机械密封知识1

第一节 机械密封原理

机械密封是一种旋转机械的轴封装置。比如离心泵、离心机、反应釜和压缩机等设备。由于传动轴贯穿在设备内外，这样，轴与设备之间存在一个圆周间隙，设备中的介质通过该间隙向外泄漏，如果设备内压力低于大气压，则空气向设备内泄漏，因此必须有一个阻止泄漏的轴封装置。轴封的种类很多，由于机械密封具有泄漏量少和寿命长等优点，所以当今世界上机械密封是这些设备最主要的轴密封方式。机械密封又叫端面密封，在国家有关标准中是这样定义的：“由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。”

一、机械密封的分类

机械密封近年来发展很快，根据不同的工况出现了各种各样的结构，但无论哪种结构都由以下四部分组成：

第一部分是由动环和静环组成的密封端面，有时也称为摩擦副。

第二部分是由弹性元件为主要零件组成的缓冲补偿机构，其作用是使密封端面紧密贴合。

第三部分是辅助密封圈，其中有动环和静环密封圈。

第四部分是使动环随轴旋转的传动机构。

机械密封实现的原理如图所示：

轴通过传动座（6）和推环（4），带动动环（2）旋转，静环(1)固定不动，依靠介质压力和弹簧力使动静环之间的密封端面紧密贴合，阻止了介质的泄漏。摩擦副表面磨损后，在弹簧（5）的推动下实现补偿。为了防止介质通过动环与轴之间泄漏，装有动环密封圈（3）；而静环密封圈（7）则阻止了介质沿静环和压盖（8）之间的泄漏。

长期的实践证明，辅助设施的作用不可忽视。从国外进来的泵，在提供的机械密封图纸上，不仅有密封结构图，而且在这张图上明确地画出了辅助设施的安装图，并注明辅助设施的种类和数量。国内的制造厂有的开始注意这个问题；有的还没认识，这是不应该的。辅助设施不仅起冷却和润滑作用，还可改善密封的工作环境，从而减少泄漏量和延长使用寿命。因此有人把辅助设施看作是机械密封的组成部分。无疑，这一观点将被越来越多的人接受。

机械密封被广泛地应用于各种旋转机械的轴封，工况不同，使用的密封也不同。机械密封按使用条件可分为高速和普通机械密封；高压和低压机械密封；高温、常温和低温机械密封；泵用、压缩机用和釜用机械密封以及耐腐蚀机械密封和抗颗粒的机械密封等。通常都按机械密封的结构和原理来分类，例如旋转式和静止式机械密封；内流式和外流式机械密封；平衡型和非平衡型机械密封等。

按补偿机构弹性元件的运动状况，可分为旋转式和静止式机械密封。补偿机构随轴旋转的称为旋转式机械密封（图2）；补偿机构不旋转的（安装在压盖内）称为静止式机械密封（图3）。补偿机构旋转时易产生质量不平衡，同时消耗搅拌功率，因此，旋转式密封不能用于高速；而静止式密封可用于高速。但是旋转式密封安装较方便，所以，普通的机械密封大多采用旋转式结构。

按静环的安装位置可分为内装式和外装式机械密封。静环装于密封压盖（或相当于密封压盖的零件）内侧（即面向主机工作腔侧）的机械密封称为内装式机械密封（如图1）；反之，在密封压盖的外侧安装静环时称为外装式机械密封（图4）。内装式机械密封可用于温度和压力较高，以及介质对动环及弹性元件的腐蚀性不高的工况。外装式机械密封适用于低压（或负压）和介质具有腐蚀性的工况。

(图4)

密封流体在密封端面间的泄漏方向和离心力方向相反的机械密封称为内流型机械密封；密封流体在密封端面间的泄漏方向与离心力方向相同时称为外流型机械密封。一般情况下，内流型机械密封多出现在内装式机械密封中（如图1、2、3），而外装式机械密封多属于外流型机械密封（如图4）。由于外流型泄漏方向和离心力方向相同，所以外流型机械密封泄漏量较大。因此，石油化工流程泵大都选用内流型机械密封，只有在压力和温度不高的腐蚀性介质中才选用外流型机械密封。

