機(jī)械密封常見結(jié)構(gòu)型式簡介
隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，流體機(jī)械和流體工程的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，高溫密封、紙溫密封、超低溫、強(qiáng)腐蝕、易燃、易爆、有毒、放射性介質(zhì)、高壓密封、高真空密封以及含各種雜質(zhì)等懸浮顆粒介質(zhì)的密封也都應(yīng)運(yùn)而生。保證密封的可靠性和使用壽命，是當(dāng)前密封研究、設(shè)計(jì)制造、使用等各方面最重要的課題之一。
密封的功能是阻止泄漏。起密封作用的零部件稱為密封件，簡稱為密封。較復(fù)雜的密封，尤其是帶有附屬系統(tǒng)的，則稱為密封裝置。
流體密封包括流體靜密封和流體動(dòng)密封。相對靜止結(jié)合面(即密封面)間的密封稱為靜密封;相對運(yùn)動(dòng)的結(jié)合面的密封稱為動(dòng)密封。對流體機(jī)械和流體工程而言，密封是不可缺少的零部件，在眾多機(jī)器設(shè)備中，雖然密封一般只占整個(gè)機(jī)器較小的比重，但往往直接決定了整臺(tái)甚至整套設(shè)備的安全性、可靠性和耐久性。從而成為評價(jià)諸多機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。尤其在石化等工業(yè)中，輸送、處理和儲(chǔ)存的流體許多是具有易燃、易爆、腐蝕和有毒類的介質(zhì)，一旦密封出現(xiàn)故障，甚至失效現(xiàn)象，后果是嚴(yán)重的，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量、污染環(huán)境，危及周圍人員的健康，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、人員傷亡甚至大面積、長時(shí)間的生態(tài)環(huán)境惡化，前蘇聯(lián)切爾諾利核電站核燃料泄漏而造成極為嚴(yán)重的事故，就是教訓(xùn)深刻的事例。
此外，對于核電站的循環(huán)泵，高壓聚乙烯中的高壓壓縮機(jī)，聚丙燃中的反應(yīng)釜等設(shè)備，其中的密封則屬于決定性的技術(shù)。
密封還直接關(guān)系到物質(zhì)和能源的節(jié)約。在全部能源消耗中各種動(dòng)力機(jī)械和流體機(jī)械所占的比重最大。而這些機(jī)械由于存在著內(nèi)漏和外漏，致使容積效率往往很低，其損失可達(dá)到總功率的10%以上，小型機(jī)器甚至出現(xiàn)40~50%的情況。某些密封裝置本身的摩擦功率消耗也不小。如活塞環(huán)的摩擦損失占整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的2/3。離心葉輪密封消耗的功率可能達(dá)到總的軸功率的1/3。至于改進(jìn)密封，杜絕跑、冒、滴、漏，減少物料損失。則是直接的效益。如煉油廠用的油泵使用填料密封時(shí)，每臺(tái)泵年漏油量約10m3，現(xiàn)推廣使用機(jī)械密封，年漏油量降至0.1m3以下，以1000臺(tái)泵計(jì)每年節(jié)油就近1000m3，若各類流體機(jī)械都采用恰當(dāng)或先進(jìn)的密封技術(shù)，在節(jié)約物質(zhì)和節(jié)約能源方面的效益將是十分可觀的。
在流體機(jī)械的運(yùn)行使用中，密封的保養(yǎng)和維修工作，占了相當(dāng)?shù)谋戎?，對石油化工業(yè)而言，密封故障是造成非計(jì)劃停車的主要原因，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%以上的非計(jì)劃停車事件都與密封故障有關(guān)。再以機(jī)泵為例，流體動(dòng)密封，流體動(dòng)密封的維修工作量幾乎要占總維修量的50%左右。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的故障，有一半以上也是密封故障或失效造成的。從這個(gè)意義上而言，可以說密封又是機(jī)器、設(shè)備最薄弱的環(huán)節(jié)之一。故此，先進(jìn)而可靠的密封技術(shù)也是自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)、文明生產(chǎn)所必需保證的重要環(huán)節(jié)。
