集装式机械密封实验台设计毕业设计

毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：集装式机械密封实验台设计 姓 名 学 号 学 院 矿大成教院 专 业 机械电子技术年 级 2012秋2 指导教师 2014年 6月 22 日Shandong UniversityUndergraduate ThesisDesign of Cartridge Mechanical Seal Experimental PlatformCandidate ： Student No.： School ： Specialty ：Grade ： Supervisor ： JI摘 要集装式机械密封是一种动密封产品，在工业各个领域的应用越来越广泛。在机械密封的实际使用过程中，工况改变的现象经常出现，如温度升高、介质压力变化等，这些情况的出现对机械密封产品的寿命有很大的影响。因此，为了提高机械密封使用寿命，减少由于机械密封失效造成的损失，开发集装式机械密封实验台进行各种工况下的机械密封实验是必要的。目前机械密封技术的发展仍处于理论和实践相结合的阶段，本文采用理论与实验相结合的研究方法，首先简要介绍了国内外机械密封的发展现状并进行分析；阐述了机械密封的组成和工作原理；结合机械密封存在的问题，明确了本课题研究背景与意义，确定了实验台的设计目标和主要的研究内容。其次根据实验台的设计需求，确定了实验台的具体设计方案，并进一步将设计方案细化为实验台本体结构、控制系统和测试系统三部分；详细设计了机械密封实验台本体结构的主要组成部分，并通过变频器、溢流阀等控制各个工况参数的变化，为模拟不同工况条件下机械密封的实验研究提供了有效的实验平台；最后通过温度、压力、转速转矩等传感器的设计选择和数据采集系统的建立，为机械密封台的实验提供了准确的数据反馈，以供实验者进行分析并找出机械密封主要参数变化的规律，提出了提高机械密封使用寿命的具体方法。关键词：机械密封；密封件设计；摩擦功耗；传感器ABSTRACTCartridge mechanical seal is a kind of dynamic seal product, and its application is widespread in industry field. In the application process of mechanical seal, changes in working conditions are frequent, such as rising in temperature, altering in medium pressure etc. These phenomena pose a huge influence on the life of mechanical seal products. Therefore, to improve the life of the products, it is necessary to reduce the loss caused by failure of mechanical seal and develop cartridge mechanical seal experimental Platform to undertake mechanical seal experiment in various working conditions. Now the mechanical seal technology is still in a phase which combines theory and practice. This paper adopts the research methodology that combines theory and experiment. Firstly, this paper introduces the development of mechanical seal all over the world, illustrates the composition and principles of mechanical seal. Besides, in terms of the problems in mechanical seal, this paper outlines the background and benefits of the research and decides the purpose and content of the design of test stand.Then, based on the requirements of test stand design, this paper determines specific approaches of test stand design, and separates them into three parts: structure of test stand, control system and test system. This paper also gives a detailed design of the main components of the test stand structure, and provides effective