按补偿机构中弹簧的数量可分为多弹簧和单弹簧机械密封。补偿机构中有多个弹簧的密封称为多弹簧机械密封（图5）；补偿机构中只有一个弹簧的机械密封称为单弹簧机械密封（图6），多弹簧机械密封又称小弹簧机械密封，这种结构轴向尺寸较小，可用改变弹簧数量的方法改变弹性力，轴向力较均匀，适用于高速机械密封，在腐蚀性介质中不宜采用。单弹簧机械密封又称大弹簧机械密封，密封结构较为简单。有的密封型式还用弹簧传递扭矩。国产密封应用大弹簧较多，但不能用于高速。

图5 多弹簧机械密封 图6 单弹簧机械密封

补偿机构的作用是使密封端面紧密贴合，为达到此目的，采用的方法有两种，一是弹性力，二是磁力。只有在系统内压力较低时采用磁力机械密封（图7），大多数都用前者。除了用弹簧形成弹性力外还有用波纹管的，称为波纹管式机械密封。波纹管的材料可用橡胶、聚四氟乙烯和焊接的金属薄片（图8）等。

（图8）

根据密封面上介质载荷的作用情况可分为平衡型和非平衡型密封（图9）。

非平衡型：载荷系数k≥1的密封称为非平衡型密封，换言之，由介质压力变化引起端面比压的增量大于或等于介质压力的增量。平衡型：载荷系数K<1的密封，也就是由介质压力变化引起的端面比压的增量小于介质压力的增量，称为平衡型密封。

根据密封端面的数量和布置方式可分为单端面、双端面及多端面机械密封。两组密封端面“背靠背”（图10a）或“面对面”（图10b）布置的密封叫双端面机械密封。对于工作介质有毒、易爆、易燃、易挥发、易结晶、高温、低温或工作介质是气体，或对于高真空度的密封，可用双端面密封。此时双端面之间的密封腔引入封液进行堵封、润滑和冷却。一般情况下封液选用洁净和润滑性好的介质。

二、串联机械密封应用的工况

两组或两组以上同向布置的单端面机械密封组成串联机械密封（图11）。这种密封方式使密封腔的压力逐级降低，介质不至外漏。串联密封一般情况下很少采用，只有在压力很高时采用。

补偿机构为波纹管，密封环（动环或静环）和波纹管制成一个整体，中间没有辅助密封圈（见图8）称为波纹音式机械密封。波纹音式机械密封减少了一个泄漏点；同时减少了补偿机构的摩擦阻力，改善了追随性；对于焊接金属波纹管密封（图8b）使用温度不受辅助密封圈的限制；对于四氟波纹管密封（图8a）可用于腐蚀性介质中。其缺点是有的波纹管弹力较小，需加辅助弹簧，如（图8a）所示。

集装式机械密封是将普通的机械密封、轴套和密封压盖预先组合成一个整体，将其安装到泵上后，不做任何调整（包括弹簧的压缩量），只固定轴套和压盖，再把剖分式卡环取下（图12中的A）即可投入使用。由此可见，卡环的（轴向）宽度等于弹簧的压缩量，并且，从外部就可以知道该值的大小和变化情况。事先组装，容易保证密封的安装质量，可减少因安装不良引起的失效。近年来集装式密封发展很快，因卡环的结构、轴套与轴的传动以及轴与轴套之间的密封等方面的不同，出现了许多种集装式密封。

三、国产104型机械密封

国产104型机械密封为内装、内流、单端面、单弹簧、非平衡型密封，辅助密封圈有V形和O形两种型式（图13）。3104型机械密封中的字母“B”表示平衡型密封，其余结构和104型完全相同。B104型密封相当于旧标准（JB1472－75）的110型(GY型)。两种密封型式工作条件基本相同，仅压力不同。密封腔内的温度一20～80℃，转速不大于3000r／min，介质为清水、油类及其它弱腐蚀性液体。104型密封腔中的压力为0～0．8MPa，而B104型适用压力为0．6～3．0MPa。

