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密封基础知识

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

1.1泄露泄露是机械设备常产生的故障之一。造成泄露的原因主要有两方面：一是由于机械加工的结果，机械产品的表面必然存在各种缺陷和形状及尺寸偏差，因此，在机械零件联接处不可避免地会产生间隙；二是密封两侧存在压力差，工作介质就会通过间隙而泄露。减小或消除间隙是阻止泄露的主要途径。密封的作用就是将接合面间的间隙封住，隔离或切断泄露通道，增加泄露通道中的阻力，或者在通道中加设小型做功元件，对泄露物造成压力，与引起泄露的压差部分抵消或完全平衡，以阻止泄露。对于真空系统的密封，除上述密封介质直接通过密封面泄露外，还要考虑下面两种泄露形式：渗漏：即在压力差作用下，被密封的介质通过密封件材料的毛细管的泄露称为渗漏；扩散：即在浓度差作用下，被密封的介质通过密封间隙或密封材料的毛细管产生的物质传递成为扩散。1.2 密封的分类密封可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。静密封主要有点密封，胶密封和接触密封三大类。根据工作压力，静密封由可分为中低压静密封和高压静密封。中低压静密封常用材质较软，垫片较宽的垫密封，高压静密封则用材料较硬，接触宽度很窄的金属垫片。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。一般说来，接触式密封的密封性好，但受摩擦磨损限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。1.3 密封的选型对密封的基本要求是密封性好，安全可靠，寿命长，并应力求结构紧凑，系统简单，制造维修方便，成本低廉。大多数密封件是易损件，应保证互换性，实现标准化，系列化。1.4 密封材料1.4.1 密封材料的种类及用途密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，以及设备的工作条件不同，要求密封材料的具有不同的适应性。对密封材料的要求一般是：1） 材料致密性好，不易泄露介质；2） 有适当的机械强度和硬度；3） 压缩性和回弹性好，永久变形小；4） 高温下不软化，不分解，低温下不硬化，不脆裂；5） 抗腐蚀性能好，在酸，碱，油等介质中能长期工作，其体积和硬度变化小，且不粘附在金属表面上；6） 摩擦系数小，耐磨性好；7） 具有与密封面结合的柔软性；8） 耐老化性好，经久耐用；9） 加工制造方便，价格便宜，取材容易。橡胶是最常用的密封材料。除橡胶外，适合于做密封材料的还有石墨等，聚四氟乙烯以及各种密封胶等。1.4.2 通用的橡胶密封制品材料通用的橡胶密封制品在国防，化工，煤炭，石油，冶金，交通运输和机械制造工业等方面的应用越来越广泛，已成为各种行业中的基础件和配件。橡胶密封制品常用材料如下。1.4.2.1 丁腈橡胶丁腈橡胶具有优良的耐燃料油及芳香溶剂等性能，但不耐酮，酯和氯化氢等介质，因此耐油密封制品以及采用丁腈橡胶为主。1.4.2.2氯丁橡胶氯丁橡胶具有良好的耐油和耐溶剂性能。它有较好的耐齿轮油和变压器油性能，但不耐芳香族油。氯丁橡胶还具有优良的耐天候老化和臭氧老化性能。氯丁橡胶的交联断裂温度在200℃以上，通常用氯丁橡胶制作门窗密封条。氯丁橡胶对于无机酸也具有良好的耐腐蚀性。此外，由于氯丁橡胶还具有良好的挠曲性和不透气性，可制成膜片和真空用的密封制品。