experiment condition for simulating mechanical seal under various working conditions through the changing of working parameters controlled by converter, overflow valve and so on.Last, this paper gives accurate data feedback for mechanical seal experiment, through the choosing of sensor such as temperature, pressure, rotation speed and rotation torque as well as the setting of data-collecting system. This way, the researcher can analyze and find out the rule behind the changing of mechanical seal parameters, then bring out methods to improve the life of mechanical seal products.Key Words： Mechanical seal； design of sealing； friction work loss； sensorIII目 录摘 要IABSTRACTII第一章 概 述- 1 -1.1机械密封技术- 1 -1.1.1机械密封技术的发展- 1 -1.1.2机械密封的组成、工作原理和特点- 2 -1.1.3集装式机械密封定义及特点- 4 -1.1.4国内外机械密封实验研究现状- 5 -1.1.5机械密封的研究方向- 5 -1.2本课题研究的背景及意义- 6 -1.2.1本课题研究的背景- 6 -1.2.2本课题研究的意义- 7 -1.2.3本课题研究的主要内容- 7 -本章小结- 8 -第二章 机械密封实验台总体方案确定- 9 -2.1机械密封实验台设计要求- 9 -2.2机械密封实验台总体方案确定- 9 -2.2.1机械密封实验台的组成- 9 -2.2.2机械密封实验台结构及工作流程- 11 -本章小结- 12 -第三章 机械密封实验台结构部分设计- 13 -3.1密封件设计- 13 -3.1.1机械密封结构选型- 13 -3.1.2机械密封端面形式选型- 13 -3.1.3密封环材料选取及尺寸计算- 14 -3.1.4弹性元件选型- 16 -3.2摩擦功率计算及电机选型- 18 -III3.3主轴设计和校核- 18 -3.4压力容器设计- 20 -3.5螺栓、轴承等其他部件选型- 21 -3.5.1螺栓的设计和校核- 21 -3.5.2轴承选型及计算- 21 -3.5.3联轴器选型及校核- 22 -本章小结- 23 -第四章 机械密封实验台控制部分设计- 24 -4.1机械密封实验台主轴转速的调节- 24 -4.2机械密封实验台压力、温度的调节- 25 -本章小结- 25 -第五章 机械密封实验台测试部分设计- 26 -5.1设计的指导思想- 26 -5.2密封实验台测试系统组成- 27 -5.3主要测试仪器的设计及实现- 27 -5.3.1传感器的选型- 27 -5.3.2腔体温度、压力的测量- 28 -5.3.3主轴转速转矩的测量- 29 -本章小结- 30 -第六章 结 论- 31 -参考文献- 32 -英文文献翻译- 34 -英文文献原文- 53 -致 谢- 78 -IV第一章 概 述第1章 概 述机械密封（又称端面密封）是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件。它是通过一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构弹性力(或磁力)的作用以及辅助密封的配合下保持贴合来达到防止流体泄漏的效果的密封装置1。对整台机器设备、整套装置、甚至对整个工厂的安全生产影响都很大，特别是在石油化工企业中，对保证设备运转可靠、装置连续生产具有重大的意义。在石油化工企业中，所处理的流体（气、液）大多数具有腐蚀性、可燃性、易爆性及毒性，一旦密封失效介质泄露，不仅污染环境、影响人体健康和产品质量，而且会导致火灾、爆炸和人身伤亡等重大事故。1.1 机械密封技术1.1.1 机械密封技术的发展从上世纪初，在机械制造业中出现了简单的机械密封以来，机械密封技术发展到现在已经有100多年的历史，也已经获得了非常广泛的应用和发展。1885年，由于液压传动、蒸汽机和机床的产生，在英国首先有人申请了机械端面密封的专利，并在1900年作为油封用于轴承密封。1920年，机械密封开始在小型家用冷冻压缩机和内燃机汽车水泵上获得了数量较多的应用，结构上也取得一定突破，开始形成单、双端面密封。1930年，美国的EG&GSEALOL公司率先研制出了平衡型机械密封2。第二次世界大战前后，石油化工企业的发展和材料和加工技术的提高，大大促进了机械密封技术的发展和应用，机械密封的使用参数有了很大的提高。至此，机械密封在美国得到了普及推广并应用到石油和化学行业中，苏联和欧洲国家也开始广泛使用。1957年美国EG&GSEALOL公司率先研制出焊接金属波纹管机械密封。