经过二十多年的实践，证明这两种密封结构简单，使用可靠。因此，在国产离心泵上得到了广泛的应用。

本教材以这两种国产机械密封为主，结合其它结构型式（包括进口的密封），就有关的技术问题和故障分析。

第二节 机械密封的基本元件

密封环是动环和静环的总称（下同），是构成机械密封最主要的元件。

一、密封环在很大程度上决定了机械密封的使用性能和寿命，对它提出了一些要求。

1）有足够的强度和刚度。在工作条件下（如压力、温度和滑动速度等）不损坏，变形应尽量的小，工作条件波动时仍能保持密封性。

2）密封端面应有足够的硬度和耐腐蚀性，以保证工作条件下有满意的使用寿命。

3）密封环应有良好的耐热冲击能力。为此，要求材料有较高的导热系数和较小的线膨胀系数，承受热冲击时不至于开裂。

4）密封环匹配应有较小的摩擦系数和良好的自润滑性，密封环材料与密封流体还要有很好的浸润性。工作中如发生短时间的干摩擦，不损伤密封端面。

5）密封环应力求简单、对称并优先考虑用整体型结构。也可采用组合式（如镶装式）密封环，尽量避免用密封端面喷涂式结构。

6）密封环要容易加工制造，安装和维修要方便，价格要低廉。

二、摩擦副匹配要考虑的因素

摩擦副一般都选择一软一硬的配对。目前软环多选用破一石墨（以下简称石墨），硬环的材质种类很多（见“27”）。只有在特殊情况下，如介质中含有固体颗粒、有结晶析出或高粘度流体中才选用硬对硬的配对。当选用一软一硬的配对时硬环端面的宽度比软环宽，在硬对硬的材质中可不受此限制。

为减少泄漏量和机械杂质进入密封端面的可能性，尽量采用内装内流式密封结构S

选择导热性良好的材料做动环，以散出较多的热量，降低密封端面的温度。

为保证密封环的整体强度和刚度，环的壁厚不可太薄。对于导热性良好的材料，增加环厚有利散热；对于导热性欠佳的材料厚度可小些。对于所受压力较高的密封环，要从力学角度另行设计，必要时采取加固措施。环的形状要轴对称，以减少其不对称的机械变形和热变形。

动环做补偿环时，例如国产104和B104型密封（图13、图14），动环和轴（轴套）的（直径）间隙为0．40～0．60mm，以防止动环在工作中卡住而失去补偿能力；静环内径要比轴（轴套）大l～2mm，避免两者摩擦。

密封端面的宽度是个重要参数，要综合考虑。

三、密封端面的宽度要考虑的因素

密封端面的宽度一般是首先决定软面的宽度，硬面宽度自不待说。泄漏量与端面宽度关系不大。但是，从产生的摩擦热量来说窄一些较好，产生的热量较少，温度梯度小，热变形也小，磨损较均匀；从受力角度考虑过窄不利，破坏和变形的可能性增加了＞俐，密封端面的直径又是载荷系数的函数。因此，密封端面的宽度应综合考虑。一般地讲，对普通介质密封端面随直径的增大而加宽。对于轻烃类介质，端面宽度比在普通介质中宽一些：而高速机械密封，端面宽度相对地窄一些，否则发热量太大，不能正常运转，一般在3mm左右。

环直径（mm、 环宽（mm）

－20 ～60 2～4

60 ～100 4～6

100～200 5—7

四、密封环的技术要求：

1）密封端面的平面度不大于0．0009mm（即三个单色光干涉带）；硬质材料密封端面粗糙度Ra值不大于0．2µm（相当于Δ10）；软质材料密封端面粗糙度Ra值不大于0．4µm(相当于Δ9)，表面不应有裂纹、划伤、气孔和疏松等影响使用性能的缺陷。

2）密封环的密封端面与辅助密封圈接触的端面平行度按GBll84－80的7级精度规定。

3）密封环端面与安装辅助密封圈的内（或外）圆表面的垂直度应按GBll84－80的7级精度的规定。

4）密封环与辅助密封圈接触部位的表面粗糙度凡值不大于3．2µm；外圆或内孔尺寸公差为hg或Hg。

上述要求是对普通泵用机械密封的密封环而言，对转速较低的釜用机械密封可适当放宽或参考相应的标准，而对高速机械密封则要求更高。

五、平面度

平面度（也称平直度）是密封环很重要的一个质量指标，要求在0．0009mm以内，这样的数量级用普通的量具是无法测量的。既准确又迅速的方法是用光干涉法。它需要一个光学平晶和单色光源，一般用钠光灯。检测时，将平晶放到被检的密封端面上，斜上方用钠光灯照射（图15）检查干涉条纹的数量。

