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机械密封用密封环和辅助密封圈

密封环
密封环包括旋转环和静止环，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、结构、形状、尺寸以及表面加工质量等都有较高的要求。
1）选择密封环材料
必须具备足够的强度、硬度，耐磨性、耐蚀性、耐温性、耐冲击韧度和疲劳强度等，并且要具有良好的加工性和合理的经济性。其中，耐磨性、耐蚀性和抗热裂性能是最主要的要求。
2）密封环的结构形状
密封环的结构型式很多，主要根据使用要求确定。图29.7-12为旋转环的几种常用结构型式，图a结构简单，省略了推环，适合采用橡胶O形辅助密封圈，缺点是密封圈沟槽直径不易测量，制造时难于保证公差；图b对于各种形状的辅助密封圈都能适应，装拆方便；图c只适合用O形密封圈，对密封圈尺寸精度要求低，但易使密封圈变形。

图29.7-12旋转环的结构型式
为节约贵重金属，机械密封常将两种不同材料的环进行压装和热装，见图d。为提高镶装处密封的可靠性，有时还需配合使用高强度、耐高温粘接剂。环的最大应力可近似按厚壁组合圆筒公式计算，在最高工作温度下，过盈量应保持在25～50μm。镶装宽度一般为5～20mm。
为使硬质合金环能正确镶嵌到位，设计时应考虑在环座上设退刀槽，如图29.7-13所示。

图29.7-13硬质合金环镶嵌结构
图29.7-12e采用了柱销连接，可克服d图结构在高温下易从环座中脱出的缺点，但加工困难；图f是堆焊硬质合金或喷涂陶瓷等的结构。上述各种结构中，图d是目前采用最普遍的一种。
图29.7-14为静止环常用的结构型式。其中图的结构a应用最普遍，辅助密封圈采用橡胶O形圈、聚四氟乙烯V形圈或O形圈均可；图b结构的尾部较长，安装两个O形密封圈，中间环隙可通水冷却；图c结构也是为了强化冷却的一种结构形式；图d结构的两端面均加工成工作面，工作一段时间后可调头使用；图e结构多用于外置式，或轻载的简易机械密封上。

图29.7-14静止环的结构型式
3)密封环的主要尺寸
密封环的主要尺寸（见图29.7-15）包括密封端面宽度b、端面内直径d1和外直径d2，其次还有端面凸台高度h和密封环与轴的配合间隙。

图29.7-15密封环主要尺寸
密封端面常用软、硬两种不同材料配对。窄环常用软材料，宽环常用硬材料，这样可避免磨损后硬环嵌入软环。在强度、刚度允许前提下，端面宽度b（其值为 ）应尽量选取较小值，过大则冷却、润滑效果不好，但也不宜过小，否则会使端面压强增加，温度升高，摩损加剧。此外，选择时也应考虑密封工作条件，如转速高、易挥发介质和气体时，都应适当减小端面宽度，以利润滑和改善导热状况。窄环端面宽度b的参考值见表29.7-4。硬环端面宽度应比软环大1～3mm。若旋转环和静止环均为硬材料，则两者可取相等宽度。
端面高度h一般取2～3mm。石墨、填充聚四氟乙烯、青铜等可取3mm；碳化钨可取2mm。设计时主要考虑强度和耐磨性。
当载荷系数K、端面宽度b及平衡直径db确定之后，即可算出端面内径d1：
内流平衡式

外流平衡式

非平衡式：d1=d+（1～5）
端面外直径：d2=d1+2b
密封环与轴的配合间隙，旋转环和静止环取值不同。对于旋转环，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、轴振动等的影响，取直径间隙e1=0.5～1mm。对于静止环，因为它与轴有相对运动，其间隙值应略大，一般取直径间隙e2=1～2mm。
密封环摩擦端面平面度一般≤0.9μm。为防止摩擦面粘着，减小起动转矩，两端面应具有不同的粗糙度值，参见表29.7-5。
表29.7-4窄环端面宽度b
窄环材料
端面宽度b
轴径d
16
18
20
22
25
28
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
110
120
非平衡式
石墨
3
4
5
5.5
6
碳化钨
2
2.5
3
3.5
填充聚四氟乙烯
3
4
5
5.5
—
青铜
2
2.5
3
3.5
平衡式
碳化钨
2
2.5
2.75
3
石墨
2.5
3
4
5
5.5
6
青铜
2
2.5
2.75
3
表29.7-5摩擦端面粗糙度值（μm）
材料
静止环
旋转环
陶瓷
抛光至Rα0.2
研磨至Rα0.4
石墨
抛光至Rα0.2
抛光至Rα0.2
金属
抛光至Rα0.2
研磨至Rα0.4
碳化钨
抛光至Ra0.05
研磨至Rα0.25
硅化石墨
抛光至Rα0.05
研磨至Rα0.4
碳化硅
抛光至Rα0.05
研磨至Rα0.4
4)辅助密封圈和波纹管
机械密封中的辅助密封圈包括旋转环密封圈和静止环密封圈，它们分别构成旋转环与轴、静止环与压盖之间的密封。同时，由于密封圈材料具有弹性，能对密封环起弹性支撑作用，并对密封端面的歪斜和轴的振动有一定的补偿和吸振效果，可提高密封端面的贴合度，当端面磨损后，在弹簧力作用下，密封圈随补偿环沿轴向作微小的补偿移动。

5)机械密封中常用辅助密封圈
为橡胶O形密封圈和聚四氟乙烯V形密封圈，辅助密封圈的大小必须与密封部位相关尺寸相适应。图29.7-16a、b分别为O形密封圈和V形密封圈与相关部位的尺寸。考虑橡胶O形圈与聚四氟乙烯V形圈的互换性，设计时取相同的公称尺寸。O形密封圈安装后的压缩量应该适当，普通橡胶O形圈压缩率取截面直径的5%～10%，对轴的过盈量为1%～3%。表29.7-6为橡胶O形密封圈尺寸及压缩率推荐值。O形密封圈的压缩率是靠控制密封圈安装沟槽的尺寸来保证的，O形密封圈的安装沟槽见图29.7-17。图中D1，见图29.7-16。

图29.7-16密封圈及相关部位尺寸
6)表29.7-6橡胶O形密封圈尺寸及压缩率推荐值
内径D1/mm

O形圈截面直径d1/mm

压缩率（%）d2
6～10
6～9
6～8.5
V形辅助密封圈一般用聚四氟乙烯车制而成，其形状、尺寸见图29.7-17和表29.7-7。
7)表29.7-7V形密封圈的V形环尺寸推荐值

16～28
30～80
85～140

24～36
40～90
97～152
B
3.6
4.1
4.5
B1
1
1.3
1.5
表29.7-8为V形密封圈的撑环尺寸推荐值。
静止环的V形辅助密封圈，通常是将一个V形环和一个撑环配对使用。V形密封圈作旋转环辅助密封时，是将两个V形环重叠使用，并将推环的端部加工成与撑环相同的形状、尺寸，以代替撑环的功能。
8)表29.7-8V形密封圈的撑环尺寸推荐值（mm）
d（D11）
25～28
30～80
85～140
D（d11）
33～36
40～90
97～152
B
2.3
2.7
3.2
B1
0.5
1
1.5

图29.7-17聚四氟乙烯V形密封圈截面形状尺寸
a）撑环；b）V形环