机械密封开始获得了更加广泛的应用，美国、西欧、日本、苏联等国家都开始正规的生产机械密封。为了规范和促进生产，各国纷纷出台了机械密封相关的标准，其中以美国的API682影响最大，它是第一部完整地覆盖了离心泵和转子泵中机械密封设计和应用的标准，世界各国都以此规范其机械密封的设计、制造、选型和应用3。在石油工业中规定炼油厂、泵厂和油轮非使用机械密封不可。近几十年来，随着原子能、宇航、核电工业的发展，人们环境保护意识的加强，机械密封技术达到了较高的水平。新技术、新材料、新产品不断出现，机械密封也开始在各行各业广泛使用。目前，机械密封的单级最高压力可达35MPa，使用温度可高达1000，机器转速高达50000r/min，PsV值达1000MPam/s.我国机械密封技术起步较晚，但发展很快。50年代末兰州炼油厂开始研制泵用机械密封的配件应用于苏联进口的离心泵上，积累了很多经验。沈阳水泵厂、上海水泵厂、天津机械密封厂最早在60年代开始相继生产机械密封件4。80年代以来，我国主要机械密封厂相继引进了美、英、日本和德国的先进机械密封技术，使我国机械密封技术水平迅速提高。如今，我国已经有大量的企业掌握机械密封技术，研制生产的各种机械密封件被国内众多石油化工企业所应用。我国当前生产机械密封的工厂有1000多家，机械密封在我国已经是一个年产值高达8亿人民币的产业5。为了提高我国机械密封产品的整体质量，规范其生产、开发、研究与应用，大量的机械密封标准也纷纷订立。近10年来，随着计算机技术的发展，开始利用有限元分析法(EFA)和计算机辅助设计(CAD)来模拟和预测各种条件下的密封性能，并通过选择合理的目标函数而得到针对某一具体工况下机械密封的优化结构参数;同时，应用先进生产设备和统计生产控制获得了可靠性更高、工作寿命更长的零缺陷密封1,6。随着机械密封技术的发展，各种新型机械密封的不断出现，使机械密封在生产中起到了越来越重要的作用，其使用范围也越来越大。据调查，在石化工艺装置机泵中，有86%以上使用机械密封;在对国内外几个石化企业的调查中，发现日常机泵等设备的维修工作机械密封的维修所占的工作量达到了50%。国外爱克西翁公司的威尔在其文中提到，离心泵的维修费大约有70%是由于密封故障7-8。由于机械密封的使用范围越来越广泛，对机械密封理论的研究，在提高机器效率、节约原材料、提高机器可靠性等方面起到了越束越重要的作用。1.1.2 机械密封的组成、工作原理和特点机械密封种类繁多，不同种类的机械密封结构也各不相同，但从总体上来说，基本上所有的机械密封都由四个部分组成:由动环和静环组成的密封端面，该密封端面有时也称为摩擦副，这是机械密封最核心的组成部分;由弹性元件或磁性元件组成的缓冲补偿装置，这是保证机械密封可靠性能的重要条件;辅助密封圈;带动环和轴一起旋转的传动机构。如图1.1机械密封基本结构图所示，机械密封安装在旋转轴上，密封腔内有紧定螺钉5、弹簧座4、弹簧3、动环辅助密封圈2、动环1，它们随轴一起旋转。机械密封的其他零件，包括静环6、静环辅助密封圈7和防转销8安装在端盖内，端盖与密封腔体用螺栓连接。轴通过紧定螺钉、弹簧座、弹簧带动动环旋转，而静环由于防转销的作用而静止于端盖内。图1.1 机械密封基本原理图机械密封工作时密封腔内充满一定压力的介质，电机或其他动力装置带动旋转轴运转，并通过旋转轴将运动传递给机械密封动坏。动环在腔内介质压力和弹性元件弹性力的双重作用下与静环始终保持良好的贴合状态;动环与静环相对运动形成摩擦副，阻止了介质沿端面间的径向泄露（泄漏点1），构成了机械密封的主密封，并在密封端面之间形成一层极薄的液膜，它不仅对端面起到润滑作用，而且还平衡着密封面两端的压力。摩擦副磨损后在弹簧和密封流体压力的推动下实现补偿，始终保持两密封端面的紧密接触。动环辅助密封圈阻止了介质可能沿动环与轴之间间隙的泄露（泄漏点2）；而静环辅助密封圈阻止了介质可能沿静环与端盖之间间隙的泄露（泄漏点3）。工作是，辅助密封圈无明显相对运动，基本上属于静密封。端盖与密封腔连接处的泄漏点4为静密封，常用O型圈来密封9.机械密封之所以能够比其它各种密封方法，如软填料密封方法更适合使用于石油化工等高要求的场合，是因为与一般的密封方法相比，机械密封有着以下的特点1,8- 9:(l)密封性能好。在长期运转中密封状态很稳定，正常使用的机械密封可以达到非常少的泄漏量，据统计约为软填料密封泄露的1%以下，这是机械密封与其它密封方式相比的最大优点;(2)使用寿命长。机械密封端面密封由自润滑性及耐磨性较好的材料组成，还具有磨损补偿机构。因此，密封端面的磨损量在正常工作条件下很小，一般的可连续使用1-2年，特殊的可用到5-10年以上。(3)功率损耗小。机械密封端面的接触面积小，摩擦功耗小。据统计，机械密封的摩擦功耗仅为软填料密封的20%一30%;(4)运动中不需要调整。由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中自动保持接触，因此，正确安装后，就不需要经常调整，使用方便，适合连续化、自动化生产；(5)抗振性好。缓冲补偿机构缓减了机械密封的振动，一般在转速在3000r/min下最大轴向振幅不超过0.05mm，仍能保持良好的密封性能；(6)轴或轴套表面不易磨损。由于机械密封与轴或轴套的接触部位几乎没有相对运动，对轴或轴套的磨损较小；(7)适用范围广。