钠光的波长为0．6µm，每个干涉条纹为半个波长，即一条干涉条纹为0．3µm，由干涉条纹的数量即可确定密封端面的平面度。

确定干涉条纹的数量：

密封端面的平面度不同，条纹的种类也不同。图16表示了几种平面度合格的图像，至于不合格的图像各式各样未予绘出。图16a是平直的条纹，表明密封端面的平面度接近光学平晶的平面度，这种平面度最高；图16b是弯曲的条纹，干涉条纹数在一条以内，即小于0.3µm；图16c也是弯曲的条纹，干涉条纹数二条，平面度在0.6µm以内；图16d是同心圆状的干涉条纹，如果是从平板研磨后取下来检验平面度，这说明端面的内缘高，外缘低，同心圆数量越多，其内外缘高低差别越大。出面同心圆的条纹不要超过2个。

六、动环和静环

动环可分为非补偿型和补偿型两种。在静止型机械密封中，采用非补偿型动环，固在轴上，有的用轴套压紧在轴上（图3）。补偿型动环广泛用于旋转型机械密封中。目前动环和轴套的密封方法可分为三类：辅助密封圈轴向安装的动环、辅助密封圈径向安装的动环和带波纹管的动环。

辅助密封圈轴向安装的动环（图18），靠弹簧力压紧密封圈来实现密封。弹簧力可视为不变化，密封可靠、使用寿一命长、安装较方便，从而得到广泛应用。

辅助密封圈径向安装的动环（图19），靠密封圈的过盈和弹性实现密封，其材料大多用聚四氟乙烯和合成橡胶。随着使用时间的延长，这两种材料分别出现冷流变形和老化而丧失弹性。有文献记载，这种结构的密封，有40 %的失效发生在辅助密封圈部位。

第三种动环是指波纹管型密封，将动环和波纹管制成一个整体（图8），故不需要动环密封圈。

静环安装在机器设备的壳体、压盖、法兰等静止部位上，它与动环组成的密封端面防止介质泄漏，也有补偿环和非补偿环之分。当补偿机构设计在动环一侧时，密封端面磨损后，静环不能进行补偿，叫做非补偿型静环。反之，称为补偿型静环，当密封端面磨损后，静环在弹性元件作用下，做轴向移动进行补偿。

非补偿型静环应用较多，都用于旋转型密封。静环与压盖的密封和固定方式有两种，一是浮动型，一是固定型。具体的结构种类很多，图20和图21给出了较为典型的结构。

七、目前应用的密封种类

根据制造方法和材料的不同，目前应用的密封环有整体式密封环（用同一种材料制造）、组合式密封环、表面堆焊硬质合金和喷涂陶瓷等多种结构。

整体式密封环种类：

这种密封环因用同一种材料制成，材料的性能在密封环的各个部位均匀一致，没有组合式密封环泄漏和分离的缺陷，也没有电化学腐蚀的可能。制造软环大都用石墨，制造硬环时可用各种合金钢，如轴承钢（GCr9）、高速钢（W18CrV）及其他合金钢（如40Cr、3Cr13等），也有的用合金铸铁（如硅、铬和镍铸铁）。采用这些材料时，都要辅之以适当的热处理工艺，以提高其硬度和耐磨性。这类材料价格较低，如果使用恰当，也有较长的寿命。为了进一步提高硬度和延长使用寿命，可采用硬质合金制造。常用的硬质合金为钻基碳化钨，性能较好，但价格高。钢结硬质合金的价格较低。为了提高在腐蚀介质中的耐蚀性，有镍基碳化钨，而哈氏合金有更高的耐蚀性，但价格昂贵。此外，还有用碳化硅及其他陶瓷材料制造的密封环。

出现组合式由封环的原因

碳化钨等材料有优良的性能，但是价格高，加工困难，限制了它的使用。为解决这个矛盾，出现了组合式密封环。密封端面采用硬质合金，密封环的基体（称为环座）则用普通材料制成。为解决硬质合金环和环座之间的联接和密封，产生了热装式、带密封圈式、焊接和钎焊四种组合式密封环。