一般的機(jī)械密封常采用旋轉(zhuǎn)式，因?yàn)檠a(bǔ)償機(jī)構(gòu)及軸的結(jié)構(gòu)簡單，徑向尺寸較小。但在高速條件下，補(bǔ)償環(huán)及其它轉(zhuǎn)動(dòng)零件產(chǎn)生的離心力影響較大，動(dòng)平衡要求高，采用靜止式較為合適。
從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，機(jī)械密封型式多種多樣，但按組成講，它主要有以下4個(gè)基本單元組成。
1、密封單元
即由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面，這是機(jī)械密封的核心。
2、緩沖補(bǔ)償單元
以彈簧為主要元件而組成的緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，它是維持機(jī)械密封正常工作的重要條件。
3、傳動(dòng)單元
由軸套、鍵或固定銷釘組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)環(huán)隨軸一起旋轉(zhuǎn)的可靠保證，也是實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封的前提條件。
4、輔助密封單元
由動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈等元件組成，它是解決密封端面之外的、有泄漏可能的部位之輔助性密封機(jī)構(gòu)，是機(jī)械密封不可缺少的組成要素。
為了適應(yīng)不同工作條件的需要，機(jī)械密封有多種不同的型式。
1、接觸式和非接觸式機(jī)械密封
接觸式機(jī)械端面密封是指密封面微凸體接觸的機(jī)械密封，密封面間隙h=0.5~1um。普通的機(jī)械 密封均屬接觸式機(jī)械密封。非接觸式機(jī)械端面密封是指密封面微凸體不接觸的機(jī)械密封，密封面間隙對于流體動(dòng)壓密封h>2um，對于流體靜壓密封h>5um。當(dāng)工作間隙發(fā)生變化時(shí)，其值超過密封面升舉點(diǎn)間隙(h>hc，接觸間隙)，密封面微凸體開始不接觸，接觸式機(jī)械密封就會(huì)變成非接觸式機(jī)械密封，同樣的h<hc時(shí)非接觸式機(jī)械密封也會(huì)變成接觸式機(jī)械密封。
接觸式機(jī)械密封的摩擦狀態(tài)是混合摩擦，也有邊界摩擦和干摩擦;非接觸式機(jī)械密封的摩擦狀態(tài)則是流體潤滑，也有彈性流體動(dòng)力潤滑。
普通的接觸式機(jī)械密封泄漏量小、結(jié)構(gòu)簡單，使用廣泛。一般來說，非接觸式機(jī)械密封泄漏量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多在高參數(shù)條件下使用或用作多級密封的前置密封。采用表面改形技術(shù)做成的可控間隙非接觸式機(jī)械密封，可以達(dá)到工藝流體零泄漏和零逸出。
此外，還有平衡比可以調(diào)節(jié)的半接觸式機(jī)械密封，根據(jù)要求可以由接觸式密封轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙佑|式密封或由非接觸式密封轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|式密封。
2、內(nèi)裝式和外裝式機(jī)械密封
靜環(huán)裝在壓蓋內(nèi)側(cè)的機(jī)械密封稱為內(nèi)裝式機(jī)械密封：靜環(huán)裝在壓蓋外側(cè)的機(jī)械密封稱為外裝式機(jī)械密封。
彈簧置于密封流體之內(nèi)的機(jī)械密封稱為內(nèi)置式機(jī)械密封;彈簧置于密封流體之外的機(jī)械密封稱為外置式機(jī)械密封。
內(nèi)裝(內(nèi)置)式機(jī)械密封的彈簧和動(dòng)環(huán)安裝在密封箱內(nèi)與介質(zhì)接觸，可以利用箱內(nèi)介質(zhì)壓力來密封。其優(yōu)點(diǎn)是：受力狀態(tài)好、泄漏量小(因泄漏方向與離心力方向相反)，冷卻與潤滑條件好，使用工作范圍廣。
外裝(外置)式機(jī)械密封的彈簧和動(dòng)環(huán)安裝在密封箱外不與介質(zhì)接觸，適用于強(qiáng)腐蝕、高粘度、易結(jié)晶介質(zhì)。因泄漏方向與離心力方向相同，泄漏量較大，其使用工作壓力較低(圖1-2b)。
3、非平衡式和平衡式機(jī)械密封
