內嚙合高粘度泵雙端面機械密封

雙端面機械密封原理與單端面機械密封基本相同，都是靠垂直于旋轉軸線的端面（摩擦副）在流體壓力和補償機構彈力的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。

高粘度泵雙端面機械密封原理

雙端面機械密封結構如工作時，由流體壓力（介質壓力）和彈性元件的彈力等引起的合力作用下，在密封環的端面上產生一個適當的比壓（壓緊力），使兩個接觸端面（動環、靜環端面）相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達到密封的目的。

高粘度泵雙端面機械密封特征

雙端面機械密封有兩道端面密封，若一級密封失效，二級密封仍然可密封，防止泄露。一般雙端面密封都需要外供密封液系統，向密封腔內引入封液進行堵封、潤滑和冷卻，且多為循環冷卻使用。密封液不僅可以沖洗摩擦副機械密封工作環境，還可以作為一級密封面是否失效的重要檢測手段。

a.不銹鋼化工泵按密封端面的對數分類  分為單端面、雙端面和多端面機械密封。由一對密封端面組成的為單端面機械密封(圖5—2 7).由兩對密封端面組成的為雙端面機械密封(圖5-28)，由兩對以上密封端面組成的為多端面機械密封。

    耐腐蝕化工泵單端面密封結構簡單，制造、安裝容易，應用廣，適合于一般液體場合，如油品等，與其他輔助裝置合用時，可用于帶懸浮顆粒、高溫、高壓液體等場合。但當介質有毒、易燃、易爆以及對泄漏量有嚴格要求時，不宜使用。

雙端面密封適用于腐蝕、高溫、液化氣帶固體顆粒及纖維、潤滑性能差的介質，以及有毒、易燃、易爆、易揮發、易結晶和貴重的介質。雙端面密封有軸向雙端面密封[圖5-28(a)、(b)]、徑向雙端面密封[圖5-28(c)]和帶中間環的雙端面密封[圖5-28(d)]。沿徑向布置的雙端面密封結構較軸向雙端面密封緊湊。帶中間環的雙端面密封，一個中間密封環被一個動環和一個靜環所夾持。旋轉的中間環密封，可用于高速下降低夕穢值；不轉的中間環密封，用于高壓和(或)高溫下減少力變形和(或)熱變形。具有中間環的螺旋槽面密封可用作雙向密封。 

    不銹鋼泵軸向雙端面密封有背靠背[圖5-28(a)]和面對面[圖5-28(b)]布置的結構。這種密封工作時如在兩對端面間引入高于介質壓力0.05～0.1 5 MPa的封液，以端面間的潤滑及冷卻條件，并把被密封介質與外界隔離，有可能實現介質“零泄漏”。

    b. 化工泵按密封流體所處的壓力狀態分類  分為單級密封、雙級密封和多級密封。使密封流體處于一種壓力狀態為單級密封(圖5-2 7)；處于兩種壓力狀態為雙級密封(圖5-29)。前者與單端面機械密封相同，后者兩級密封串聯布置，密封流體壓力依次遞減，可用于高壓工況。如流體壓力很高，可以將多級密封串聯，成為多級機械密封。

圖5-29

  圖5-29  雙級串聯機械密封

    c.按離心泵密封流體作用在密封端面上的壓力是卸荷或不卸荷分類  分為平衡式機械密封和非平衡式機械密封。平衡式機械密封又可分為部分平衡式(部分卸荷)和過平衡式(全部卸荷)。如圖5—3 0所示，密封流體作用于單位密封面上軸向壓力大于或等于密封腔內流體壓力時，稱非平衡式；流體作用于單位密封面上的軸向壓力小于密封腔內流體壓力時稱部分平衡式；若流體對密封面無軸向壓力或為推開力則稱為過平衡式。通常用平衡系數p來表示。