带O型圈的组合式由匐环结构封环在硬质合金环与环座之间用H7／g8的滑动配合。在两者配合圆柱面间置一聚四氟乙烯或合成橡胶制成的O形密封圈，防止其间的密封流体泄漏，且将硬质合金环与环座组合在一起。在硬质合金环与环座的平面结合处设一销钉，以传递扭矩。此种组合结构，无组合应力产生／也无由此引起的组合密封环的密封端面的变形，但是组合密封环零件的数量增加了，还需要在硬质合金环上钻孔或槽，给制造增加了难度，同时由于增设了o形圈，密封环的使用温度受到了限制。

热装式密封环的结构

为提高带O形圈密封环的使用温度，出现了热装式密封环。它是靠硬质合金环和环座之间的过盈配合来传递扭矩并实现密封，是目前应用最多的一种密封环（图23）。这种密封环组合时将环座加热，环座孔受热胀大，放入硬质合金环，冷却之后两者在过盈下完成组合，再在常温下研磨和抛光密封端面到要求的精度。这种环的缺点是，随着时间的推移，环境和使用温度的变化，密封端面的平面度将发生变化而不符合要求。究其原因，一是热装结构本身存在过盈，且接触应力不均匀，使之产生机械变形；二是由于使用温度较高（或过低），材料物理性能（主要是线膨胀系数）的差异使硬质合金环和环座的配合部位不能同步胀缩，过盈量发生变化，接触应力也随着发生变化，这种变化对密封环的使用产生影响。密封端面变形破坏了平面度，更有甚者丧失过盈，使联接失效，硬质合金环热装式密封环目前有三种结构，图23a是制造厂早期生产的，结构较为简单。但是由于硬质合金环和辅助密封圈接触，一旦硬质合金环松脱，运转时辅助密封圈被严重磨损，会出现大量泄漏。而图23b是在图23a的基础上改进的，辅助密封圈不和硬质合金环接触，不存在上述缺陷，只是硬质合金环和环座之间有轻微泄漏。为了减少硬质合金环密封端面的不均匀变形，环座的热装部位内外设置环形槽（图23c），使硬质合金环外圆柱面的接触应力趋于均匀，以减少碳化钨环的变形，使用效果较好。

焊接的组合式密封环特点

为克服热装式密封环松脱的缺陷，出现了焊接的密封环（图24）。所用的硬质合金是以Cr3C2为硬质相、Ni为粘结相的烧结合金材料。耐腐蚀优于YG6等硬质合金，高温下具有优异的抗氧化性能，在1000℃空气中加热2小时无任何变化。但是导热性能较差，仅为YG6的1／3；线膨胀系数大，比YG6大1倍多，为10.2 X 10-6／℃（10～500℃时）。这两点决定了耐热冲击性能不如YG6好。正因为线膨胀系数较大，和马氏体不锈钢接近（10～500℃时为11X10-6／℃），为和环座焊接提供了有利条件。焊接时需在环和座之间铺放一层镍基粉末，置于真空电阻炉中，经1100℃高温熔焊，然后进行回火处理，以消除焊接应力。由于是焊接的密封环，硬质合金环的厚度可以比YG6薄，毛坯的厚度也只有3～3．5mm。以因密度小，是YG6的一半（7~7.5g/cm3），因此，可节约贵重金属，价格较低。这种合金的牌号为CN15，其中Cr3C285%，Ni为15%，由北京硬质合金厂研制成功。

热装式密封环以其性能广泛应用，但过盈量过

大则硬质合金在较大挤压应力作用下产生变形；过盈量过小，使用时会松脱。经长期观察分析，热装式密封环松脱主要是由于环座和硬质合金环两者线膨胀纯利系数的差别，工作出现间隙。由此可见，热装式密封环失效的根本原因主要有二：一是过盈值小，三是环座材料选择不当，线膨胀系数太大。

确定过盈值应遵循的原则：

1） 从传递扭矩的角度考虑过盈值应足够大。

2） 从环的变形的角度考虑过盈值不可过大。

综合起来，在满足环和座传递扭矩的情况下，取最小的过盈值。

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热装式密封环进行强度校核的方法

从传递扭矩和密封性的角度可以得出环与环座的过盈值，对此还要进行强度校核。对于环来讲，大都是脆性材料（例如硬质合金和石墨等），承受的是挤压应力，在该应力作用下，不能断裂和产生较大的变形。