面積比B》1的機(jī)械密封稱為非平衡式機(jī)械密封;面積比B<1的機(jī)械密封稱為平衡式機(jī)械密封(圖1-2g、h)。
面積比等于密封流體作用的有效面積A2(內(nèi)裝式)或A1(外裝式)與密封面面積Af之比，即密封流體作用面積大于密封面面積的非平衡式機(jī)械密封，其密封端面上的作用力隨密封流體壓力升高而增大，因此只適用于低壓。而在平衡式機(jī)械密封中，其密封端茴上的作用力隨密封流體壓力變化較小，因此它適用于高壓。
4、單彈簧式和多彈簧式機(jī)械密封
只有一個(gè)集中大彈簧的機(jī)械密封稱為單彈簧式機(jī)械密封;有多個(gè)點(diǎn)布小彈簧的機(jī)械密封稱為多彈簧式機(jī)械密封(圖1-2i、j)。
單彈簧式機(jī)械密封的端面受力不均勻，而且高速下離心力使彈簧偏移或變形，彈簧力不易調(diào)節(jié)，軸向尺寸大，因此，它多用于小直徑(軸徑不大于80mm!1.5mm)、低速密封;多彈簧點(diǎn)布機(jī)械密封的端面受力均勻(可經(jīng)挑選后點(diǎn)布)，受離心力影響較小，彈簧力可通過改變彈簧個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)，因此，它可用于大直徑、高速機(jī)械密封。但在腐蝕性介質(zhì)和有固體顆粒介質(zhì)的場合下，小彈簧結(jié)構(gòu)會(huì)因易腐蝕和堵塞而失效。
5、內(nèi)流式和外流式機(jī)械密封
密封流體在密封端面間的泄漏方向與離心力方向相反的機(jī)械密封稱為內(nèi)流式機(jī)械密封;密封流體在密封端面間的泄漏方向與離心力方向相同的機(jī)械密封稱為外流式機(jī)械密封(圖1-2c及1-2d)。
由于內(nèi)流式密封中離心力不僅能阻止泄漏流體，而且還可以防止固體顆粒進(jìn)入密封面間，故其泄漏量要比外流式小些。通常內(nèi)流式機(jī)械密封適用于高壓，而外流式機(jī)械密封的最高壓力為1~2MPa。
6、彈簧旋轉(zhuǎn)式和彈簧靜止式機(jī)械密封
彈性元件隨軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械密封稱為彈簧旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封;彈性元件不隨軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械密封稱為彈簧靜止式機(jī)械密封(圖1-2e、f)。
由于彈簧旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封的彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)件受離心力影響，所以不適用于高速密封，但由于結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺寸小，常用于一般機(jī)械密封。由于彈簧靜止式機(jī)械密封的彈簧不受離心力影響，常用于高速機(jī)械密封。
7、單密封、雙密封及多密封
只有一對端面摩擦副的密封為單密封(圖1-2a~j);由兩對端面摩擦副組成的密封為雙密封(圖1-2k~l);由兩對以上端面摩擦副組成的密封為多端面機(jī)械密封(圖1-2m)。
單密封結(jié)構(gòu)簡單，最常用。在單端面機(jī)械密封不能滿足要求時(shí)，則可采用雙密封或多密封。
雙密封有軸向雙端面機(jī)械密封和徑向雙端面機(jī)械密封(圖2-2n)，后者結(jié)構(gòu)布置較前者緊湊。軸向雙端面機(jī)械密封有背對背或面對面布置的結(jié)構(gòu)(圖1-2k、l)。此外，還有串聯(lián)布置的雙密封(圖1-2o)。
雙密封的特點(diǎn)是兩個(gè)端面摩擦副之問可充滿中間流體一阻塞流體(俗稱封氣、封油、封水、封液)或緩沖流體。當(dāng)中間阻塞流體壓力大于被密封流體壓力( 通常大0.05~0.15MPa)和大氣壓力時(shí)，雙密封用作阻塞密封;當(dāng)中間緩沖流體壓力低于被密封流體壓力但高于大氣壓力時(shí)，雙密封用作串聯(lián)密封。
中間環(huán)密封屬于多端面密封。旋轉(zhuǎn)的中間環(huán)密封，可用于高速下降低!" 值;不轉(zhuǎn)的中間環(huán)密封，用于高壓和(或)高溫下減少力變形和(或)熱變形。具有中間環(huán)的螺旋槽面密封可用作雙向密封。
此外，還有推環(huán)(彈簧加載推環(huán))式機(jī)械密封( 圖1-2a~o)和波紋管密封( 圖1-2p)。