）；当 G=0.1~1×10-6时，Φ≠常数，液体处于边界润 滑或半液体润滑状态，而密封表面被一层具有 分层结构和润滑性能的边界膜分开。 对于一定的结构尺寸和材料组对的密封，Φ存 在着一个临界值Φc，如图3-14，Φ﹥Φc为密封 区，Φ﹤Φc为泄漏区。 对于机械密封，要想 做到绝对不泄漏是很困难的，只要泄漏量Q满 足工艺要求，将G控制在0.1~1×10-6的范围内。
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二、端面液膜压 力 包括液膜静压力和液膜动压力。 1 、液膜静压力——力图使端面开启的力
当密封间隙有较小泄漏时，密 封环内外径处存在压差，一端 是大气压，一端是介质端，这 个压差促使液体流动，另一方 面，液体流过缝隙时要受到密 封面的阻碍，压力将逐步降低。
db
d1 d2
d
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p
dr
中性粘度液体
pr
r2 r
db d1 d2 d
r1
设沿半径方向r处，dr的环面 积上液膜静压力为pr，当密封 液体压力为p ，作用于密封面 上的开启力为R ，则R为：
R = ∫ 2πrdrpr
r1
38
r2
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R = ∫ 2πrdrpr
r1
r2
p
由三角形相似： 代入上式积分：
R=
pr =
r − r1 p r2 − r1
dr
pr
r2 r r1
π
3
( r2 − r1 )( 2r2 + r1 ) p
（1）
2 2
再以pm代表端面上平均液膜静压力 ,则 R = π ( r2 − r1 ) pm （2）
2r2 + r1 p = λj p 由（1）和（2）得 pm = 3( r2 + r1 ) 2r2 + r1 称为液膜静力反压系数 其中 λ j = 3( r2 + r1 )
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2、液膜动压力
∂p ∂ 2v 奈维斯托克斯方程： ∂x = µ ∂y 2
与轴承润滑理论中的一维雷诺润滑方程推导方法相 同，可得出
( h − h0 ) ∂p = 6 µv h3 ∂x
∂p 为端面间流体沿运动方 向的压力增量，即液膜 动压力 ∂x
μ—粘度 v—流体沿运动方向流动的线速度 h—膜厚，即两端面间隙 h0—液膜压力出现最 大值处的膜厚
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结论：
( h − h0 ) ∂p = 6 µv ∂x h3
1）∂p/∂x∝v，当v=0时，∂p/∂x=0，说明动压力由流体 运动而产生； 2）∂p/∂x∝μ，流体粘度越大，产生的动压力也越大； 3）当h-h0﹥0时，∂p/∂x﹥0；h-h0﹤0时，∂p/∂x﹤0.说明 液膜沿x方向各处液压都大于入口和出口的液压（收敛 液膜），能产生压力支承外载； 4）液膜厚度h 越小，∂p/∂x越大，说明液膜越薄，承载 能力越高； 5）如果h=h0，∂p/∂x=0，表示两滑动表面平行，平行液 膜各处液压总是等于入口和出口的液压，因此不能产生 高于外面压力的液压以支承外载，也不会产生动压效应。
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第三节
机械密封设计计算
一、设计条件分析和结构选型 1、分析密封使用条件 （1）工作参数 压力、温度、转速、轴径 （2）介质特性 浓度、粘度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维 杂质、是否汽化或结晶 （3）主机工作性质与环境条件 连续或间隙操作
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2、主机对密封的要求 ① 密封性 ② 寿命 ③ 结构尺寸的限制 ④ 可靠性和稳定性 3、密封类型与材料的选择 4、密封系统的综合措施及加工、安装、维修、 经济效益等考虑 5、结构形式的选择
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1）工作压力：密封的工作压力是指密封腔处的 压力。当P介＞0.5~0.7MPa时，需采用部分平 衡型。由前面可知，K（载荷系数）表示介质 产生的比压加到摩擦副上的载荷程度，P介增 加，则K增加，据资料介绍，当P=0.5~0.7MPa 时，用部分平衡型就能保证密封(即K＜1) ,若 此时采用非平衡型，则K很大，介质产生的比 压加到摩擦副上的载荷程度也很大，从而密封 端面磨损，发热，密封失效。尤其是对于介质 粘度低，润滑性能差者，往往压力达 0.3~0.5MPa以上就应考虑选择部分平衡型；若 是超高压、高压，就应选双端面或多端面密封 使之逐级降压。
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2）温度超出120℃是高温。