环中产生的挤压应力为

σ1=2 *Pm * K12 / （K12-1）

式中Pm——过盈界面上产生的接触应力

P＝e / Cdm＿

式中K1——系数。

K1=dm/d1

式中C——系数

dm——界面直径。

强度校核应满足 σ1 ＜ [σ]

[σ]= σs / ns

σs——材料的屈服极限

ns——安全系数

对一般的强度校核，安全系数n。＝1．8～2。

环是脆件材料，考虑到密封端面上存在温度差和不允许有较大变形的具体条件，安全系数取4。也可校对其变形量。通常规定脆性材料的应变值为0.2%时的载荷为屈服限。因此，实际工作中只校核其相对应变值。即允许相对应变量为0．05%。

相对应变量

ε=σ1 / E1=2 PmK12 / E1(K12-1)

式中E1为环的弹性模量

常用热装式密封环的环磁材料使用温度

根据泵送介质腐蚀性和介质温度（或密封箱温度）的不同采用不同的环座材料。常用的环座材料有1Cr18Ni9、3Cr13、钛合金和42#卡朋特合金（CAP42，相当于国内牌号4J42）。这些材料线膨胀系数和耐腐蚀性有较大的差别，使用温度也不同。前面分析问题的时候，没有考虑离心力的影响。对于离心泵，转速在2950r／min和直径小时，可忽略离心力的影响；当直径较大时，环座产生的离心力较大，会抵消一部分过盈值，不容忽略。此外，环座材料的弹性模量不同，采用的过盈值也不同，对于弹性错量小的材料（如4J42和钛合金等），过盈值可相应大些。我们引用计算过盈值的公式

e = dm（a2一a1）（t—t0），取e=0．002dm有

0．002 =（a2一a1）（t—t0）可得最高使用温度

t = 0.002 /（a2一a1）+ t0

对于3Cr13、1Cr18Ni9Ti、Icr18Ni12Mo2Ti和哈氏合金B与C，其弹性模量相近，当它们与YG6和YGS热装时，最高使用温度见表2 (取t。＝22℃)。

考虑离心力的影响和高温下环座材料的应力松弛后，各种环座材料的允许使用温度见图28，超出此温度在密封腔中就应采取措施，降低温度。

八、辅助密封圈种类

动环和轴（轴套）以及静环和压盖之间的密封靠辅助密封圈来实现。它们基本上属于静密封，当密封端面和轴中心线不垂直时，动环密封圈沿轴向有很小的轴向运动，其位移量取决于密封端面和轴中心的垂直度误差、运动的次数和轴转速等。辅助密封圈的种类很多，从材料角度分类有合成橡胶、聚四氟乙烯和柔性石墨等；从断面形状分类有圆形、方形、V形、楔形及包覆形密封圈（图29）

旋转式机械密封轴套和传动座传动方式：

l）顶丝传动（图30）。传动座用1～2个顶丝固定在轴套表面上，结构简单，但是安装时轴套需从轴上取出，方能紧固顶丝。这种结构要求在轴套表面（与顶丝接触的部位）划一凹坑，否则运转中易出现传动失效，传动座会发生轴向串动。在直径较大和温度较高时，不能采用单纯的顶丝传动。

2）顶丝一台阶传动（图31）。为了克服单纯顶丝传动时，传动座轴向串动，可在轴套上设一台阶，传动座顶靠在幼查台阶端面，体传动成无法串动定位，用键来带动轴套旋转。这种结构简单，安装方便，现场施工时可不用拆卸轴套即可安装传动座，使用可靠，运动中不会产生传动失效。

3）键传动。

4）拨叉传动（图33）。是键传动基础上改进的，轴套上仍有台阶，传动座为冲压件，上面有两个小“爪”（拨叉）伸到轴套台阶的槽中实现传动，结构也很简单。由于是冲压件，拨叉径向尺寸小（较薄），冲压后冷作硬化，拨叉易断裂。在中性介质中尚可使甩。

5) 弹簧传动。这种传动方式不用传动座，传动弹簧依靠过盈值旋紧在轴套上，并传递扭矩，弹簧的端部靠紧轴套的台阶处（图34），防止轴向位移。这种方式结构简单，安装方便，但对弹簧的旋向有要求，泵轴旋转时，使弹簧旋紧而不是旋松，这是必须指出的。

