【正文】 ，對軸或軸套的磨損較??；(7)適用范圍廣。據(jù)統(tǒng)計，機械密封的摩擦功耗僅為軟填料密封的20%一30%。機械密封端面密封由自潤滑性及耐磨性較好的材料組成，還具有磨損補償機構。工作是，輔助密封圈無明顯相對運動，基本上屬于靜密封。動環(huán)在腔內(nèi)介質(zhì)壓力和彈性元件彈性力的雙重作用下與靜環(huán)始終保持良好的貼合狀態(tài)。，機械密封安裝在旋轉軸上，密封腔內(nèi)有緊定螺釘彈簧座彈簧動環(huán)輔助密封圈動環(huán)1，它們隨軸一起旋轉。 機械密封的組成、工作原理和特點機械密封種類繁多，不同種類的機械密封結構也各不相同，但從總體上來說，基本上所有的機械密封都由四個部分組成:①由動環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面，該密封端面有時也稱為摩擦副，這是機械密封最核心的組成部分。據(jù)調(diào)查，在石化工藝裝置機泵中，有86%以上使用機械密封。為了提高我國機械密封產(chǎn)品的整體質(zhì)量，規(guī)范其生產(chǎn)、開發(fā)、研究與應用，大量的機械密封標準也紛紛訂立。沈陽水泵廠、上海水泵廠、天津機械密封廠最早在60年代開始相繼生產(chǎn)機械密封件[4]。新技術、新材料、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，機械密封也開始在各行各業(yè)廣泛使用。機械密封開始獲得了更加廣泛的應用，美國、西歐、日本、蘇聯(lián)等國家都開始正規(guī)的生產(chǎn)機械密封。第二次世界大戰(zhàn)前后，石油化工企業(yè)的發(fā)展和材料和加工技術的提高，大大促進了機械密封技術的發(fā)展和應用，機械密封的使用參數(shù)有了很大的提高。1885年，由于液壓傳動、蒸汽機和機床的產(chǎn)生，在英國首先有人申請了機械端面密封的專利，并在1900年作為油封用于軸承密封。它是通過一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構彈性力(或磁力)的作用以及輔助密封的配合下保持貼合來達到防止流體泄漏的效果的密封裝置[1]。對整臺機器設備、整套裝置、甚至對整個工廠的安全生產(chǎn)影響都很大，特別是在石油化工企業(yè)中，對保證設備運轉可靠、裝置連續(xù)生產(chǎn)具有重大的意義。1920年，機械密封開始在小型家用冷凍壓縮機和內(nèi)燃機汽車水泵上獲得了數(shù)量較多的應用，結構上也取得一定突破，開始形成單、雙端面密封。至此，機械密封在美國得到了普及推廣并應用到石油和化學行業(yè)中，蘇聯(lián)和歐洲國家也開始廣泛使用。為了規(guī)范和促進生產(chǎn)，各國紛紛出臺了機械密封相關的標準，其中以美國的API682影響最大，它是第一部完整地覆蓋了離心泵和轉子泵中機械密封設計和應用的標準，世界各國都以此規(guī)范其機械密封的設計、制造、選型和應用[3]。目前，機械密封的單級最高壓力可達35MPa，使用溫度可高達1000℃，機器轉速高達50000r/min，PsV值達1000MPa80年代以來，我國主要機械密封廠相繼引進了美、英、日本和德國的先進機械密封技術，使我國機械密封技術水平迅速提高。近10年來，隨著計算機技術的發(fā)展，開始利用有限元分析法(EFA)和計算機輔助設計(CAD)來模擬和預測各種條件下的密封性能，并通過選擇合理的目標函數(shù)而得到針對某一具體工況下機械密封的優(yōu)化結構參數(shù)。在對國內(nèi)外幾個石化企業(yè)的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)日常機泵等設備的維修工作機械密封的維修所占的工作量達到了50%。②由彈性元件或磁性元件組成的緩沖補償裝置，這是保證機械密封可靠性能的重要條件。