当合理选择摩擦副材料及结构，加之设置适当的冲洗、冷却等辅助系统的情况下，机械密封可广泛适用于各种工况，尤其在低温、高温、真空、高压、不同转速以及各种腐蚀性的、含有杂质等恶劣工况下，更显示出其优越性；(8)结构复杂、拆装不便。与其他密封比较，机械密封的零件数目多，要求精密，结构复杂。特别是在装配方面较困难，拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分（联轴器）或全部拆卸，要求工人有一定的技术水平。发生故障时维修处理比较麻烦，且较耗时间。1.1.3 集装式机械密封定义及特点集装式机械密封又叫卡式密封，首先是利用运输中的“集装箱”概念，这种密封的旋转和静止部分在安装前预装成一整体，经检查和试压合格后套装在轴封箱内轴上，用紧定螺钉固定在轴上，上紧压盖螺栓，拆除集装限位块，机械密封就可以处于平行面工作状态，投入运转。这样不仅容易装配而且保证装配质量。目前，焊接金属波纹管机械密封均做成集装式密封。10-11这种集装式密封具有以下特点：(1) 安装时无需检测密封工作长度；(2) 轴可以随时调整；(3) 不会发生启动时泄露问题，因为密封件已预先测试过；(4) 安装时只需要套装把紧密封盖螺栓，装配质量容易保证；(5) 在安装或启动以前保护密封面不受杂物污染或因操作失误而损坏；(6) 机器设备热膨胀后可以重调；(7) 利用配合可以自定中心；(8) 容易取出密封件清洗和检查，而无需拆卸机泵设备。API682标准中推荐了所有机械密封采用集装式机械密封。11.1.4 国内外机械密封实验研究现状西方发达国家机械密封试验的技术已经达到非常高的水平，并且已经形成了比较完善的试验体系。很多大企业，包括英国 Johnerane、美国Flowserve和日本Eagel等国际知名密封公司都有他们专门的研制、测试中心，并引领着行业的发展方向。许多著名学校也在一些大企业的资助下与企业合作开展机械密封的研究，创造出许多成就，也具备一定的试验条件。图1.2所示为国外比较典型的机械密封试验装置24。在国外，一些用于实时监控机械密封工作状态的设备也被开发出来。比如意大利某公司利用微处理器设计了一台多功能机械密封试验设备SEALsafe，该设备支持实时检测和调节机械密封腔内温度和压力，定时测量密封端面的泄漏量，并且可以将采集的数据进行分析和处理，并根据这些数据调节机械密封转速、温度和压力等，从而保持其良好的工作状态25-26。德国的Burgmann将网络技术应用于测试系统中，推出了一款基于网络的机械密封性能监控系统27，如图1.3所示。 图1.2 国外机械密封实验台 图1.3基于网络的机械密封监视装置在我国，机械密封测试技术的研究主要还是局限于某些大学和大公司的研究所，其中一些石油化工类学校在机械密封的试验和研究方面作出了巨大贡献。在不断的应用、实践、研究以及与国外先进技术的交流和引进过程中，我国机械密封技术也得到了较快的发展，并逐步缩小与世界先进水平的差距。国内一些高校的研究机构通过搭建专用的试验设备对研究温度、压力、转速和振动等对机械密封性能和使用寿命的影响进行了多方面的探索。比如魏龙等在研究GY型机械密封性能时搭建了机械密封试验台，通过在密封腔泄漏液出口位置安装测漏传感器测量端面泄漏量28，孙见君等搭建了弹簧比压可调振动可测型机械密封试验台，以研究弹簧比压和振动对机械密封性能的影响；同时他们还引入分形理论分析了弹簧比压对平衡型机械密封泄漏率和端面摩擦特性的影响，并以平衡型机械密封为例进行了试验和研究29-31。1.1.5 机械密封的研究方向目前，尽管机械密封技术已经得到了很大的发展，机械密封在各行各业得到了广泛的应用，但在一定意义上，机械密封技术的理论与发展还很不完善。例如，在基础理论方面，虽然在某些方面机械密封的理论研究有了相当大的发展，也出现了一些精辟的分析，但由于机械密封本身型式的多样性及其具体工作条件的复杂性，至今为止，还没有一套完整的机械密封理论。目前机械密封的研究也主要集中在以实验研究为主、理论与实际相结合的研究方式上;在结构方面，机械密封的结构还比较复杂，需要更进一步的简化，使维修、保养及使用更加方便;在机械密封的合理性方面，密封系统的元件还无系列化产品，要提高密封产品的系列化程度，与密封产品配套供应，以提高密封的性能及其使用寿命，这就需要提高技术诊断、失效分析与密封状态的监控技术;在使用方面，还需要更进一步的提高机械密封的可靠性和使用寿命;在经济性方面，由于机械密封的标准化程度不高，互换性不强，其售价也较高。121.2 本课题研究的背景及意义1.2.1 本课题研究的背景图1.2 机械密封产品 近几十年来，机械密封技术有了很大的发展。由于机械端面密封有着工作可靠、泄漏量少、使用寿命长、适用范围广等优点，极大地改善了设备在生产过程中出现的跑、冒、滴、漏等问题，并越来越多地取代了以前占优势的填料密封在旋转轴密封上的地位，特别是在一些高速、高温、高压、腐蚀性大、有毒易燃易爆的设备环境中，机械密封的作用是其它种类的密封产品所不可替代的。1目前机械密封的使用范围非常广，包括石油炼油、石油化工、精细化工、冶金、火电站、印染、海运、造纸等行业，甚至在航空航天领域，机械密封也起着极为重要的作用。在飞机和液体火箭上，机械密封用来密封燃气轮机、透平压缩机(涡轮增压器)、液压设备以及输送燃料和液化气体的增压泵8。机械密封在石油化工类行业的应用极为广泛，在该类行业中，泵轴类旋转设备占有很大比重。据我国有关部门统计，在石油化工类企业，80%一90%的离心泵使用机械密封9。