流体密封考点

• 1、密封可分为静密封和动密封两大类：

• 静密封：机械设备运动副相对静止的结合面，如管道连接、压力容器以及传动装置等的接合面间的密封称为静密封。

• 动密封：机械设备运动副相对运动的结合面（如缸体与活塞、阀门的传动轴与阀体、传动轴轴颈与静止的轴承端盖之间）间的密封称为动密封。动密封分为接触型密封和非接触型密封两类。

2. 分子流与粘性流

• 由于在螺旋槽干气密封摩擦副之间的气体润滑膜相当薄，只有微米级，因此在研究气膜的流动特性时，需要判别其是否符合连续介质假设条件。为此，引入一个确定连续介质假设适用范围的判据，此判据就是克努森准则（Knudsen）。

• 克努森准则的定义是：气体分子平均自由程与所研究问题中物体的特征尺寸之比，即:

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• r —泄漏通道当量半径，r=2A/H；

• λ— 气体分子的平均自由程；

• A— 流道的截面积；

• H— 包围流道截面积的周界。

• 当Kn＜0.01时，气体分子间的平均自由程远小于泄漏通道的特征尺寸，气体分子间的相互碰撞远远多于气体分子与流道壁面之间的碰撞，因而气体分子间的相互碰撞决定了流动性质，此时，rKn流动为粘性流 ；

• 当Kn＞1时，气体分子间的平均自由程大于泄漏通道的特征尺寸，流动阻力主要来自气体分子与流道壁面之间的相互碰撞，由于分子间的碰撞很少，各分子的运动可以认为是相互独立的，此时，流动为分子流 ；

• 当0.01＜Kn＜1时，气体分子间的平均自由程与泄漏通道的特征尺寸具有相同的数量级，流动特性与气体分子间的相互碰撞以及气体分子与流道壁面之间的相互碰撞均有关，此时，气体流动处于过渡流区域 。

• 空气的平均自由程为0.069μm, 气膜厚度通常为3～5μm,

因而空气在干气密封流动为过渡流。

• 3、摩擦表面几何形状由表面粗糙度、表面波度和表面形状误差（如机械密封端面平直度）三部分组成。

• 4、实际粗糙表面的接触

• 名义接触面积An：宏观几何尺寸所决定的面积。

• 轮廓接触面积Ac：两物体在外载荷作用下相互挤压时，接触斑点将出现在表面的波峰上，轮廓接触微元面积的总和即为接触面积，其大小与轮廓形状及所受载荷有关。

• 实际接触面积Ar：由微突体接触变形区域所形成的面积之和。

• 对机械密封端面，表面粗糙度为Ra0.05～0.2，实际接触面积不到1%。

• 5、润滑分为流体润滑和非流体润滑两种。 • 6、依流体润滑油膜压力形成的方式不同，将流体润滑分为流体动压润滑、流体静压润滑和弹性流体动压润滑三大类。

• 7、理论依据：流体润滑理论的基本方程——雷诺方程。

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• 动压流体润滑三个必备条件：摩擦面间存在收敛间隙、粘性流体、相对运动。

• 举例：滑动轴承、浮环密封、干气密封、上游泵送机械密封等

• 7、典型结构：

• 连接元件（如法兰）+ 垫片+紧固件（螺栓、螺母）

• 8、垫片密封的泄露方式：界面泄漏（80%~90%） 、渗透泄漏 、吹出泄漏（故障形式）。

• 9、垫片密封的分类

• 按密封垫片受力情况，可分为：

• 强制式密封：完全靠外力(如螺栓)对垫片施加载荷实现。

• 自紧式密封：主要利用介质的压力对垫片施加载荷。

• 半自紧式密封：上述两种方法兼而有之者，则称为半自紧

• 式密封。 th2hUXYP12hYXP12hX033压差流 剪切流 挤压流 • 按操作压力，中低压密封、高压密封和超高压密封。

• 低压密封 P＜1.568MPa

• 中低压密封 0.098＜P＜9.8MPa(绝压)

• 高压密封 9.8＜P＜98MPa

• 超高压密封 P＞98MPa

10、预紧比压Y

垫片预紧应力

F0 ——单个螺栓的紧固力，N；

Ag——垫片的压缩面积，mm2

• 预紧比压y：预紧（无内压）时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最小压紧载荷，也称最小压紧应力。