機械密封的其他零件，包括靜環(huán)靜環(huán)輔助密封圈7和防轉銷8安裝在端蓋內(nèi)，端蓋與密封腔體用螺栓連接。動環(huán)與靜環(huán)相對運動形成摩擦副，阻止了介質(zhì)沿端面間的徑向泄露（泄漏點1），構成了機械密封的主密封，并在密封端面之間形成一層極薄的液膜，它不僅對端面起到潤滑作用，而且還平衡著密封面兩端的壓力。端蓋與密封腔連接處的泄漏點4為靜密封，常用O型圈來密封[9].機械密封之所以能夠比其它各種密封方法，如軟填料密封方法更適合使用于石油化工等高要求的場合，是因為與一般的密封方法相比，機械密封有著以下的特點[1],[8] [9]:(l)密封性能好。因此，密封端面的磨損量在正常工作條件下很小，一般的可連續(xù)使用12年，特殊的可用到510年以上。(4)運動中不需要調(diào)整。當合理選擇摩擦副材料及結構，加之設置適當?shù)臎_洗、冷卻等輔助系統(tǒng)的情況下，機械密封可廣泛適用于各種工況，尤其在低溫、高溫、真空、高壓、不同轉速以及各種腐蝕性的、含有雜質(zhì)等惡劣工況下，更顯示出其優(yōu)越性；(8)結構復雜、拆裝不便。 集裝式機械密封定義及特點集裝式機械密封又叫卡式密封，首先是利用運輸中的“集裝箱”概念，這種密封的旋轉和靜止部分在安裝前預裝成一整體，經(jīng)檢查和試壓合格后套裝在軸封箱內(nèi)軸上，用緊定螺釘固定在軸上，上緊壓蓋螺栓，拆除集裝限位塊，機械密封就可以處于平行面工作狀態(tài)，投入運轉。API682標準中推薦了所有機械密封采用集裝式機械密封。[24]。 國外機械密封實驗臺 在我國，機械密封測試技術的研究主要還是局限于某些大學和大公司的研究所，其中一些石油化工類學校在機械密封的試驗和研究方面作出了巨大貢獻。 機械密封的研究方向目前，盡管機械密封技術已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，機械密封在各行各業(yè)得到了廣泛的應用，但在一定意義上，機械密封技術的理論與發(fā)展還很不完善。在機械密封的合理性方面，密封系統(tǒng)的元件還無系列化產(chǎn)品，要提高密封產(chǎn)品的系列化程度，與密封產(chǎn)品配套供應，以提高密封的性能及其使用壽命，這就需要提高技術診斷、失效分析與密封狀態(tài)的監(jiān)控技術。由于機械端面密封有著工作可靠、泄漏量少、使用壽命長、適用范圍廣等優(yōu)點，極大地改善了設備在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的跑、冒、滴、漏等問題，并越來越多地取代了以前占優(yōu)勢的填料密封在旋轉軸密封上的地位，特別是在一些高速、高溫、高壓、腐蝕性大、有毒易燃易爆的設備環(huán)境中，機械密封的作用是其它種類的密封產(chǎn)品所不可替代的。據(jù)我國有關部門統(tǒng)計，在石油化工類企業(yè)，80%一90%的離心泵使用機械密封[9]。本課題正是基于此目的，進行機械密封實驗臺的開發(fā)。從總體上來說，國內(nèi)機械密封技術水平與國外有一定距離，這與我國機械密封實驗開展的現(xiàn)狀有關。而且由于機械密封種類繁多，應用的場合不一樣，研究的目的也不同，目前機械密封實驗臺還主要是有目的、有對象地定制的。[本章小結]本章首先結合大量文獻資料對機械密封的國內(nèi)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進行概括，隨后簡單介紹了機械密封的組成結構、工作原理及特點，指出機械密封的發(fā)展方向。 機械密封實驗臺設計要求根據(jù)機械密封實驗的目的，并結合實驗中進行變工況機械密封實驗的要求，變工況機械密封實驗臺主要需滿足以下要求:(1)具有一定的通用性，滿足多種集裝式機械密封產(chǎn)品實驗的能力（包括平衡型和非平衡型機械密封實驗）。(5)實驗臺主軸轉速可調(diào)，轉速范圍為:0~2820r/min。 