由此可见，机械密封产品的市场需求量很大。图1.2所示为一种典型的机械密封产品。机械密封的失效往往会造成环境的污染、能源的浪费及财产的损失，严重的可能造成安全事故，这种情况在石化类行业尤为严重。针对此现状，对机械密封进行深入的研究，以提高机械密封的性能与使用寿命，减少由于机械密封失效带来的损失显得尤为重要。本课题正是基于此目的，进行机械密封实验台的开发。1.2.2 本课题研究的意义机械密封实验台是进行机械密封实验的专用设备，它是利用机械工程、材料科学、测试和信息科学等先进技术设计制造的测试机械密封特性的设备。在很多情况下，由于缺乏实验设备而不能深入地研究机械密封的工作特性及其失效的原因，因而无法对其机械密封的故障采取有效的解决方法。为此，设计一台专用的机械密封实验设备，对机械密封性能进行多方面的研究和分析，找出其故障多发的原因和解决的方法，提高机械密封的工作性能和使用寿命，减少故障发生次数，降低设备运作成本，对企业和我国机械密封产品技术的发展都具有极大的意义。从总体上来说，国内机械密封技术水平与国外有一定距离，这与我国机械密封实验开展的现状有关。早在1993年我国就发行了国家标准GB/T14211一93机械密封实验方法，规定了对于旋转类机械的机械密封实验基本原则、实验方法以及实验装置和仪器等的要求，但只有少数企业能够按照要求较为规范地进行机械密封测试。针对此现状，基于机械密封实验标准研制一套能进行各种性能参数测试的、功能齐全的、性能可靠的、结构简单的、价格合理的机械密封实验台，对于促进我国机械密封技术的进步，推动我国机械密封行业的发展，缩小与国外先进水平的差距，加快现代化进程都有十分重要的意义。1.2.3 本课题研究的主要内容在我国，机械密封实验设备基本还只是存在于某些大型机械密封生产企业，以及部分高校和研究所，市场上还找不到满足实验需要的机械密封实验台。而且由于机械密封种类繁多，应用的场合不一样，研究的目的也不同，目前机械密封实验台还主要是有目的、有对象地定制的。为了改善机泵设备上所使用的机械密封的性能，提高机械密封的使用寿命，减少由于机械密封失效造成的损失，迫切需要开展机械密封实验，以研究其特性及失效的原因。本论文综合研究和分析机械密封应用的现状及失效的原因，同时结合国内机械密封行业发展的现状和需要，设计了满足国家标准机械密封实验方法要求13，可以进行多种实验和研究，性价比高的机械密封实验台。论文主要研究的内容有:(1)根据机械密封实验方法的要求和相关行业发展的需要，提出机械密封实验台的设计需求，并确定实验台的设计方案，将实验台设计方案细化为结构设计和测试系统设计两部分；(2)对机械密封实验台各部分结构进行数据分析，获取实验台结构尺寸参数，包括轴的设计、电机的选择、动静环尺寸设计、轴承的选择及螺栓选择等部分，并绘制装配图； (3)确定测试系统电气部分的设计方案，完成对温度、压力、转速转矩传感器的选型与设计。本章小结本章首先结合大量文献资料对机械密封的国内外发展历史及现状进行概括，随后简单介绍了机械密封的组成结构、工作原理及特点，指出机械密封的发展方向。最后，根据国内外的发展情况提出本课题研究的背景、意义，阐述了本文所要进行的主要内容。- 7 -第二章 机械密封实验台总体方案确定第2章 机械密封实验台总体方案确定机械密封实验台是为进行机械密封实验而设计的专用测试设备，在机械密封的设计、制造、使用及研究工作中都有很重要的作用。本章结合机械密封行业发展的需要，提出了符合国家标准机械密封实验方法要求，满足多种实验任务与研究工作需要，性能价格比高的机械密封实验台设计方案，并介绍其组成和工作原理。2.1 机械密封实验台设计要求根据机械密封实验的目的，并结合实验中进行变工况机械密封实验的要求，变工况机械密封实验台主要需满足以下要求:(1)具有一定的通用性，满足多种集装式机械密封产品实验的能力（包括平衡型和非平衡型机械密封实验）;(2)单台设备满足静压和动压两种实验的要求;(3)设置加热装置，密封腔内介质温度可调，满足温度变化范围为0100;(4)设置压力调节装置，密封腔内介质压力变化范围为04MPa，并且具有稳压的功能;(5)实验台主轴转速可调，转速范围为:02820r/min;(6)可对密封端面泄漏量进行收集，并进行测量;(7)具备温度、压力、转速和转矩测试装置，并进行实时数据采集、显示。除此之外，还应考虑各环节的加工成本。2.2 机械密封实验台总体方案确定2.2.1 机械密封实验台的组成根据设计要求，实验台由本体结构部分、控制部分和测试系统三部分组成，各部分组成如框图2.1所示：图2.1 机械密封实验台结构框图本体结构部分具体为：(1)动力传动机构：根据实验台设计要求，实验台可以进行静压和动压两种实验，因此需要动力传动装置带动机械密封运转，并且要求传动装置输出的转速可调;(2)密封介质及压力传输机构：这一部分主要为液压系统，为密封腔注入流体介质，并提供压力，起到模拟实际工况的作用；(3)密封腔体：是实验台的核心部分，用于进行机械密封实验，集装式机械密封安装在该部分。控制部分具体为：(1)转速调节装置：实验台主轴转速调节范围为02820r/min，模拟在不同转速条件下的机械密封实验情况；(2)温度调节装置：在液压回路中设置加热装置，控制介质温度；(3)介质压力调节装置：机械密封的设计压力为3MPa，要求实验台可以提供过载压力，并进行稳压，以期实现进行压力变化与泄漏量等参数的关系；测试部分具体为：(1)密封腔温度测试装置：采用热电偶的方式，测试动静环接触部位的温度，并进行实时读值；(2)转矩转速测试装置：在主轴上安装转矩转速仪，测试主轴转速转矩；(3)密封腔压力测试装置：对密封腔内介质压力进行测试；(4)泄漏收集装置：根据实验要求可在密封件外侧放置一容器，对泄露液体进行收集，接着进行称重读取数据。