3）圆周速度当V﹥30m/s时可选用静止型，即是 高速又是高压力时，可考虑用流体动压型机 械密封。 4）介质的腐蚀性及易燃易爆、结晶等性质:对于 腐蚀较弱，选内装式较好，因结构上端面受 力和泄漏方向比外装式合理，反之，选用外 装式。外装外流式介质压力不起自紧作用， 故适用于压力较低的情况（0.2~0.3MPa）
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二、端面比压Pc的计算
端面比压：指作用于密封端面环 带的单位面积上净剩的闭合力。
Fc′ pc = A
1、内流式单端面机械密封的端面比压计算
P PS P
Pm = λP
db
db
d1 d2
图3-15内流单端面机械密封结构简图及补偿环轴向力平衡
46
d
d2
d1
PC
zpofrp 2013-10-21 1)弹簧力 Fs
Fs = ps A = ps
π
4
2 (d 2 − d 12 ) （N）
ps
——弹簧比压，弹性元件
密封环带面积，（m2）
P PS
P
施加到密封环带单位面积 上的压紧力， Pa
A——
A=
db
π
4
2 (d 2 − d 12 )
其中，d2、d1分别为密封环带外径和内径，m
d2
d1
PC
47
zpofrp 2013-10-21
2）作用于端面的介质总压力Fp
Fp = p ⋅ Ae
式中
P PS
P
db
p ——介质压力（Pa）
Ae
Ae =
——介质压力作用于补偿环上的有效载荷面积，m2
π
4
(d 2 − d b )
2 2
其中db为平衡直径，即介质压力在补偿环辅助密封处 的有效作用直径，m Fs、Fp都是使端面趋于闭合的力。
48
d2
d1
PC
zpofrp 2013-10-21 3）端面液膜压力Fm 包括液膜静压力和动压力，它们都是力图使
端面开启的力。
Fm = R = λpA = (λ j + λd ) pA
其中λ为液膜反压系数。
P PS
P
db
4）补偿环辅助密封与相关元件表面的摩擦阻力Ft 其方向与补偿环轴向移动方向相反，补偿环向闭合方向移 动时，Ft为负值；反之则为正值。 Ft=ptA Pt是由摩擦阻力引起端面比压增大或减小的比压 因此端面所受净闭合力， c′ 为： F
49
d2
d1
PC
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Fc′ = Fs + F p − R ± Ft
则端面比压pc为：
P PS
P
db
Fc′ pc = = ps + kp − λp ± pt = ps + ( k内 − λ）p ± pt A
Ae d 2 − d b = 2 k内 = A d 2 − d12
2 2
d2
d1
PC
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zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 外流单端面机械密封的端面比压的计算
双端面机械密封的端面比压计算
51
zpofrp 2013-10-21 外流单端面机械密封的端面比压的计算 课堂小测验 (参考答案)
52
zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 (参考答案)
53
zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 (参考答案)
双端面机械密封的端面比压计算
54
zpofrp 2013-10-21 课堂小测验 (参考答案)
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zpofrp 2013-10-21
1.弹簧力 Fs
Fs = ps A
式中
=
ps
π
4
2 (d 2 − d 12 )
（N）
ps ——弹簧比压，弹性元件 施加到密封环带单位面积上的压 紧力， Pa A——密封环带面积，（m2）
A=
π
4
2 (d 2 − d 12 )
其中，d2、d1分别为密封环带外径和内径，m
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2.作用于端面的介质总压力
Fp
p
F p = p ⋅ Ae外 = 式中
π
4
2 (d b − d 12 )
(N)
p
——介质压力（Pa）
Ae外 ——介质压力作用于补偿环上的有效载荷面积，m2
Ae外
=
−
π
4
2 (d b − d 12 )
d——平衡直径，即介质压力在补偿环辅助密封圈 b
处的有效作用直径，m
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3.由介质产生的端面液膜压力 Fm 1 4.作用于端面的封液总压力 F p f
Fm 1 = λp ⋅ A
F p f = p f ⋅ Ae内
式中
pf
=
pf
π
4
2 2 (d 2 − d b )
(N)
——封液压力（Pa）
Ae内 ——封液压力作用于补偿环上的