• y值是密封垫的固有值，只与密封垫本身的材料、形状有关，而与介质的种类及内压的大小无关。

• 11、垫片系数m：是指操作(有内压)时，达到紧密不漏，垫上所必须维持的比压与介质压力的比值。

• 与垫片的种类、尺寸、形状、环境温度、压

力 以及法兰密封面的表面粗糙度等因素有关。

• MPaAFggi,0gigiigpm0• m的大小反映了该垫片在实际工况下实现密封的难易程度。是设计、选择密封垫的重要参数，保证密封的必要条件是：

12、垫片尺寸：垫片接触面的 宽度 与 厚度 。它直接影响密封件的密封性能。

图示在某一恒定压力下，垫片宽度与泄漏率之间的关系。

可见：垫片宽度在一定范围内，泄漏率随垫片宽度增加而呈线性递减；当垫片宽度超过某一定值时，泄漏率基本不变，仅与介质压力有关。

图示在某一恒定压力下，垫片厚度与泄漏率之间的关系。 igmp 可见：泄漏率随垫片厚度增加而减小，当t超过3mm，曲线趋向一极小值。

但垫片受压时表层和中间抗变形能力会产生差异，厚度越厚差异越大，对建立初始密封不利，故厚度达到一定值后，密封性能并无改善。

13、垫片尺寸的选择原则

1.尽可能选薄的垫片。

2.尽可能选窄的垫片。

3.不要让垫片的内径伸进管道内，也没有必要过分增加垫片的外径。

14法兰密封面形式

主要有平面、凹凸面、榫槽面、锥形面、平面沟槽、梯形槽、透镜式密封面等。

15、螺栓载荷计算

操作工况下的最小螺栓载荷Wm1

mpDbpDWGGm2421预紧垫片需要的最小螺栓载荷Wm2

最小螺栓面积Am

螺栓数目及直径

例一：

工况：设计压力p=1Mpa，设计温度t=250℃

垫片材料：石棉橡胶板

垫片结构尺寸：Dgo=1054，Dgi=1010，δ=3

垫片特性参数: m=2，y=11Mpa

螺栓：M36，20个，Q235-A,[σ]b=94Mpa，[σ]b250=74Mpa

试校核螺栓的强度

习题

工况：设计压力p=7Mpa，设计温度t=100℃

垫片材料：金属缠绕片

垫片结构尺寸：Dgo=485，Dgi=261，N=12

垫片特性参数: m=2.5，y=69Mpa yDbWGm2},max{21mmmAAAtbmmWA][11bmmWA][2224imdnAnAdmi785.012,4dn螺栓：M29，20个，Q235-A,[σ]b=[σ]b100=94Mpa

试校核螺栓的强度

16、高压设备的密封特点：采用金属垫片、采用窄面密封、尽可能采用自紧密封。

因高压设备的高压空间十分宝贵，所以密封结构应尽量少占用高压空间。

17、高压密封的分类

按密封垫片受力情况，高压密封可分为：

强制式密封：

完全靠外力(如螺栓)对垫片施加载荷实现。如平垫密封、卡扎里密封、透镜垫密封。

自紧式密封：

主要利用介质的压力对垫片施加载荷。如“C”形环密封、“O”形环密封、三角垫密封、楔形垫密封、伍德密封。

半自紧式密封：

上述两种方法兼而有之者，则称为半自紧式密封。如双锥环密封、八角垫、椭圆垫。

18、软填料密封又叫压盖填料密封，俗称盘根。

19、软填料密封的结构

20、润滑与冷却：延长密封寿命，增设封液环。

优点：结构简单、加工方便、拆装容易、价格便宜、使用范围广

缺点：摩擦和磨损较大；材料和功率消耗大。

措施：允许有一定泄漏带走容量，降低磨损，延长寿命。

使用情况：不适于转速高、密封要求严、寿命要求长的场合；

软填料密封力不从心。

21、泄漏途径A:流体穿透纤维材料编织的软填料本身的缝隙而出现渗漏

B:流体通过软填料与填料函内壁之间的缝隙而泄漏

C:流体通过软填料与运动的轴（转动或往复）之间的缝隙而泄漏

22、软填料密封的应力特征

径向压紧力的分布如图(b)所示，由外端(压盖)向内端，先是急剧递减后趋平缓；介质压力的分布如图 (c)所示，由内端逐渐向外端递减，当外端介质压力为零时，则泄漏很少；大于零时，泄漏较大。

填料径向压力的分布与介质压力的分布恰恰相反，内端介质压力最大，应给予较大的密封力，而此时填料的径向压紧力恰是最小，故压紧力没有很好的发挥作用。

实际应用中，为了获得密封性能，往往增加填料的压紧力，亦即在靠近压盖端的圈填料处使径向压力最大，当然摩擦力也增大，这就导致填料和轴产生异常磨损。

23、预紧状态：

上式表明：填料与轴，填料与填料函之间的径向应力在压盖处最大，并以指数规律向填料函底递减。

24、填料预紧后的径向接触应力与泄漏流体压力的分布规律恰恰相反。

25、泄漏率

25、对软填料密封材料的要求

（1）有较好的弹性和塑性。

（2）有一定的强度，使填料不至于在未磨损前先损坏。 )exp()()()exp()()(2211xKxKxxKxKxgarogariLphDQ12300（3）化学稳定性高。

（4）不渗透性好。

（5）导热性能好，易于迅速散热，且当摩擦发热后能承受一定的高温。

（6）自润滑性好，耐磨损，并且摩擦系数低。

（7）填料制造工艺简单，装填方便，价格低廉。

26、填料密封的结构：单填料函、夹套填料函、带液环填料函。

27、改进措施

1.提高密封填料性能1）采用填料的组合使用（2）对填料预压成型（3）采用新型密封填料——泥状混合填料 2. 改进密封结构（1）改进径向压紧力的结构（2）自动补偿的软填料密封结构3）加强与改善散热、冷却和润滑 （4）采用浮动填料函的结构

28、硬填料密封是依靠填料的弹性结构和流体压力作用，使密封环与轴紧密贴合，以达到节流阻漏的目的

29、活塞环是活塞式压缩机和活塞式发动机中主要易损件之一。其用途是密封气缸工作表面和活塞之间的间隙，防止气体从压缩容积的一侧漏向另一侧。在活塞的往复运动中，它还在气缸内起着“布油”和“导热”的作用。

30、成型填料密封特点：结构简单紧凑，密封性能良好，品种规格多，工作参数范围广，是往复动密封及静密封的主要结构型式之一。部分成型填料也可作为旋转及螺旋运动密封件。

31、O形密封圈a. 密封性好，寿命长。