2.2.2 机械密封实验台结构及工作流程机械密封实验台流程图如图2.2所示，实验台主轴采用简支梁结构，通过两个调心球轴承对称安装在轴承箱内，主轴一侧通过柔性联轴器连接转矩转速仪，最终连接在电机轴上；主轴另一侧设计为一锥形轴，与密封件套筒实现过盈配合，末端用圆螺母与止动垫片定位；轴承箱固定在底座上，为了保证各零件的同轴度，在转矩转速仪下方设置一垫块。轴承箱上每个轴承用两个端盖进行密封（毡圈）与预紧，在装配之前在轴承端盖内注入钙基脂进行润滑。图2.2 机械密封实验台流程图 实验中由液压泵抽取水箱中的水，经过泵体、管路和阀门进入稳压水箱，然后进入密封腔体，最后通过压力溢流阀流回水箱，构成一个闭合水路循环系统。液压回路部分中，设计稳压水腔的目的是为了使介质在进入密封腔体时将压力稳定下来，然后才进入密封实验腔体，通过进出口两侧的截止阀门调节密封实验腔体的介质压力。介质的在各腔体的进出口压力可以通过压力表读出。14实验系统在水箱上设计加热棒，并设置温度控制仪表。稳压水箱上安装安全阀，保证实验系统的安全操作。机械密封实验腔体上设计并安装相应的转矩转速仪、温度传感器、密封泄漏收集装置。并通过相对应的接线端实现数据的显示。另外，可以通过改变密封腔体中介质压力、温度，达到模拟各种不同工况下机械密封工作情况的目的，并通过实验台上测试系统测试出密封具体工作参数，完成机械密封实验。本章小结本章首先依据国家标准机械密封实验方法的要求并结合实际情况，制定出提出本设计所要达到的设计要求，进而提出本设计的方案。从实验台的组成、工作流程等方面做了详细的介绍，细化了各组成部分的设计内容。- 11 -第三章 机械密封实验台结构部分设计第3章 机械密封实验台结构部分设计机械密封实验台结构部分是整个设备的基础，满足设计要求的零部件是保证实验台寿命与实验可靠性的前提条件，因此对关键零部件进行设计与校核是非常必要的。如前文所述，实验台结构部分包括动力传动机构、密封腔及压力传输机构，本章将就密封件设计、电机选择、密封腔设计等部分进行分析。3.1 密封件设计3.1.1 机械密封结构选型机械密封按结构类型可分为平衡式机械密封和非平衡式机械密封，其中能使介质作用在密封端面上的压力卸载的为平衡式机械密封，不能卸载的为非平衡式机械密封。按卸载程度不同，平衡式机械密封又可分为部分平衡式（部分卸载）和过平衡式（全部卸载），通常用平衡系数表示。平衡式机械密封端面上所受的力随介质压力的升高变化较小，因此适用于高压密封；非平衡式机械密封端面所受的力随介质压力的变化较大，因此只适用于低压机械密封。平衡式机械密封能降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，承载能力大。但其结构较复杂，一般需在轴或轴套上加工出台阶。非平衡式结构简单，在介质压力小于0.7MPa 时，使用广泛。14机械密封结构型式的选择是设计环节中的重要步骤，结构选型主要是根据密封的工作参数p、v、t进行，其中p是密封腔处的介质压力，v是密封面平均直径的圆周速度，t是密封腔内的介质温度：根据p值的大小可以初步确定是否选择平衡式的结构以及平衡程度。当介质粘度高、润滑性能好，p0.8MPa，或低粘度、润滑性较差的介质，p0.5MPa 时，通常选用非平衡式结构。当值超过上述范围时，应考虑选用平衡式结构。根据要求，本设计压力p=3MPa，应该选用平衡式机械密封结构；根据v值的大小确定弹性元件是否随轴旋转，即采用弹簧旋转式或弹簧静止式结构。一般在v2030m/s的范围内可采用弹簧旋转式，在速度更高的条件下，由于旋转件的不平衡质量易引起强烈振动，最好采用弹簧静止式结构。本设计主轴最高转速为2820r/min，密封轴径最大为50mm，则初取转速为8m/s可采用弹簧旋转式结构。3.1.2 机械密封端面形式选型近年来，机械密封的理论和实践证明了产生流体膜承载能力的最基本的因素是密封面的平行度、锥度和波度，而端面机械密封和锥面机械密封是产生流体膜静压承载能力最典型的两种模型,15也是应用最广泛的密封模型。图3.1 静环锥面机械密封在国外已被广泛应用于排灌、化工、船舶、电站、钢铁和矿山等许多部门，但国内鲜有应用。与端面机械密封结构上不同的是锥面机械密封的静环有一部分是锥角为的锥环（如图3.1），其锥面与动环的内直角接触，运转初期为线接触，之后变为一窄锥形环带。而端面机械密封则是采用普通的两平行平面进行密封。在机械密封设计中，端面宽度（密封面宽度）是重要的几何参数之一，在强度和刚度允许的前提下，应尽量采用较窄的端面宽度。实验数据表明，窄面的机械密封的密封性能，通常优于宽面的机械密封，窄面机械密封可以明显地降低温升，从而提高机械密封的稳定性，减少密封介质粘结，降低对冲洗冷却系统的要求。16锥面机械密封结构上的最大优点就是接触面很窄，但具有较大的抗压截面，不易产生变形。因此，接触面内外温差小，散热好，降低了粘着磨损程度, 摩擦功耗低；经实测摩擦功耗仅为盘根密封的28%，使用寿命长，且对轴不产生磨损，介质中的悬浮颗粒也不易在密封面内驻留，特别适合于含有磨料和固体悬浊物的设备。