有效载荷面积，m2
Ae内
=
π
4
2 2 (d 2 − d b )
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5.由封液产生的端面液膜压力
Fm 2 = λp f A
Fm 2
（N）
6.摩擦阻力 Ft
是补偿环辅助密封与相关元件表面的摩擦阻力，其方向与补 偿环轴向移动方向相反。补偿环向闭合方向移动时为负，反 之为正。
Ft = pt ⋅ A
（N）
pt ——由摩擦阻力引起端面比压增大或减小的值，Pa
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因此，端面所受净闭合力为：
Fc′ = Fs
-
Fp
-
Fm1
+
Fp f
-
Fm 2 ± Ft
-
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因此，端面所受净闭合力为：
Fc′ = Fs
= ps
π
4
-
Fp
2 2
2 1
Fm1
+
π
Fp f
-
Fm 2 ± Ft
(d − d ) -[- p
4
2 (d b − d 12 ) ]-
λp ⋅ A
pt ⋅ A
+ pf
π
4
2 2 (d 2 − d b ) -
λp f A ±
2 2 2 ′ d b − d 12 d2 − db Fc − λp + p f 2 − λ p f ± pt = ps + p 2 Pc = 2 2 d 2 − d1 d 2 − d1 A
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即
pc = ps + ( k
外 − λ ) p + ( k内 − λ ) p f ± pt
亦即
pc = ps + ( k内 − λ ) p f + ( k外 − λ ) p ± pt
式中
k内 =
d −d d −d
2 2 2 2
2 b 2 1
k外 =
d −d d −d
2 b 2 2
2 1 2 1
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第四节
冷却、冲洗与安装、使用
一、密封环端面发热 机械密封的摩擦副就是动环和静环，其端面贴紧 且一个静止，一个旋转，它们之间存在相对运动， 所以会产生摩擦和磨损，同时会伴有热量的产生。 前面已经讨论过，如果摩擦产生的热量越多，密 封的工作PV值就越大。当然摩擦热除与PV值有关 外，还与摩擦系数及端面面积有关。 假设端面比压是均布的，则摩擦热
Q = fPcVA
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热量的传递有三种方式：对流、间壁导热、辐射。 显然机械密封端面的摩擦热就是以这三种方式传递 出去的。如果密封环向周围散失的热量与产生的摩 擦热相平衡，则可得到一个稳定的温度值。 对于普通机械密封，泄漏量较小，它带走的热量可 以忽略，那么摩擦热主要是由轴导入动静环，再由 动静环传给周围介质，即：
Ql =
λA∆T
l
△T------环端面温度与周围介质温度差 l------温度降方向的壁厚，轴向为环厚h，径向为端面宽度b。 显然，λ越小，传出的热量就少，温升越高，PV值就越大； 反之，λ越大，传出的热量就多，温升越低，PV值就越小。 因此要选择导热系数大的材料。
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二、冷却、冲洗方法及系统设计 如果密封环材料的导热性差，介质温度又高，或 PV值比较高的情况下，端面间的大量热量不能及 时导出，必然引起端面温度急剧上升。其结果可 能造成端面间液膜汽化，恶化润滑条件，甚至完 全处于干摩擦状态，这不仅使磨损加剧，还会导 致密封环的热裂、变形等等。因此只是依靠选择 耐高温、导热性好的密封环材料或仅从结构上考 虑，都很难达到预期的效果。合理的方法就是强 化冷却，使端面摩擦热及时导出。 使端面冷却的方式主要有三种：
65
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1、端面直接冷却 (1)闭路自冲洗（图3-24，a） 将密封介质从系统中高于密封 腔压力处引出，通过接管引入 密封腔，对于密封介质的温度 高或含固体粒子的场合，可在 管路上设置冷却器或过滤器， 使进入密封腔内的介质净化并 降低温度。
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1、端面直接冷却 (2)反向自冲洗 将密封腔内的介质引入 主机低压侧，使介质通过密 封腔进行自循环而带走摩擦 热（图3-24，b），这种方法 适用于密封腔压力与主机工 作压力比较接近的场合。
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1、端面直接冷却 (3)贯通自冲洗 将介质从高压侧引出， 流经密封腔进行冲洗后流回 主机吸入侧（图3-24,c），这 种冲洗冷却效果
