1、机械密封基本原理及特点2.1.1、定义一两个平直圆环端面，在弹力和被密封介质压力共同作用下紧密贴合并可相对转动，和辅助密封一同阻止泄漏的密封装置。
故机械密封又称端面密封。
2.1.2定义二一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副预紧和介质压力与弹性元件压力压紧而达到密封的轴向端面密封装置。
2.2、机械密封与滑动推力轴承机械密封原型为滑动推力轴承。
相同点，两个端面作为工作承载面，端面间需要润滑；不同点，轴承是载荷决定润滑，机械密封则是泄漏决定载荷。
机械密封国内标准规定：当轴颈不超过50mm时，泄漏量最大为3ml/h，超过50mm 时，最大泄漏量为5ml/h。
国外标准基本如此。
2.3、基本构成及工作原理2.3.1、密封环，提供平直端面的部件，旋转的称为动环，静止的为静环。
端面接触部分称为摩擦副。
端面精度直接决定了机械密封的性能，故端面制造者精度极高。
机械密封国内标准规定：密封端面平面度不大于0.0009 mm，硬质材料密封环密封端面粗糙度值Ra 不大于0.2 μm，软质材料密封环密封端面粗糙度值Ra 不大于0.4 μm。
实际制造精度一般可达到端面平面度不大于0.0003mm，粗糙度值Ra 不大于0.04μm。
因平面度存在误差，机械密封端面间存在着缝隙，这是机械密封泄露的根本，也是其能够工作的根本，泄漏用来润滑。
端面是机械密封主要泄漏点，占整体泄漏量的80~90%。
2.3.2、辅助密封，也称付密封、补偿密封，为密封环相对回转轴的运动提供密封和位移补偿的部件。
2.3.3、弹性元件，提供弹力的原件。
2.3.4、传动原件，实现端面能相对转动的零部件。
2.4、按照功能特点分类2.4.1、按端面接触状态2.4.1.1、接触式工作时两端面机械接触。
端面结构及工艺简单，泄漏量小，有磨损，功耗高，适用于密封液体介质。
轻载时可密封蒸汽、气体及混合状态介质。
端面可加工一定形状，工作时产生动或静压力，降低端面载荷，但泄漏量会增加。
2.4.1.2、非接触式工作时两端面不接触。
端面结构及工艺复杂，泄漏量大，无磨损，功耗低，理论上寿命无限，适合密封液体或气体介质。
按端面分离分离原理分为动、静压型，前者依靠端面间流体动压力实现，后者则为流体静压力实现。
2.4.2、按辅助密封2.4.2.1、推进式辅助密封为独立的密封元件，一般为成型填料，在压力和弹力的作用下保持与被密封件间的密封和位移补偿。
因材料限制，目前多为橡胶或塑料（如PTFE）制造，使用温度受限，但可耐高压。
目前最好的橡胶材料为全氟橡胶，最高使用温度可超过300℃，但此时磨损特性不佳，只适合做静密封。
推进式密封的辅助密封工作时处于微动状态，故属于动密封范围，除端面外另一个主要泄漏点，其摩擦运动增加动态阻力，影响端面跟随性，影响泄漏和运行稳定性及耐久性。
2.4.2.2、波纹管式辅助密封为波纹管，利用弹性管原理实现密封和运动补偿。
按使用材料可分为金属波纹管和有机材料两种。
前者按制造分为成型和焊接两种，后者一般采用塑料如聚四氟乙烯（PTFE）或橡胶制造。
金属波纹管介质及温度适应性好，故金属波纹管密封可用于高温，目前高温机械密封多属此类。
波纹管因制造结构及工作原理限制不适合高压，目前焊接金属波纹管机械密封标称最高工作压力为 6.9Mpa，实际应用一般不差过2.1Mpa。
因波纹管为一个整体，故较推进式密封少一个主要泄漏点，泄漏量低；另波纹管运动时无摩擦，动态特性好，对泄漏影响小，工作稳定性与持久性较推进式高。