另外，锥面机械密封为外装式，便于观察和维修（静、动环均可制成剖分式），并且在运转中可以调节弹簧比压；密封套和动环都具有一定的浮动性，可使密封面始终保持良好的接触状态。17 综合比较两种模型，本设计将采用锥面机械密封形式。3.1.3 密封环材料选取及尺寸计算密封环包括动环和静环，它们是机械密封中最主要的零件，其性能好坏直接关系到密封效果和寿命。因此，对密封环的材料、形状、尺寸以及表面加工质量等都有较高的要求。（1）密封环尺寸计算密封环的主要尺寸如图3.2所示，有密封端面长度L、倾角、端面内直径d1和外直径d2，还有端面凸台距离h和密封环与轴配合间隙。当平衡系数、端面宽度b及平衡直径db确定后，即可算出端面内径d1。14图3.2 密封环主要尺寸机械密封的平衡系数是在摩擦副轴向力平衡条件下，各项轴向力与密封上最大介质压力的比值，它反映了各种轴向力的作用和大小。载荷系数也可以用面积比来表示：介质压力作用在补偿环上使之与非补偿环趋于闭合的有效作用面积Ae与密封端面面积A之比，即： （1）一般对于外流平衡式=0.650.8，对于中等粘度介质（如水、水溶液、汽油等），=0.550.65。本实验台机械密封模型是外流平衡式，密封介质为水溶液，综合考虑初取值为0.65。根据锥面机械密封的特点，锥面机械密封在正常运转期内一般L0.53mm，当L3mm后将失去锥面机械密封的主要优点，因此建议密封副磨损后的接触母线长度L不超过3mm；从静环的有效使用时间和加工工艺性考虑，动环半锥角取45为宜。16故初取L=13mm，=45,根据轴径大小取db=61mm，则密封环端面内直径d1为：（2）端面宽度初始状态为b=Lcos，代入公式（2）得d1=60mm。对于密封环与轴的配合间隙，动环与静环取值不同。对于动环，虽然与轴无相对运动，但为了保证具有一定浮动性以补偿轴与静止环的偏斜和轴振动等影响，取直径间隙为e1=0.5mm。对于静环，因为它与轴有相对运动，其间隙值应稍大，取直径间隙e2=1mm。（2）密封环材料选取根据统计，机械密封的泄漏大约有8095%是由于密封端面摩擦副造成的，密封环材料必须具备足够的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、耐温性、耐冲击韧性和疲劳强度等，并且要具有良好的加工性和合理的经济性。通常摩擦副的动环和静环材料选用一硬一软两种材料配对使用，只有特殊情况下才选用硬对材料配对使用，软材料做窄环，硬材料做宽环。密封面软材料中应用最普遍的是碳石墨，因为它本身具有良好的自润滑性、化学惰性和成本比较低等优点；而在硬材料方面，碳化硅是一种新型的陶瓷材料，本身的硬度接近于金刚石，具有突出的耐磨性，常与碳石墨配对使用。本设计中，软材料使用碳石墨，硬材料为碳化硅，两者配对组成的摩擦副所允许的PsV值为63MPam/s，PcV值为17.515MPam/s，摩擦副材料校核：经校核符合使用条件。3.1.4 弹性元件选型弹簧比压是影响机械密封的密封性能和使用寿命的重要参数之一，机械密封中弹性元件的主要作用是对密封端面产生一定的预紧弹簧压力，使端面在启动、停车或介质压力波动时能保持良好的接合。同时用来克服辅助密封圈与轴之间的摩擦力，使补偿环沿轴向移动，以补偿端面磨损后形成的间隙。此外，还可对轴的跳动等引起的振动起一定的缓冲作用。机械密封中采用的弹性元件有圆柱螺旋压缩弹簧、波形片弹簧、碟形弹簧和波纹管，其中圆柱螺旋压缩弹簧使用最广。（1）最小弹簧力计算锥面机械密封轴向作用在密封面上的力有：使动环压紧静环的弹簧工作载荷Fs和被密封介质作用在从db到d2的环形面上的压力Fp；阻碍动环压紧静环的力有：密封端面流体膜反力轴向分力Fm和密封套O形密封圈与密封腔内表面间的摩擦阻力Ff，O 形密封圈产生的摩擦阻力与密封套运动（轴向）方向相反，数值不大，一般在计算中忽略不计。则密封面的闭合力为： （3）其中Fs=PsA，Fp=PAe，Fm=PA，则密封面比压为： （4）式中：Ps为弹簧比压；A为密封面的径向投影面积，；P为密封介质压力，本设计中P=3MPa；Ae为介质作用中密封轴套上的有效面积，；为液膜反压系数，对于粘度较大的液体=1/3；为了保证机械密封具有长久的使用寿命和良好的密封性能，必须选择合理的端面比压，根据机械密封手册有关规定选择Pc=0.3MPa。由锥面密封端面磨损特性可知，随着动环的磨损，接触母线长度L不断增长，载荷系数不断减小，从而会造成密封比压Pc降低（卸载）17。因此，弹簧比压除了要使动环相对于静环具有良好的追随性外，还要补偿因静环磨损造成值下降而带来的密封面卸载。为了使得端面比压Pc满足要求，必须保证在静环磨损最严重（值最小时），弹簧比压大于所需的最小值，以此为依据选择弹性元件。在静环磨损最严重时，接触母线长度L=3mm，密封端面外径d2=64.24mm，此时：平衡系数 密封面径向投影面积 代入（4）式得弹簧比压Ps=0.61MPa，弹簧力Fs=PsA=252.4N。（2）弹簧选型根据弹簧座尺寸选择弹簧丝径d=0.6mm，平均直径D=2.5mm，材料为65钢，切变模量G=81400MPa，圈数n=15。弹簧力验算：由于弹簧两端存在死圈，有效圈数n=15-2*0.75=13.5弹簧旋绕比 C=D/d=2.5/0.6=4.17 刚度c=Gd/8C3n=814001060.610-3/8(4.17)313.5=6236.5 Nm当定位块刚去掉时，弹簧压缩量最大：x1=5.5mm当动环磨损最严重时，弹簧压缩量最小：x2=4.09mm则最大弹簧力为：Fsmax=Ncx1=105.56236.5=343N 最小弹簧力为：Fsmin=Ncx2=104.096236.5=256N，符合条件。