旋转式机械密封传动座和动环的传动方式

1）销钉传动。通过推环，在推环和动环之间用销钉实现传动（图35），这种传动方式多用在小弹簧的结构上。

2）突耳传动。国内生产的104型密封即采用此种结构。在动环外缘制成圆弧槽，而将与此接触的传动座压成突耳，使之嵌入动环的槽中，实现传动（图13）。这种结构可用于大弹簧，也可用于小弹簧的密封结构。

3）并圈弹簧传动。传动座与弹簧以及弹簧和动环之间，完全依靠大弹簧内径的过盈值实现传动（图34），当然也有旋向的要求。这种结构都用在大弹簧的密封结构上。

4）勾圈弹簧传动。为了增加并圈弹簧传动的可靠性，弹簧的两个端头制成弯勾形，分别钩住传动座和动环（图36）。

5）离合器传动。传动座和动环（或通过推环）分别制成方形的凸起和缺口，组装好后凸起插入缺口中实现传动（图37）。

6）波纹管传动。这种方式是波纹管型密封的特有结构，波纹管两端分别与传动座和动环联接，至于联接方式依波纹管材料而定。例如，对金属波纹管，则采用焊接；对于橡胶和四氟波纹管，则采用整体或其他方式联接。

静止式机械密封的动环的旋转

静止式机械密封的动环直接固定在轴（轴套）上，随轴一起旋转，多采用以下几种方式固定：

1） 螺帽固定（见图3）。这种结构要求轴上带有凸台，动环断面为“L”形，动环装入后用短套顶住，外面用圆螺帽旋紧。为防止介质沿动环泄漏，在动环和轴套凸台端面有密封圈。集装式密封的动环也可用螺帽固定，和前者不同的是动环的螺帽从内部旋紧，事先组装好后再将整体机械密封向泵上安装。

2）螺钉传动（图38）。动环的后部端面钻有螺钉孔并带螺纹，轴套上带有突缘，用螺钉将动环和轴套的突缘联接在一起，中间设垫片防止介质沿动环和轴套之间泄漏。

3) 顶丝传动（图39）。这种结构实际上增加了一个传动套，该套用顶丝固定在轴上，动环用销钉与其传动，在传动套和轴以及动环和传动套之间均设有密封圈。这种动环结构较为复杂，但其浮动性得到了改善。

4）销钉传动（图40）。该种传动省略了图39的传动套，动环和轴用销钉传动，其轴向靠台阶定位，显然这种动环和轴没有刚性联接，浮动性很好。

旋转型机械密封的静环防转方法

1）浮动型静环。在静环尾端设一开口，防转销插入此开口，起到静环防转作用。该结构简单，安装方便，静环的浮动性好，得到广泛的应用。按防转销安装位置可分为径向和轴向两种（图41），其中轴向防转销用的较多。这种结构有个缺点，当产生抽空（汽蚀）时，静环能离位，从而损坏密封。

2）固定型静环。图21所示为几种固定型静环，这种静环由于浮动性差，安装时尤其要注意密封端面和轴心线的垂直度。其优点是泵抽空时静环不至于离位，较为可靠。

3）粘结型静环。上两种静环安装在压盖中时都设有密封圈，而粘结型静环则取消了密封圈，静环与压盖之间的密封和防转，用粘结剂实现。由于采用了粘结剂，使用温度和介质受到了粘结剂性能的限制，尽管如此，仍在很多场合得到应用。

集装式密封的轴套的传动

普通机械密封的轴套都是事先安装和固定在轴上后再安装机械密封，而集装式密封则不同，它是将密封轴套和压盖预先装在轴套上，再整体向轴上安装，于是存在一个轴套如何固定在轴上，并传递扭矩的问题，同时还要解决轴套和轴之间的泄漏问题。

图42a表示了一种传动方式。螺钉安装在零件 A上，在轴套的对应部位开有圆孔，将螺钉通过轴套的圆孔，并旋紧在轴上，即可实现轴套和轴的传动。轴套和轴的密封，靠O形圈来完成。这种传动方式比较简单。