2.4.3、按弹性元件2.4.3.1、弹簧式弹性元件为弹簧。
通常采用螺旋弹簧或波形弹簧，2.4.3.1.1、螺旋弹簧，分为单弹簧和多弹簧。
单弹簧采用一个包容旋转轴的弹簧提供轴向推力。
结构简单，适合中小轴颈，可以实现弹簧传动进一步简化结构，但须区分旋向；另因轴向弹力分布不均，不适合高性能产品；因单个弹簧尺寸相对大些，俗称大弹簧，轴向长度也较大，结构不够紧凑。
单弹簧节距及线径较大，杂质及腐蚀适应性好。
多弹簧采用多个较小弹簧按圆周点步，结构相对单弹簧复杂，不能实现弹簧传动，但因弹力均匀，性能较单弹簧稳定，且结构紧凑，布置灵活，适合中高性能产品。
杂质及腐蚀适应性差。
多弹簧俗称小弹簧。
2.4.3.1.1、波形弹簧波形弹簧属于单弹簧密封，具有单弹簧结构简单特点，同时兼顾多弹簧密封特点。
随着制造工艺及设备的成熟，在通用密封上应用更为普遍。
2.4.3.2、波纹管式弹性元件为波纹管。
因弹力及压缩率需要，目前基本为焊接金属波纹管。
随着材料的进步，金属成型波纹管也逐渐开始普及，且金属成型波纹管波距较大，杂质适应性要好于焊接的。
其它材料波纹管因弹力问题，只能作为辅助密封，需单独的弹性元件，如橡胶波纹管密封多采用单弹簧，聚四氟乙烯波纹管为多弹簧结构。
2.4.3.3、磁力密封利用磁性元件对某些金属的磁吸力作为弹力，结构简单紧凑。
但采用磁吸力原理时，端面恢复力差，且当介质中有铁磁性杂质时会失效，这些均制约其使用，目前多作为轴承密封。
2.4.3.4、高弹性体密封采用材料自身的高弹性提供弹力，如直接采用橡胶材料，目前在钻机中应用较多。
2、机械密封技术参数3.1、弹簧比压弹力作用在端面上的压强。
Kt = k * n * L /（D12-D22）其中k为弹簧的弹率n为弹簧数量D1 为摩擦副外径D2 为摩擦副外径弹簧比压为无压时端面载荷，表明端面初始贴合能力。
因为设计方法及理论差异，不同制造商取值不同，同时考虑密封的通用性及压力适用范围，差异更多。
按照顾永泉先生的理论及我公司实践，对于推进式密封，Kt一般选用0.2~0.3，对于金属波纹管密封一般选用0.15~0.25。
3.2、平衡系数3.2.1、平衡直径平衡直径之压力在端面上有效作用直径。
对推进式密封来说，平衡直径也称滑移直径，就是滑移面的直径。
滑移面是指辅助密封做轴向补偿时与其有相对位移的表面。
对于焊接金属波纹管密封，平衡直径理论上可视作为其有效作用中经。
这是因为焊接金属波纹管可简单看做是圆锥面的链接，受压时，按虚功原理计算，实际承压面积仅为全部面积的1/2。
3.2.2、平衡系数平衡系数也成面积比，是机械密封基本参数之一。
平衡系数为摩擦副实际承压面积与摩其面积比值，通常采用K表示。
K=（D12-Dm2）/（D12-D22）其中D1 为摩擦副外径D2 为摩擦副外径Dm 为平衡直径 3.2.3、平衡性及非平衡型密封按平衡系数大小可将机械密封分为两类，当K≥1时称为非平衡型，当0≤K<1时称为平衡性。
这种分类只适合于推进式密封。
因推进式密封为实现平衡性结构，滑移直径一定在摩擦副直径范围内，故需设计一个台阶方能实现，结构也复杂。
平衡型密封可有效降低端面载荷，实现更高性能，故当压力超过1.0~1.5Mpa时，推进式密封多采用平衡型结构。
波纹管密封平衡直径为其有效作用中经，故波纹管密封可不需此台阶而直接设计为平衡性密封。
3.3、膜压系数3.3.1、泄漏与膜压机械密封端面存在间隙，按标准最大可以为0.0018mm，实际上可能更大或更小。
按顾永泉先生的理论，接触式机械密封端面在工作时大多处于混合摩擦状态，端面间实际接触面积不超过名义面积的2%，故端面间实际存在连续流体膜，这是泄漏根本。