3.2 摩擦功率计算及电机选型机械密封在运行过程中，功率消耗包括密封端面摩擦功率Nf和旋转组件对介质的搅拌功率Ns。一般情况下后者比前者小得多，而且也很难准确计算，通常可以忽略，仅计算密封端面摩擦功率Nf。端面摩擦功率、摩擦转矩常用下式进行计算： （5） （6）式中 Nf端面摩擦功率，W； f密封端面摩擦系数，根据摩擦副材料确定f=0.151； Pc端面比压，MPa； V密封端面平均线速度，v=（d1+d2max）n/2=4.5m/s； A密封端面径向投影面积，A=413.7mm2； r1 密封端面内半径，m； r2 密封端面外半径，m；代入式（5），（6）得：Tf=0.58Nm，Nf=170W.根据转矩和功率大小，本实验台使用泰安伊万福电机有限公司生产的Y2-711-2型三相异步电动机，如表3.1所示为该三相异步电动机的主要技术指标，它的性能满足机械密封实验的要求。额定电压（V）380额定电流（A）1额定转速（r/min）2820额定功率（KW）0.37表3.1 Y2-711-2三相异步电动机主要技术指标3.3 主轴设计和校核由于轴长期处于密封介质中，密封介质具有一定的腐蚀性，所以采用1Cr13材料并调质处理。据机械设计手册（新版）(机械工业出版社)18材料的力学性能为:牌号 1Cr13热处理 调质直径() 60mm硬度(HB) 187 217抗拉强度(b) 600MPa屈服强度(s) 420MPa弯曲疲劳极限(-1) 275MPa扭转疲劳极限(-1) 155MPa许用静应力(+1p) 240MPa许用疲劳应力(-1p) 152MPa183MPa因此取 =155MPa Tmax=80GPa对于精密稳定的传动为0.250.5/m，因此取=0.25/m通过电机的输出功率对轴进行保守设计：由电机功率为N=0.37KW，转速n=2820r/min扭矩： 由强度条件： 由刚度条件： 因此设计轴的最小截面直径d=18mm校核轴强度：校核轴刚度： 经校核，轴径符合要求。3.4 压力容器设计根据实验设备的要求，取密封腔体的材料为铸钢ZG270-5003(GBT/2100一1980)。该材料属于中碳铸钢，有一定的韧性及塑性，强度和硬度较高，切削性良好，焊接性尚可，铸造性能比低碳钢好铸造性能较好，具有较好的力学性能。在弱腐蚀介质和温度不高的情况下，均有良好的耐蚀性。可用于承受冲击负荷、要求韧性高的铸件。对该材料进行热处理后，其力学性能为： 根据GB150标准中压力容器的设计规范：19 (7)式中： 计算厚度，mm； Pc计算压力，MPa，Pc1.051.1P； D 密封腔体直径，mm； t设计温度下的许用应力，MPa； 焊缝系数； C 壁厚附加量；其中壁厚附加量：C=C1+C2+C3； C1钢板厚度负偏差； C2腐蚀厚度； C3钢材加工损失厚度设计计算中取：=1.0； Pc=31.1=3.3MPa； 100时，t=163MPa; 钢板厚度负偏差C1=0.6mm； 腐蚀厚度C2=0.5mm； 钢材加工损失厚度C3=1mm代入数据到（7）式得：为了保证安全，为以后更高压力条件下实验考虑，取壁厚为5mm。3.5 螺栓、轴承等其他部件选型3.5.1 螺栓的设计和校核由于螺栓连接的密封腔与机封座之间的作用力是以轴向力为主，剪切力可以忽略不计，因此设计螺栓应按照受拉螺栓连接进行。密封腔的设计压力为3MPa，取材料为45#钢的8个螺栓对称布置进行连接。由机械设计手册得知45#钢：力学性能 =480MPa螺栓许用拉应力为： 20 (8)其中，Ss=1.21.5，取Ss=1.5，代入（8）式得：=320MPa机封座承受压力为： 则，单个螺栓所承受的力为：对于有密封性要求的连接，残余预紧力：F2=1.5F1=1.51792=2688N总拉力： F总=F1+F2=1792+2688=4480N则根据第四强度理论得：为了保证安全，使用45#钢材料，直径为8mm 的螺栓进行连接。3.5.2 轴承选型及计算本设计中，主轴利用一对角接触球轴承面对面安装进行支撑，最高转速为2820r/min，轴承预期使用寿命Lh=5000h，脂润滑。预选轴承型号为7207C，由手册查的轴承数据如下：Cr=30.5KN C0r=20KN轴承主要受到轴向力，径向力可忽略不计，轴向力大小为：则： 查机械设计（第四版）表18.7得：e=0.47且则： X=0.44，Y=1.02冲击载荷系数，查表18.8得： fd=1.2当量动载荷为： 额定动载荷为：选用轴承7207C可以满足轴承寿命的要求。3.5.3 联轴器选型及校核本设计为减小由于同轴度误差引起的不良影响，采用柔性联轴器。联轴器的计算转矩Tc包括两部分：为克服连续作用的额定载荷和摩擦阻力所需的工作转矩T和附加动力转矩T，常按下式进行计算：Tc=T+TKTTn式中 Tn许用名义转矩，由手册查出； K 载荷系数，K=1.9 T 工作转矩，T=1.25Nm则： Tc1.91.25=2.4Nm 根据轴径初选联轴器型号为：电机端KL2，Tn=10NmTc转矩转速仪端KL3，Tn=224NmTc所选择的联轴器满足使用要求。本章小结本章首先通过对机械密封两种模型的比较，确定本方案采用平衡式锥面机械密封的结构，并对主要密封件动环、静环从选材到尺寸确定