图42b是另一种传动方式。它用圆螺母A压紧轴和轴套之间的填料（四氟制成），靠填料与轴的摩擦力来传动，同时也起到了密封圈的作用。

九、波纹管式机械密封

波纹管式机械密封的应用范围很广，从低温到高温，从中性介质到腐蚀性介质，从低速到高速，从普通到苛刻的工作条件都可选用。所有这些可通过变更波纹管的几何形状（如内外径、波片厚度和波数等）与材料弹性模量，改变波纹管的弹率。根据介质的腐蚀性能，选用不同的波纹管材料等。例如对工作压力和温度都不高的中性介质（油和水等），可选用橡胶制造的简易波纹管密封；在腐蚀性介质中（酸或减等），可选用四氟制造的波纹管密封；高温和高速下，可采用焊接金属波纹管机械密封等。

焊接金属波纹管密封的特点

焊接金属波纹管机械密封用的波纹管是由轧制的金属薄板冲裁成环形波纹状的型面，波形多采用S形，将许多个波片重叠起来，分别在环形的外缘和内缘进行焊接，组成一个波纹管，两端再与传动座和动环焊接成整体。除了不用辅助密封圈外，还具备使用温度范围广泛的特点，最高可达600度，最低可到一200度。此外高速下对轴的振动和振摆适应性较强，有很好的补偿能力，保证密封端面良好地贴合。但是长期在高温下工作的焊接金属波纹管密封，波纹管的弹率有减小的趋势（俗称“失弹”），使用受到一定的限制。

焊接金属波纹管的弹率的计算

由于焊接金属波纹管机械密封不用弹簧，弹性力完全由波纹管产生，因此波纹管设计时要考虑其弹率。一般将波纹管的弹率设计得小些，当要求一定的弹力时，波纹管的压缩量就要适当地加大。运转相当长时间后，如果密封端面磨损，波纹管自动补偿，而弹力降低不会大，始终保持密封端面有足够的压比。为保证足够的弹性力，压缩量在10mm左右，最低不能低于6mm。工作时每个波的变形以小为宜，为保证一定的压缩量，要适当增加波数，保持波距。一般波数取16～20，温度和压力高时波数宜取多。波纹管的弹率是几何形状和材料的函数，常用下式计算：

k =πEt3(c) d2 / 2nB3 d1

式中 k——波纹管弹率，N／mm；

E——材料在工作温度下的弹性模量，N/mm2；

t——波片厚度，mm

n——波纹管波数；

d1、d2——分别为波纹管的内外径，mm；

B——波纹管的片宽，mm。

B=（d2 -d1）／2

公式中没有考虑波片的断面形状等因素，因此有一定的误差。实际工作中可在弹簧测力计上测量其弹率。

普通弹簧的弹率计算在一般“机械零件”书上能找到，故在此不作介绍。

非对称型波纹管

焊接金属波纹管机械密封以其结构简单、伸缩性好和耐高温等优点，得到了日益广泛的应用，尤其是高温泵的密封中，在有的国家已成为主要的轴封方式。国内的焊接金属波纹管密封质量不够稳定，其主要原因是制造金属波纹管的材料欠佳，大都用181型不锈钢制造。这种材料耐腐蚀，但强度和弹性较差，特别是在高温下，使用一段时间后出现“失弹”。国外大都用A M350制造，这是一种沉淀硬化不锈钢，高温下仍有足够的强度和弹性，先弹的机会较少。但是，经过长期使约后也暴露了一些缺陷，在波片的焊缝附近开裂。究其原因是在受压状态下。一轴向断面上各处应力分布不均匀，有较严重的应力集中现象，从而降低了使用寿命。

现有的焊接金属波纹管其断面的内外缘处（或称波谷和波峰）、几何形状和尺寸是相同的，故也称为“对称型”波纹管。它具有上述缺陷，为克服此缺陷，出现了“非对称型”波纹管。

所谓非对称型波纹管是波谷（内缘处）和波峰（外缘处）购肉率半径不同，波峰大于波谷。在介质压力作用下，迫使其向低压侧变形，工作时断面形状趋于对称，应力趋于均匀（图44）。同时由于采用了特殊结构的波纹管，焊缝长度大大缩短。据国外资料介绍一种13/4英寸的T15 WTO型密封，焊缝总长度超过4000mm，而同样尺寸的非对称型波纹管密封，焊缝长度仅87mm，使密封的可靠性大大提高，密封能力提高30%，波纹管的弹性提高了40%。非对称型波纹管在国外已投放市场，是一种很有前途的金属波纹管机械密封。