优于前两种。
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zpofrp 2013-10-21
1、端面直接冷却 (4)内冲洗 利用其它压力源将冲洗冷却液 注入密封腔内（图3-24，d）。 冲洗液应为低温、清洁液体， 并且少量内漏与密封介质相混 在工艺上必须是允许的，冲洗 液压力应比密封介质压力大 0.05~0.1Mpa。对于高温或含固 体颗粒的介质，效果较好。
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1、端面直接冷却 (5)局部循环冲洗 在密封腔内的一段轴上装上小型动力元件（图325），使密封腔内介质进行局部循环，或在旋转环 外周开槽同样能直到泵送作用。
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2、静环背部冷却
从静止环背部将清水、油等冷 却液直接引入密封环内表面的 一种冷却方法（图3-26），又 称为急冷法、外冲洗法。冷却 效果好，但冷却水硬度高时产 生的无机物水垢在轴上沉 积，会影响动环密封圈的浮动 性，可能会引起密封失效。
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3、间接冷却
冷却液不直接与密封面接触，其效果没有直接冷却效果好， 但对冷却液要求不高。常用
静环外周冷却（图3-27，b）夹套冷却（图3-27，a） 轴套冷却（图3-27，c）蛇管冷却（图3-28）
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三、机械密封的安装 1、安装前的准备及注意事项 ① 检查机械密封的型号、规格是否符合设计图 纸的要求，所有零件有无损伤、变形、裂纹 等现象，若有缺陷，必须更换或修复。 ② 检查机械密封各零件之配合尺寸、粗糙度、 平行度是否符合要求。 ③ 使用小弹簧机械密封时，须检查小弹簧的长 短和刚性是否相同。使用并圈弹簧时，须注 意旋向是否与轴的旋向一致，其判别方法是： 面向旋转环端面，视转轴为顺时针方向旋转 者用右旋弹簧；反之，用左旋弹簧。
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三、机械密封的安装 1、安装前的准备及注意事项 ④ 检查主机轴的窜动量、摆动量和挠度是否符 合技术要求。 ⑤ 安装过程中应保持清洁，特别是旋转环和静 止环密封面及辅助密封圈表面应无杂质、灰 尘。不允许用不清洁的布擦试密封面。 ⑥ 安装中不允许用工具敲打密封元件。
74
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三、机械密封的安装 2、安装顺序 ① 确定安装位置 ② 静止件的安装 ③ 旋转组件的安装。
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第五节
特殊工况下机械密封的设计要点
在石油、化工生产中，由于所处理的介质非常 复杂，介质的特性、温度、压力、轴径、轴的 转速等各有差别。因此，机械密封必须从结构、 材料以及附加装置等方面加以考虑，以适应各 种使用条件的要求，尤其在苛刻条件下工作的 机械密封，在设计时必须对这些问题提出相应 的解决措施。
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一、高温条件 当温度大
于120℃时，即认为是高温。 ① 高温介质不但不能带走端面摩擦热，还可 能对密封环起加热作用，使密封端面温度 过高，造成端面液膜汽化，出现干摩擦； 密封环还可能发生热变形和热裂。 ② 当高温超过一定限度时，浸树脂石墨中的 树脂碳化析出的硬粒划伤密封面；浸金属 石墨中的金属熔化渗出，使密封失效。 ③ 高温条件下的橡胶、塑料等辅助密封圈材 料易老化，分解变质。 ④ 在腐蚀性介质中，高温会加剧金属密封件 的腐蚀。
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要解决以上问题。一般是采取积极的冷却措施 和耐高温的材料。也可以从结构上采取措施， 如工作温度在250℃以上，可采用单弹簧金属波 纹管密封。
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二、低温条件
温度为0~-50℃时视为普冷机械密封，当 温度低于-50℃时视为深冷机械密封。 低温工作的介质多属液化气体，具有低沸点、 低粘度、高蒸汽压的特点。 这种情况下，一般材料都会发生冷脆现象； 辅助密封圈发生老化，失去弹性，影响密封 性能；密封装置若与大气接触，其低温使大 气的水蒸汽冻结在密封面上，加速摩擦副的 磨损；另外密封面上的液膜汽化现象对密封 特性也有重要影响。所以低温用机械密封需 要考虑以下几个方面的问题：
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二、低温条件