1.4.2.3 天然橡胶天然橡胶与多数合成橡胶相比，具有良好的综合力学性能，耐寒性，较高的回弹性及耐磨性。天然橡胶不耐矿物油，但在植物油和醇类中较稳定。在以正丁醇与精制蓖麻油混合液体组成的制动液的液压制动系统中作为密封件的胶碗，胶圈均用天然橡胶制造，一般密封胶也常用天然橡胶制造。1.4.2.4 氟橡胶氟橡胶具有突出的耐热（200～250℃），耐油性能，可用于制造气缸套密封圈，胶碗和旋转唇形密封圈，能显著地提高使用时间。1.4.2.5 硅橡胶硅橡胶具有突出的耐高低温，耐臭氧及耐天候老化性能，在-70～260℃的工作温度范围内能保持其特有的使用弹性及耐臭氧，耐天候等优点，适宜制作热机构中所需的密封垫，如强光源灯罩密封衬圈，阀垫等。由于硅橡胶不耐油，机械强度低，价格昂贵，因此不宜制作耐油密封制品。1.4.2.6 三元乙丙橡胶三元乙丙橡胶的主链是不含双键的完全饱和的直链型结构，其侧链上有二烯泾，这样就可用硫磺硫化。三元乙丙橡胶具有优良的耐老化性，耐臭氧性，耐候性，耐热性（可在120℃环境中长期使用），耐化学性（如醇，酸，强碱，氧化剂），但不耐脂肪族和芳香族类溶剂侵蚀。三元乙丙橡胶在橡胶中密度是最低的有高填充的特性，但缺乏自粘性和互粘性。此外，三元乙丙橡胶有突出的耐蒸汽性能，可制作耐蒸汽膜片等密封制品。三元乙丙橡胶已广泛用于洗衣机，电视机中的配件和门窗密封制品，或多种复合体剖面的胶条生产中。1.4.2.7 聚氨脂橡胶聚氨脂橡胶具有优异的乃磨性和良好的不透气性，使用温度范围一般为-20～80℃。此外，还具有中等耐油，耐氧及耐臭氧老化特性，但不耐酸碱、水、蒸汽和酮类等。适于制造各种橡胶密封制品，如油封、O形圈和隔膜等。1.4.2.8 氯醚橡胶氯醚橡胶兼有丁腈橡胶，氯丁橡胶，丙烯酸酯橡胶的优点，其耐油、耐热、耐臭氧、耐燃、耐碱、耐水及耐有机溶剂性能都很好，并有良好的工艺性能，其耐寒性较差。在使用温度不太低的情况下，氯醚橡胶仍是制造油封，各种密封圈，垫片，隔膜和防尘罩等密封制品的良好材料。1.4.2.9 丙烯酸酯橡胶丙烯酸酯橡胶具有耐热油（矿物油，润滑油和燃料油），特别是在高温下的耐油稳定性能，一般可达175℃，间隙使用或短时间可耐温200℃。它的缺点是耐寒性差。因此在非寒冷地区适合制作耐高温油的油封，但不适合作高温下受拉伸或压缩应力的密封制品。 2、垫密封垫密封广泛应用于管道，压力容器以及各种壳体的结合面的静密封中。垫密封有非金属密封垫，非金属与金属组合密封垫和金属密封垫三大类。其常用材料有橡胶，皮革，石棉，软木，聚四氟乙烯，钢，铁，铜和不锈钢等。垫密封的泄露有三种形式：界面泄露，渗透泄露和破坏性泄露。其中以前二者为主要形式。 3.1 概述密封材料的功能是填充构形复杂且不利施工的间隙，以起密封作用。密封材料主要有三种类型：1） 硫化型的橡胶垫片或密封圈；2） 非硫化型的密封胶带；3） 无固定形状的膏状或腻子状的液体密封胶。3.2 密封胶的分类密封胶的品种及类型很多。为了满足同一使用要求，可以使用几种不同基料的密封胶；而同一种基料又能制造出不同性能和不同的用途的密封胶。从密封胶的制造者和使用者两方面考虑，密封胶有多种分类方法。一般可按下述四种方法进行分类。3.2.1 按密封胶基料分类3.2.1.1 橡胶型此类密封胶以橡胶为基料。常用橡胶有聚硫橡胶，硅橡胶，聚氨酯橡胶，氯丁橡胶和丁基橡胶等。3.2.1.2 树脂型此类密封胶以树脂为基料。常用树脂有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚氯乙烯树脂等。