機械密封實驗臺總體方案確定 機械密封實驗臺的組成根據(jù)設計要求，實驗臺由本體結構部分、控制部分和測試系統(tǒng)三部分組成，： 機械密封實驗臺結構框圖本體結構部分具體為：(1)動力傳動機構：根據(jù)實驗臺設計要求，實驗臺可以進行靜壓和動壓兩種實驗，因此需要動力傳動裝置帶動機械密封運轉，并且要求傳動裝置輸出的轉速可調(diào)。軸承箱上每個軸承用兩個端蓋進行密封（氈圈）與預緊，在裝配之前在軸承端蓋內(nèi)注入鈣基脂進行潤滑。[14]實驗系統(tǒng)在水箱上設計加熱棒，并設置溫度控制儀表。另外，可以通過改變密封腔體中介質(zhì)壓力、溫度，達到模擬各種不同工況下機械密封工作情況的目的，并通過實驗臺上測試系統(tǒng)測試出密封具體工作參數(shù)，完成機械密封實驗。如前文所述，實驗臺結構部分包括動力傳動機構、密封腔及壓力傳輸機構，本章將就密封件設計、電機選擇、密封腔設計等部分進行分析。平衡式機械密封能降低端面上的摩擦和磨損，減小摩擦熱，承載能力大。當介質(zhì)粘度高、潤滑性能好，p≤，或低粘度、潤滑性較差的介質(zhì)，p≤ 時，通常選用非平衡式結構。本設計主軸最高轉速為2820r/min，密封軸徑最大為50mm，則初取轉速為8m/s可采用彈簧旋轉式結構。而端面機械密封則是采用普通的兩平行平面進行密封。因此，接觸面內(nèi)外溫差小，散熱好，降低了粘著磨損程度, 摩擦功耗低；經(jīng)實測摩擦功耗僅為盤根密封的28%，使用壽命長，且對軸不產(chǎn)生磨損，介質(zhì)中的懸浮顆粒也不易在密封面內(nèi)駐留，特別適合于含有磨料和固體懸濁物的設備。因此，對密封環(huán)的材料、形狀、尺寸以及表面加工質(zhì)量等都有較高的要求。載荷系數(shù)也可以用面積比來表示：介質(zhì)壓力作用在補償環(huán)上使之與非補償環(huán)趨于閉合的有效作用面積Ae與密封端面面積A之比，即： （1）一般對于外流平衡式β=～，對于中等粘度介質(zhì)（如水、水溶液、汽油等），β=～。[16]故初取L=1～3mm，α=45176。對于靜環(huán)，因為它與軸有相對運動，其間隙值應稍大，取直徑間隙e2=1mm。本設計中，軟材料使用碳石墨，硬材料為碳化硅，兩者配對組成的摩擦副所允許的[PsV]值為63MPa同時用來克服輔助密封圈與軸之間的摩擦力，使補償環(huán)沿軸向移動，以補償端面磨損后形成的間隙。則密封面的閉合力為： （3）其中Fs=PsA，F(xiàn)p=PAe，F(xiàn)m=λPA，則密封面比壓為： （4）式中：Ps為彈簧比壓；A為密封面的徑向投影面積，；P為密封介質(zhì)壓力，本設計中P=3MPa；Ae為介質(zhì)作用中密封軸套上的有效面積，；λ為液膜反壓系數(shù)，對于粘度較大的液體λ=1/3；為了保證機械密封具有長久的使用壽命和良好的密封性能，必須選擇合理的端面比壓，根據(jù)機械密封手冊有關規(guī)定選擇Pc=。在靜環(huán)磨損最嚴重時，接觸母線長度L=3mm，密封端面外徑d2=，此時：平衡系數(shù) 密封面徑向投影面積 代入（4）式得彈簧比壓Ps=，彈簧力Fs=PsA=。 摩擦功率計算及電機選型機械密封在運行過程中，功率消耗包括密封端面摩擦功率Nf和旋轉組件對介質(zhì)的攪拌功率Ns。額定電壓（V）380額定電流（A）1額定轉速（r/min）2820額定功率（KW） Y27112三相異步電動機主要技術指標 主軸設計和校核由于軸長期處于密封介質(zhì)中，密封介質(zhì)具有一定的腐蝕性，所以采用1Cr13材料并調(diào)質(zhì)處理。 壓力容器設計根據(jù)實驗設備的要求，取密封腔體的材料為鑄鋼ZG2705003(GBT/2100一1980)。