β=Ae/A=d22-db2/ d22-d12

  式中  A—密封環帶面積，指較窄的那個密封端面外徑d2與內徑dl之間環形區域的面

積，

A=π(d22-d12)/4

Ae—密封流體壓力作用在補償環上，使之對于非補償環趨于閉合的有效作用面

積，

Ae= π(d22-db2)/4

π—平衡直徑，指密封流體壓力作用在補償環輔助密封圈處的軸(或軸套)的直徑。

圖5-30

  圖5-30非平衡式和平衡式機械密封

    非平衡式機械密封胗1；部分平衡式機械密封0<5<1；過平衡式機械密封艇0。非平衡式機械密封，其密封端面上的作用力隨密封流體壓力升高而增大，因此只適用于低壓密封，對于一般液體可用于密封壓力≤0.7 MPa；對于潤滑性差及腐蝕性液體可用于壓力≤0.3～0.5MPa。而平衡式機械密封能部分或全部平衡流體壓力對端面的作用，其密封端面上的作用力隨密封流體壓力變化較小，能降低端面上的摩擦和磨損，減小摩擦熱，承載能力大，因此它適用于壓力較高的場合，對于一般液體可用于0.7～4.0 MPa，甚到可訣10 MPa；對于潤滑性較差、黏度低、密度小于6 00 kg／ma的液體(如液化氣)，可用于液體壓力較高的場合。

    d.按靜環與密封端蓋(或相當于端蓋的零件)的相對位置分類  靜環裝于密封端蓋(或相當于端蓋的零件)內側(即面向主機工作腔的一側)的機械密封稱為內裝式機械密封[圖5-3 1(a)]；靜環裝于密封端蓋(或相當于端蓋的零件)外側(即背向主機工作腔的一側)的機械密封稱為外裝式機械密封[圖5-31(b)]。

圖5-31

(a)內裝式                                           (b)外裝式

    圖5—31  內裝式和外裝式機械密封

    e.按彈簧是否置于密封流體之內分類  彈簧置于密封流體之內的機械密封稱為彈簧內置式機械密封[圖5-31(a)二：彈簧置于密封流體之外的機械密封稱為彈簧外置式機械密封[圖5-31(b)]。

    內裝(或內置)式機械密封可以利用密封腔內流體壓力來密封，機械密封的元件均處于密封流體中，密封端面的受力狀態以及冷卻和潤滑條件好，是常用的結構形式。外裝(或外置)式機械密封的大部分零件不與密封流體接觸，暴露在設備外，便于觀察及維修安裝。但是，由于外裝(或外置)式結構的密封流體作用力與彈性元件的彈力方向相反，當流體壓力有波動，而彈簧補償量又不大時，會導致密封環不穩定甚到嚴重泄漏。外裝(或外置)式機械密封僅用于強腐蝕、高黏度和易結晶介質以及介質壓力較低的場合。

    f.按補償機構中彈簧的個數分類  分為單彈簧式機械密封和多彈簧式機械密封。補償機構中只有一個彈簧的機械密封稱為單彈簧式機械密封或大彈簧式機械密封(圖5-27)；補償機構中含有多個彈簧的機械密封稱為多彈簧式機械密封或小彈簧式機械密封(圖5-32)。單彈簧式機械密封端面上的彈簧壓力，尤其在軸徑較大時分布不均，而且高速下離心力使彈簧偏移或變形，彈簧力不易調節，一種軸徑需用一種規格彈簧，彈簧規格多，軸向尺寸大，徑向尺寸小，安裝維修簡單，因此，它多用于較小軸徑(不大于80～150mm)、低速密封；多彈簧式機械密封的彈簧壓力分布則相對較均勻?受離心力影響較小，彈簧力可通過改變彈簧個數來調節，不同軸徑可用數量不同的小彈簧，使彈簧規格減少，軸向尺寸小，徑向尺寸大，安裝繁瑣，適用于大軸徑高速密封。但多彈簧的彈簧絲徑細，在腐蝕性介質或有固體顆粒介質的場合下，易因腐蝕和堵塞而失效。

    g.按補償環是否隨軸旋轉分類  分為旋轉式機械密封和靜止式機械密封。補償環隨軸旋轉的稱為旋轉式機械密封(圖5-2 7)；補償環不隨軸旋轉的稱為靜止式機械密封(圖5-33)。

    由于靜止式機械密封的彈性元件不受離心力影響，常用于高速機械密封。旋轉式機械密封的彈性元件裝置簡單，徑向尺寸小，常用于一般機械密封，但不宜用于高速。因高速情況下轉動件的不平衡質量易引起振動和介質被強烈攪動。因此，線速度大于3 0m／s時，宜采用靜止式機械密封。

    h.按密封流體在密封端面間的泄漏方向是否與離心力方向一致分類  分為內流式機械密封和外流式機械密封。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械密封稱為內流式機械密封；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械密封稱為外流式機械密封。圖5-3圖5-32 5-33