3.2.1.3 油基型此类密封胶以油料为基料。常用的油类有各种植物油如亚麻油，蓖麻油和桐油，以及动物油（如鱼油）等。3.2.2 按密封胶硫化方法分类此类密封胶系列利用空气中的水分进行硫化。它主要包括单组分的聚氨酯、硅橡胶和聚硫橡胶等。其聚合物基料中含有活性基因，能同空气中的水发生反应，形成交联键，使密封胶硫化成网状结构。大气中的湿气作为硫化反应中的催化剂。3.2.2.2 化学硫化型密封胶双组分的聚氨酯、硅橡胶、聚硫橡胶、氯丁橡胶和环氧树脂密封胶都属于这一类，一般在室温条件下完成硫化。某些单组分的氯磺化聚乙烯和氯丁橡胶密封胶以及聚氯乙烯溶胶糊状密封胶（如汽车用点焊胶），则须在加条件下经化学反应完成硫化。3.2.2.3 热转变型密封胶用增塑剂分散的聚氯乙烯树脂和含有沥青的橡胶并用的密封胶是两个不同类型的热转变体系 。乙烯基树脂增塑体在室温下是液态悬浮体，通过加热转化为固体而硬化；而橡胶沥青并用密封胶则为热熔性的。3.2.2.4 氧化硬化型密封胶表面干燥的嵌缝或安装玻璃用密封胶属这种类型，主要以干性和半干性植物油为基材。着中类油料可以是精制聚合的、吹制的或化学改性的。用环烷酸钴作催干剂加速表面干燥而内部不硬化；环烷酸铅可使表面和内部都硬化；而环烷酸锰使内部硬化更有效。3.2.2.5 溶剂挥发凝固型密封胶这是以溶剂挥发后无粘性高聚物为基料的密封胶。这一类密封胶主要有丁基相交、高分子量聚异丁烯、一定聚合程度的丙烯酸酯、氯磺化聚乙烯以及氯丁橡胶等密封胶。3.2.2.6 不干性能够永久塑性密封胶这类密封胶通常包括以聚丁烯、中等分子量的聚异丁烯、高粘度的非氧化性粘接料如苯乙烯基油、不干性植物油、吹制半干性油或丁基橡胶为基料的密封胶。3.2.3 按密封胶形态分类3.2.3.1 膏状密封胶这类密封胶属低级别密封胶，通常采用3种主要材料：油和树脂；聚丁烯；沥青。常用于密封小窗户的固定玻璃，其接缝移动变形量最大为 +5%或-5%，使用有效期一般为2年。3.2.3.2 液态弹性体密封胶这类密封胶包括经硫化可形成弹性状态的液态聚合物。他们具有承受重复的接缝变形能力。液态弹性体密封胶使用寿命一般为15～20年。这类密封胶具有高的粘接力和剪切强度，室温下具有良好的柔软性。其缺点为价格高，通常情况下需要底胶，双组分密封胶现场混合不方便，硫化时对温度和湿度敏感等。3.2.3.3 热熔密封胶热熔密封胶又称为热施工型密封胶，是指以弹性体同热塑性树脂掺合物为基料的密封胶。热熔密封胶可配制成性能接近于液体弹性密封胶，但它比液体弹性体密封胶优越的是不需要加入硫化剂。3.2.3.4 液体密封胶这类密封胶主要用于机械结合面的密封，以代替固体密封材料（纸片、石棉、软木和硫化橡胶），以防止机械内部流体从结合面泄露，所以液体密封胶又称为液体垫圈。3.2.4 按密封胶施工后性能分类3.2.4.1 固化型密封胶这类密封胶又可分为刚性和柔性两类。刚性密封胶硫化或凝固后形成的固体，很少具有弹性；柔性密封胶在硫化后具有弹性及柔软性。刚性密封胶的特点是不能弯曲，通常接缝不可移动。柔性密封胶经硫化后保持柔软性。3.2.4.2 非固化型密封胶这类密封胶是软质凝固性的密封胶，施工后仍保持不干性（增粘剂不断地迁移到表面）状态。这种胶通常为膏状，可用刮刀或刷子施用到接缝中，可以配合出不同粘度和不同性能的密封胶使用。3.3常用密封胶的种类在前面密封胶的分类中列举了多种方法，其中应用最广泛的是将密封胶分为硫化型和非硫化型两大类。在硫化型密封胶中应用最广泛的是室温硫化型，加温硫化型用的较少。非硫化型密封胶有液体密封胶和腻子。此外，在加上常用的厌氧胶。