当摩擦副内外径存在压差时，流体膜即形成压力流，从而形成液膜压力。
但液膜压力是不均匀的，对于水、油不可压缩流体，压降可视为线性，对于气体及粘稠流体（非牛顿流体），压降不符合线性。
对于端面来说，膜压属于正压力，会使端面打开。
3.3.2、膜压系数密封端面间流体膜平均压力与摩擦副内外侧压差的比值。
一般的，对于平行端面，纯液相，如常温的水、油等，膜压系数取0.5；对于闪蒸烃类，如液化气，膜压系数取0.7，对于原油、胶类等非牛顿流体，可取0.35。
3.4、端面比压3.4.1、端面贴合力作用在端面上的力F包括弹簧力，两端压差的有效作用面积，膜压力及惯性力和摩擦力（请参照顾永泉先生《密封技术》第75页，PDF第86页）。
当外侧压力高于内测时：F=Ft+P2*A*K+P1*A*（1-K）-P1*A-Km*A ±Fg±Fm 整理为F=Ft+P2*A*K-P1*A*K-Km*（P2-P1）*A ±Fg±Fm F=Ft+Ps*A*（K-Km）±Fg ±Fm 其中Ft为弹簧力P2为外侧压力P1为内侧压力A为摩擦副面积K为面积比Km为膜压系数Fg为惯性力，Fm为摩擦力（当稳定工作时，此两项可忽略），Ps=P2-P1，为内外侧压差3.4.2、端面比压端面比压Pb就是作用在端面上的力和摩擦副面积的比值，也称接触比压。
Pb=Kt+Ps*（K-Km）任何时候，Pb必须大于0，否则断面变化打开。
3.5、平衡系数的取值对于非平衡型密封，因K一定比Km大，故考虑的不是端面如何打开，而是如何减小Pb以降低载荷。
所以对于非平衡型密封，只要结构允许，摩擦副内径越小越好。
对于平衡性密封，理论上K可以比Km小已获得更高的承载能力，但考虑到非稳定工作状态，一般通用产品取在0.7~0.85间。
因不存在摩擦力，金属波纹管密封比其它类型的可低些。
3.6、PV值当泄漏和寿命一定时，衡量密封性能的参数就是PV值，这是密封压力和端面平均速度的乘积，单位为Mpa.m/s。
3.6.1、PsV值机械密封性能参数。
Ps为密封压差，目前单机密封超过1000Mpa.m/s。
3.6.2、PbV值机械密封端面载荷情况。
Pb为端面比压，设计PbV值需小于许用【PbV】值。
许用【PbV】值是按不同材料配对在一定条件下试验确定的，表明材料的摩擦及磨损特性，相同条件时，许用【PbV】值高，说明材料性能好。
3.6.3、一般的，供应商只提供密封产品的需用温度、压力和速度三个参数，但不表明这三个参数可以同时达到。
这三个参数是相互影响的，除非每种情况都能得到实验，需更多实践验证，积累经验以补充，这也是机械密封技术专业性特点之一。
4、机械密封系统机械密封装系统指设备中与机械密封有关的设施。
机械密封系统一般分为机械密封总成和冲洗及保护系统（通常也称作密封辅助系统）两大部分。
4.1、机械密封总成机械密封总成分为机械密封（主体）和连接部件两部分。
机械密封总成即通常所说的集装密封。
这里的集装是指产品范围而非产品结构。
注意：美国石油协会标准API 682 《离心旋转泵的轴封系统》规定的可以作为一个整体进行安装的机械密封总成称为集装式密封不同，这种集装式密封的轴套和压盖间带有集成部件，如限位板或集成块，保证静止和旋转部分集成在一起。
机械密封（主体）即通常所说的非集装密封，一般包含机械密封的四大功能部件——端面、辅助密封、弹性元件和传动部件，是机械密封实现其密封功能的核心部件。
集装部分除非集装外的部件称为连接部件，主要为非集装在设备上定位和固定，类似设备基座功能。