① 用金属密封圈或金属波纹管代替辅助密封圈，在超 低温条件下常采用不锈钢或铜合金来制作的金属波 纹管。这样能保持优异的弹性补偿和消除种种因素 引起的机械振动，使两密封面紧密贴合保持良好的 运动状态。 ② 防止波纹管疲劳，波纹管虽然有优异的弹性，但在 超低温时，其塑性也有一定的下降，硬度增大，疲 劳寿命降低。若把波纹管置于旋转运动中，则会加 速疲劳破坏。故在超低温下常采用静止式结构。 ③ 与大气隔绝。密封腔与大气隔绝能减少冷损，提高 泵的效率和抗蚀性能，防止摩擦面上产生水结冰， 加速端面的磨损。 ④ 选择导热性和低温性能好的材料，如石墨、青铜等。 ⑤ 防止液膜汽化，可采取急冷和冲洗液（均匀低温流 体）并用的措施。 81
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三、高压与真空
按照密封术语，压力在常压1MPa称作低压；大 于1~3MPa属于中压；超过3~15MPa称为高压。 高压可能使密封环产生力变形或破裂，真空 条件下，由于分子 降低，分子间摩擦力小， 与相同压差的正压相比，真空更易渗漏。 解决问题应从结构型式、材质、冷却与润滑 等方面作一合适的选择，选择的重点是密封 型式和材料。
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zpofrp 2013-10-21 ① 平衡系数β值的选择 端面比压是考核密封性能和耐磨性能的重要指标，选用 密封所允许的最小端面比压对
提高使用寿命有利，高 压下一般取较大的β值，多采用平衡型结构。 ② 多端面结构 当端面负荷达到15MPa以上时，仅依靠材料的选择及结 构型式，都会非常危险。这时可采用串联式多端面结 构，将前级密封的端面比压设计得小些，允许较大的 泄漏量，也可采用流体静压式或流体动压式结构，使 密封端面维持良好的润滑状态。 对于真空用机械密封尽可能造成液膜形成的条件，如采 用双端面结构加封液循环、外装单端面结构加油盒润 滑等强化润滑的措施。 ③ 高压条件下，密封环采用强度、刚度高的材料。
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zpofrp 2013-10-21 工作压力30MPa，转速2000rpm。
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四、高速
当线速度超过25m/s时称为高速机械密封。
高速条件下，由于PcV值大，摩 擦功率消耗以及相应产生的摩 擦热也大，易使端面温度升高， 造成液膜汽化出现干摩擦出现 干摩擦而加剧磨损。 高速还会引起转动零件的振动， 动平衡是一个主要解决的问题， 必须从加强冷却、改善润滑条 件、减少端面比压和宽度等方 面来解决。
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① 结构上的考虑：减少端面宽度b，摩 擦产生的热量降低；将弹簧及其加荷 装置设计成静止式的结构。
② 加强冷却与润滑，降低PcV值，减少 摩擦热，使端面液膜不汽化。
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五、腐蚀性介质条件
① 处于腐蚀性介质中的密封元件，不仅要注意每 一零件本身的耐蚀性，还应防止两种材料组合 一起时产生的电偶腐蚀。尤其是环端面受到磨 损和介质腐蚀的同时作用时要注意这些材料的 钝化耐磨性和钝态稳定性。 ② 在结构上我们可采用外装式结构，但辅助密封 弹簧却无法避免与介质接触。 ③ 所以辅助密封圈的材料要求除了弹性之外，还 需考虑材料对介质的耐腐蚀性和耐热性。 ④ 作为弹簧主要有以下几种方法解决：弹簧外装； 弹簧保护层；泄漏液隔离采用多端面结构等。
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zpofrp 2013-10-21 强腐蚀介质的密封结构实例
旋转环采用填充聚四氟 乙烯，静止环用氧化铝 陶瓷，弹簧用塑料软管 或涂层保护，这种结构 可用于盐酸(30％以上)、 硫酸(50％以上)、硝酸 (98％以上)．氢氧化钠 (10~40％)等大部分腐蚀 性介质。
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六、含有固体粒子条件
1．含有固体颗粒的介质容易出现： 杂质进入密封端面间，将会划伤密封面或破坏液膜的连续 性 杂质在补偿环密封圈处沉积会影响补偿环的浮动性 杂质沉积在弹簧上，将使弹簧失去作用 2．提高含固体粒子条件下机械密封的寿命方法 对降温结晶性介质，可采用保温或适当提高操作温度阻止 晶粒生成 采用开
式传动大弹簧结构，减少粒子沉积的影响 采用辅助密封，如成型填料、甩砂环等 密封环摩擦副选择高耐磨材料 冲洗措施 可采用自冲洗和内冲洗，多采用自冲洗，但由于内含固体 粒子，因此应附设净化装置，对杂质进行分离与过滤，如 小型旋流器、过滤器等。
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