3.4 液体密封胶的选用和施工工艺密封胶的选用，应根据使用条件、密封件的材料和密封面状态、密封介质的种类和特性以及涂敷工艺等要求综合考虑。一般情况下当受力较大，且受冲击力及交变力时，应选用强度较高的密封胶；当变温差很大时，应选用韧性好的密封胶。3.4.1 液体密封胶的施工方法液体密封胶的施工方法可根据胶的状态选用。膏状密封可用刮刀刮涂或注射枪注射施工；液体密封胶采用的刷子刷涂或喷涂施工；膜状密封胶用铺贴方法施工。3.5 国产密封胶3.5.1 室温硫化聚硫橡胶密封胶为多组分材料，室温硫化成弹性体，为干性粘着型密封胶，常用的有XM系列密封胶。3.5.2 室温硫化硅橡胶密封胶硅橡胶密封胶的有多种特殊性能，如耐高温、耐低温性能，良好的电绝缘性能。3.5.3 厌氧胶3.5.4其他硫化型密封胶3.5.5非硫化型密封胶非硫化型密封胶大部分为不干性和半干性，其中呈腻子状的又称非硫化型腻子。这类胶对温度敏感性小，在使用温度范围内密封胶不变形，不开裂，不结皮，而且长期储存性好，但力学性能低，适用于可拆卸部位或紧固联接接合面密封、沟槽密封及填堵较大的结构空隙，在液体密封垫中占主要地位，广泛应用于可拆卸部位的密封。 4、填料密封填料密封是一种最古老的密封方式，在中国已有上千年的历史。它最早以棉、麻的纤维填塞在泄露通道内来阻止液流泄露，主要用作提水机械的密封。填料密封主要用作动密封。它广泛用作离心泵、压缩机、真空泵、搅拌机和船舶螺旋桨的转轴密封，往复式压缩机、制冷机的往复运动轴封，以及各种阀门阀杆的旋动密封等。为了适应上述设备的工作条件，填料密封必需具备下列条件：1） 有一定的塑性，在压紧力作用下能产生一定的径向力并紧密与轴接触。2） 有足够的化学稳定性，不污染介质，填料不被介质泡胀，填料中的侵渍剂不被介质溶解，填料本身不腐蚀密封面。3） 自润滑性能良好，耐磨，摩擦因数小。4） 轴存在少量偏心时，填料应有足够的浮动弹性。5） 制造简单，填装方便。填料的种类很多，可以从其功用方面、构造方面和材料方面分类，最常用的有下面四类：绞合填料、编结填料、塑性填料、金属填料。4.1 绞合填料和编结填料绞合填料即把几股石棉线绞合在一起，将它填塞在填料腔内即可起密封作用。编结填料是以棉、麻以及石棉纤维纺线后编结而成，并于其中侵入润滑剂或聚四氟乙烯。4.2 塑性填料 塑性填料是几经膜具压制成型的填料。4.3 金属填料金属填料有半金属填料和全金属填料两种。所谓半金属填料是金属与非金属组合而成，全金属填料则不含非金属。4.4 碳纤维填料碳纤维填料是一种新型填料。其优异的自润滑性能、耐高、低温性能和耐化学品性能引起人们的极大的注意，而且作为压缩填料的弹性和柔软性也极为良好，其缺点仅在于有渗透泄露，但侵渍聚四氟乙烯或其他粘接剂之后可以防止。目前其成本较高，但随着碳纤维的发展，其成本定会下降，因此，碳纤维填料是一种最为理想和最有希望的填料。`4.5 填料的选择选择填料时，应考虑：机器的种类、介质的物理、化学特性、工作温度和工作压力，以及运动速度等，其中尤以介质的腐蚀性（以pH值表示），pH值及使用温度为最重要。4.6 填料的合理装填填料的合理装填应按下列步骤进行：1） 清理填料腔，检查轴表面是否有划伤、毛刺等现象。2） 用百分表检查轴在密封部位的径向跳动量，其公差应在允许范围内。3） 填料腔内和轴表面应涂密封剂或与介质想适应的密封剂。4） 对成卷包装的填料，使用时应先取一根与轴径同尺寸的木棒，将填料缠绕在其上，再用刀切断，切口最好呈450斜面，对切断后的每一节填料，不应让它松散，更不应将它拉直，而应取与填料同宽度的纸带把每节填料呈圆圈形包扎好，置于洁净处。