對該材料進行熱處理后，其力學性能為： 根據(jù)GB150標準中壓力容器的設計規(guī)范：[19] (7)式中： δ——計算厚度，mm； Pc——計算壓力，MPa，Pc≈~； D ——密封腔體直徑，mm； [σ]t——設計溫度下的許用應力，MPa； φ——焊縫系數(shù)； C ——壁厚附加量；其中壁厚附加量：C=C1+C2+C3； C1——鋼板厚度負偏差； C2——腐蝕厚度； C3——鋼材加工損失厚度設計計算中?。害?； Pc=3=； 100℃時，[σ]t=163MPa。由機械設計手冊得知45鋼：力學性能 [σ]′=480MPa螺栓許用拉應力為： [20] (8)其中，[Ss]=~，取Ss=，代入（8）式得：[σ]=320MPa機封座承受壓力為： 則，單個螺栓所承受的力為：對于有密封性要求的連接，殘余預緊力：F2==1792=2688N總拉力： F總=F1+F2=1792+2688=4480N則根據(jù)第四強度理論得：為了保證安全，使用45鋼材料，直徑為8mm 的螺栓進行連接。聯(lián)軸器的計算轉矩Tc包括兩部分：為克服連續(xù)作用的額定載荷和摩擦阻力所需的工作轉矩T和附加動力轉矩T′，常按下式進行計算：Tc=T+T′≈KT≤Tn式中 Tn——許用名義轉矩，由手冊查出； K ——載荷系數(shù)，K= T ——工作轉矩，T=m≥Tc所選擇的聯(lián)軸器滿足使用要求。 機械密封實驗臺主軸轉速的調(diào)節(jié)為了實現(xiàn)電機的調(diào)速，使電機輸出轉速平穩(wěn)，本實驗臺采用施耐德的ATV312HON4型變頻器控制電機的輸出，實現(xiàn)電機的調(diào)速。使用該變頻器可以使電機在0一2820r/min范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足實驗臺模擬不同工況進行實驗的要求。（2）溫度的調(diào)節(jié)：通過加熱棒加熱流體溫度，并通過溫度控制器控制水箱溫度。第五章 機械密封實驗臺測試部分設計第5章 機械密封實驗臺測試部分設計早期國內(nèi)外出現(xiàn)的機械密封實驗臺沒有測試系統(tǒng)，因而無法監(jiān)測機械密封的內(nèi)部工作狀況。 設計的指導思想根據(jù)設計要求，機械密封實驗臺測試系統(tǒng)需要完成對實驗情況及工作環(huán)境參數(shù)的測試，如工作溫度、壓力的測試和調(diào)節(jié)；完成對機械密封主要技術參數(shù)和工作狀況的測試，如電動機轉速、轉矩測試等。被檢測對象環(huán)境中既有電動機又有水泵，它們在啟動、運行以及停止過程中會產(chǎn)生不同強度的電磁輻射和振動，電源的浪峰和尖峰，還要考慮溫度、壓力等因素帶來的干擾和誤差。 密封實驗臺測試系統(tǒng)組成。密封實驗臺電機工作轉速、轉矩則是由轉矩轉速傳感器測量后，通過接口與DSP二次儀表相連，實現(xiàn)轉矩、轉速和功率等工作參數(shù)的測量。靈敏度是指輸出端信號的變化量與引起這種變化的被測量的變化量之比值。線性范圍越寬，表明傳感器的工作量程越大。相頻特性是指被測輸入量作正弦變化時，與輸出量之間相位差隨頻率的變化關系。穩(wěn)定性是指傳感器經(jīng)過長期使用之后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。它包括傳感器的測量值精度和重復精確度。在線與非在線測量等。傳感器的選擇既要保證測量精度的要求，也要便于計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。本實驗臺選用康銅——銅熱電偶，顯示儀表采用UJ36型攜帶式電位差計。（3）壓力測量密封腔的壓力使用量程為0~4MPa的真空壓力表測量，測量管直接從密封腔內(nèi)引出。如果按輸出信號的模式可分為模擬式和數(shù)字式兩種，按工作原理又可分為電容式、光電式、磁電式。本實驗臺選用四川誠邦測控技術有限公司的YB0型傳感器（）進行轉矩轉速的測量，同時使用該傳感器配套的DSP二次儀表進行數(shù)據(jù)顯示，同時可以顯示轉矩、轉速和功率的測量值