1(a)所示的機械密封為內流式，圖5-31(b)所示的機械密封為外流式。

    由于內流式密封中離心力阻止泄漏流體，其泄漏量要比外流式小些。內流式機械密封應用較廣，多用于內裝式密封，密封可靠，適用于高壓。當轉速極高時，為加強端面潤滑采用外流式機械密封較合適，但介質壓力不宜過高，高壓力為1～2 MPa。

    i.按補償環上離密封端面遠的背面是處于高壓側或低壓側分類  分為背面高壓式械密封和背面低壓式機械密封。補償環上離密封端面遠的背面處于高壓側的機械密封稱為背面高壓式機械密封；補償環上離密封端面遠的背面處于低壓側的機械密封稱為背面低壓式機械密封。圖5-27、圖5-31(a)、圖5-32所示的機械密封均為背面高壓式機械密封，圖5-31(b)、圖5-33所示的機械密封均為背面低壓式機械密封。背面高壓式機械密封是常用結構，而背面低壓式機械密封的彈性元件一般都置于低壓側，可避免接觸高壓側密封流體，而高壓側密封流體往往是被密封介質，這種結構解決了彈簧受介質腐蝕的問題。因此，強腐蝕機械密封常采用背面低壓式。

    j.按密封端面是否直接接觸分類  分為接觸式機械密封和非接觸式機械密封。接觸式機械密封是指靠彈性元件的彈力和密封流體的壓力使密封端面緊密貼合，即密封面微凸體接觸的機械密封；非接觸式機械密封是指靠流體靜壓或動壓作用，在密封端面間充滿一層完整的流體膜，迫使密封端面彼此分離不存在硬性固相接觸的機械密封。非接觸式機械密封又分為流體靜壓式和流體動壓式兩類。流體靜壓式機械密封，是指密封端面設計成特殊的幾何形狀，應用外部引入的壓力流體或被密封介質本身通過密封界面的壓力降，產生流體靜壓效應的密封(圖5-3 4)；流體動壓式機械密封，是指密封端面設計成特殊的幾何形狀，利用端面相對旋轉，自行產生流體動壓效應的密封，如螺旋槽端面機械密封(圖5-35)。

圖5-34

圖5-34  流體靜壓式機械密封    圖5-35  流體動壓式機械密封

    接觸式機械密封的密封面間隙h=0.5-1／μm，摩擦狀態一般為混合摩擦和邊界摩擦；非接觸式機械密封的密封面間隙，對于流體動壓密封元>2／μm，對于流體靜壓密封元>

5／μm，摩擦狀態為流體摩擦，也有彈性流體動力潤滑。

    普通機械密封大都是接觸式密封，密封結構簡單、泄漏量小，使用廣泛，但磨損、功耗、發熱量都較大，在高速、高壓下使用受一定限制。一般來說，非接觸式機械密封泄漏量較大、結構復雜，但發熱量、功耗小，正常工作時沒有磨損，大多在高壓、高速等苛刻工況下使用或作多級密封的前置密封c采用表面改形技術做成的可控間隙非接觸式機械密封，可以達到工藝流體零泄漏和零逸出：

    k.波紋管型機械密封按波紋管材料不同分類  分為金屬波紋管型機械密封、聚四氟乙烯波紋管型機械密封和橡膠波紋管型機械密封。波紋管是指在補償環組件中能在外力或自身彈力作用下伸縮并起補償環輔助密封作用的波紋狀管形彈性零件。波紋管型機械密封在軸上沒有相對滑動，對軸無磨損.追隨性好，適用范圍廣。追隨性是指當機械密封存在跳動、振動和轉軸的竄動時，補償環對于非補償環保持貼合的性能。

圖5-36

  圖5-36  波紋管型機械密封

    1-動環；2-靜環

    金屬波紋管又可分為液壓成型金屬波紋管和焊接金屬波紋管[圖5—3 6(a)、(b)]。金屬波紋管本身能代替彈性元件，耐蝕性好，可在高、低溫下使用。聚四氟乙烯波紋管型機械密封[圖5-3 6(c)]由于聚四氟乙烯耐腐蝕性好，可用于各種腐蝕介質中。橡膠波紋管型機械密封[圖5-3 6(d)]結構簡單緊湊，安裝方便且價格便宜，適用于工作壓力不大于1.5 MPa、溫度不大于100℃的低參數條件。