5） 装填时应一圈一圈装填，不得同时装填几圈。6） 取一只与填料强同尺寸的木质两半轴套，合于轴上，将填料推入腔的深部，并用压盖对木轴套施加一定的压力，使填料得到预压缩。7） 以同样的方法装填第二圈、第三圈。8） 最后一圈填料装填完毕后，应用压盖压紧，但压紧力不宜过大。 5、成型填料密封成型填料密封泛指用橡胶、塑料、皮革及金属材料经模压或车削加工成型的环状密封圈。成型填料按工作特性分为挤压型密封圈和唇形密封圈两类；按材料可分为橡胶类、塑料类、皮革类和金属类。各种材料的挤压型密封圈中橡胶挤压型密封圈应用最广，其中O形圈历史最悠久，最典型。唇形密封圈的类型很多，有V形、U形、L形、J形和Y形等。5.1 O型密封圈O型密封圈简称O型圈，开始出现在19世纪中叶，当时用它作蒸汽机汽缸的密封元件。O型橡胶密封圈有如下的优点：1） 密封部位结构简单，安装部位紧凑，重量较轻；2） 有自密封作用，往往只用 一个密封件便能完成密封；3） 密封性能较好，用作静密封时几乎可以做到没有泄露；4） 运动摩擦阻力很小，对于压力交变的场合也能适应；5）尺寸和沟槽已标准化，成本低，便于使用和外购。5.2 V型密封圈V型密封圈为一种唇形密封圈，是使用最早使用最多的成型填料之一。它主要用于往复运动，作活塞或活塞杆的密封。很少用于转动中或作静密封。V形密封圈有下列特点：1）密封性能良好；2）允许一定的偏心载荷、和偏心运动；3）可以多圈重叠使用，并通过调节压紧力来获得最大密封效果；4）耐冲击压力和振动压力；5）当填料不能从轴向装入时，可以开切口使用，只要安装时将切口互相错开，不影响密封效果。其缺点是摩擦阻力较其他成型填料的大。5.3 Y型密封圈活塞密封用的U形和Y形密封圈在形状上略有不同，U形圈的唇长，底部与唇部同厚度或略大于唇部厚度。Y形圈的纯短，底部厚，这是为了克服U形圈常常不能稳定安放而设计的，同时可增大唇的强度，以免唇根部被撕裂。5.4 鼓形和山形密封圈的结构5.4.1 鼓形密封圈的结构鼓形密封圈又称活塞密封圈，它是为单向和双向工作的活塞而设计的。密封圈的截面、衬套或挡环的结构与活塞的设计有很大关系。由于有各种性能的要求，所以鼓形密封圈的结构也不可能是一致的。5.5 J形和L形密封圈J形和L形密封圈，都是用于工作压力不大于1MPa的气压或液压机械设备的密封。J形密封圈的是用于活塞杆密封。 6.1 油封油封，即润滑油的密封。它常用于各种机械的轴承处，特别是滚动轴承部位。其功能在于把油腔和外界隔离，对内封油，对外封尘。油封与其他密封比较有下列优点：1） 油封重量轻，耗材少。2） 油封的安装位置小，轴向尺寸小，容易加工。3） 密封性能好，使用寿命较长，对机器的振动和主轴的偏心都有一定的适应性。4） 拆卸容易，检修方便。5） 价格便宜。6.2 防尘密封油封可作防尘密封的件使用。但是在粉尘严重或是为了保护其他密封件时，常常使用专门的防尘密封。防尘密封的材料，油压机械多用橡胶，气压机械多用毛毡，飞机和寒带工作的油缸为了对付活塞杆外部结冰而用金属，化工部门为防止活塞杆上的粘着物也用金属。防尘密封对保护关键性的液压设备是十分重要的。渗入尘土，不仅磨损密封件，而且会大大的磨损导向套和活塞杆。此外，杂质进入液压介质中，也会影响操作阀和泵的功能，在最坏的情况下，也可能损坏这些装置。防尘圈能除掉活塞杆表面上的尘土和杂物，但损坏活塞杆上的油膜，这对密封件的润滑也有一定作用。 7.1 磁流体7.1.1 磁流体的组成1995年由美国帕佩尔（Papell）发明的磁性流体，是把磁铁矿等强磁性的微细粉末（约100%26Aring;）在水、油类、酯类、醚类等液体中进行稳定分散的一种胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下，既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性，可以被磁铁所吸引的特性。磁流体由3种主要成分组成：1）固体铁磁体微粒（Fe3O4）；2）包覆着微粒并阻止其相互凝聚的表面活性剂（稳定剂）；3）载液（溶媒）。7.1.2 磁流体的特性磁流体是一种叫胶体溶液。作为密封用的磁流体，其性能要求是：稳定性好，不凝聚、不沉淀、不分解；饱和磁化强度高；起始磁导率大；粘度和饱和蒸气低，其他如凝固点、沸点、导热率、比热和表面张力等也有一定的要求。影响磁流体稳定的主要因素有：微粒力度大小、表面活性剂和载液以及它们的合理配比。稳定性是磁流体各种特性存在的前提。7.2 磁流体密封的工作原理圆环形永久磁铁，极靴和转轴所构成的磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下，把放置在轴与极靴顶端缝隙间的磁流体加以集中，使其形成一个所谓的“O”形环，将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用于转轴是磁性体和转轴是非磁性体两种场合。前者磁束集中于间隙处并贯穿转轴而构成磁路，而后者磁束比不通过转轴，只是通过密封间隙中的磁流体而构成磁路。7.2.3 极限条件磁流体密封在工作时会受到下列条件的限制：1）蒸发。磁流体由磁性微粒、表面活性剂和载液3部分组成，载液的蒸发是决定密封极限旋转频率和使用寿命的主要因素。因为密封是靠有限的磁流体工作的。为此，应选用蒸汽压低的载液，使蒸发损失为最小值。2）温升。温度升高会导致磁铁退磁和磁流体的蒸发。因为温度升高，粘度降低，功率消耗也就降低，这是有利的一面。但是温度的、升高，磁饱和强度下降，也可能使密封的耐压能力有些下降，因此，磁流体温度一般不应高于105℃，否则应采用冷却措施。3）极限真空度。磁流体密封极限真空度取决于载液的挥发度，用二脂润滑剂作成的载液可满足1.333×10-7Pa超高真空技术的要求。4）周速。一般磁流体密封适用于高周速30m/s以上的运转，无极限标志。但考虑到温度和散热，周速应限制在60～80m/s，此时还要考虑极限耐压能力。 8、高压密封高压密封的型式很多，按其工作原理分为强制密封和自紧密封两类。强制密封是依靠联接件（螺栓）的预紧力来保证压力容器的顶盖、密封元件和圆筒体端部之间具有一定的接触压力，以达到密封的目的。自紧密封是随着压力容器内的操作压力增加，密封元件与顶盖、圆筒体端部之间的接触压力也随之增加，由此实现密封作用。自紧密封的特点是压力越高，密封元件在接触面的压紧力就 越大，密封性能也就越好，操作条件波动时，密封仍然可靠。但是结构比较复杂，制造较困难。自紧密封按密封元件变形方式还可以分为轴向自紧密封和径向自紧密封。按密封材料性能，高压密封又可分为使密封元件产生塑性变形的塑性密封，使密封元件产生弹性变形的弹性密封。目前，压力容器常用的密封型式有如下几种：1） 强制密封有平垫密封，卡扎里密封和八角垫密封；2） 半自紧密封有双锥密封；3） 自紧密封有楔形密封，五德密封，空心金属O形环密封，C形环密封，B形环密封，三角垫密封，八角垫密封，平垫自紧密封及橡胶O形圈密封等。

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