 机械密封广泛应用于工业泵、压缩机和其它应用中，以在部件之间提供防漏密封。机械密封有许多不同的设计，以满足特定的应用。机械密封可以是一个组件，设计成在平坦的旋转表面之间形成防泄漏的密封，以防止高压泄漏。也可以是一种装置，通过防止泄漏（例如在管道系统中）、控制压力或排除污染来将系统或机构连接在一起。机械密封可以是一种防止流体沿旋转轴泄漏的装置，其主要密封功能是使一个静止环和一个旋转环之间的配合面与旋转轴成直角。或者，它可以被设计为在极端压力、轴转速和温度条件下防止旋转轴与其密封腔体之间的泄漏。因此，机械密封可以是一种动态设计，弹簧元件安装在密封系统的动态（旋转）部分中。它也可以是静止密封，弹簧元件安装在密封系统的静止部分，以补偿轴和密封的不对中。 用于旋转轴应用的机械密封将密封点从轴移到专门设计的密封面上，密封面会逐渐磨损。与直接接触旋转轴的唇形密封相比，这种设计延长了使用寿命。唇形密封可能会在旋转轴上磨出一个圆周凹槽，最终需要更换轴，而机械密封的密封面会逐渐磨损，从而延长泵轴的使用寿命，并防止轴的损坏。在一种设计中，两个高度抛光的碳密封面提供了密封。一个连接到机器的固定部分，另一个连接到旋转部分。弹簧系统用于确保碳密封面保持接触。单作用机械密封只有一个密封间隙，滑动密封面所需的润滑膜由待密封的介质提供。在双作用机械密封中，密封面所需的润滑膜由与泵送介质相容的高压密封液提供（隔离液，有压双重密封 - 泵沙龙注）。密封液的压力较高，因此密封面上的任何泄漏都会通过密封液进入系统产品中。该缓冲区的作用可将产品和大气隔离开来。 根据应用的不同，机械密封可以是推进式设计、非推进式、平衡型或非平衡型。推进式密封使用轴密封组件上的轴向安装弹簧对密封面施加固定的密封力。非推进式密封使用密封波纹管代替弹簧将密封面推到一起。平衡型机械密封的设计，使有效接触压力始终小于流体压力，从而减少了密封面的摩擦。因此，摩擦磨损更少，产生的热量更少，系统流体压力更高。在非平衡型密封中，流体压力不会因密封面的几何形状而得到缓解，密封面可承受全部系统流体压力加上浪涌压力和弹簧压力。因此，端面接触压力大于或等于系统流体压力。平衡型密封设计比非平衡型设计更昂贵，但提供了更高的可靠性和更长的寿命。无论机械密封的具体设计如何，我们都由三个基本部件组成，包括密封面、辅助密封元件（O 形圈）和金属部件（弹簧、锁紧环、驱动销、紧定螺钉、压缩环）。 有些机械密封在使用过程中会磨损，有些则会在磨损之前就失效。密封面是机械密封中唯一会磨损的部分。机械端面密封应一直使用到碳面磨损为止。如果在此之前密封开始泄漏，并且需要更换密封，则说明密封已经失效。超过85 %的机械密封在磨损之前就已经失效了。失效的密封会残留密封面材料。机械密封失效的原因是什么？一种可能性是密封面因卡住旋转部件而打开。另一种可能性是密封部件中的一个，如弹簧，因接触、受热、腐蚀等而损坏。机械密封的可靠性在很大程度上取决于它能否在配合面之间的间隙中保持一层液膜，同时最大限度地减少密封面的机械接触。接触过多可能导致表面材料过热，接触不足可能导致过度泄漏。随着时间的推移，密封失效的常见模式是疲劳，如表面脆化、材料磨损和腐蚀。流体系统密封的磨损和密封效率与周围工作流体的特性有关。工作期间，冲洗液中存在的磨料颗粒会对密封的耐磨性产生强烈影响，密封的磨损率随着环境污染量的增加而增加。充分了解所涉及的磨损机制将有助于确定潜在的密封退化情况。例如，来自环境的污染物（如沙子）可能会进入冲洗系统并嵌入弹性密封件中，从而造成磨损和轴损坏。 主环和配合环之间经常发生磨损。这种表面接触由弹簧保持。密封面之间保持有一层液膜，以尽可能多地消除摩擦。对于大多数机械密封来说，的三个常见的密封接触点发生在以下三点之间： 1）主环和配合环之间的配合面 2）旋转部件与轴或轴套之间 3）静止部件与压盖之间 流体系统密封的磨损和密封效率与周围工作流体的特性有关。工作期间流体中的磨料颗粒会对密封的耐磨性产生很大影响。密封通常以滑动接触方式工作。弹性体磨损与金属退化类似。不过，与机械磨损相比，弹性体对热退化更为敏感。硬颗粒会嵌入柔软的弹性体和金属表面，导致形成密封的较硬配合表面磨损，从而造成泄漏。 一种特别适用于低压应用的失效模式是压缩永久变形。压缩永久变形是指在暴露于特定温度下，完全释放挤压负荷后，密封中残留的永久变形。压缩变形反映了由于时间效应而造成的弹性记忆的部分损失。在极端温度下工作可能会导致 O 形圈等压缩型密封在低压下泄漏流体，因为它们在使用一段时间后会永久变形或产生压缩永久变形。 机械密封的失效模式可以通过三个主要失效原因来确定：温度、压力和速度以及这些变量的组合。例如，流体压力会在密封面上产生额外的热量，进而增加磨损率和其它破坏性失效模式，如材料断裂、变形和泄漏。弹性密封件可能会被挤压和损坏。随着压力的增加，失效的可能性也会增加。 对于机械密封来说，最重要的是设计合理的密封面。必须匹配合适的配合面材料，以使密封面的动态运动不会产生过多的热量。过多的热量会导致密封面热变形，产生间隙，从而增加泄漏量。它还可能引起材料的变化，从而显著增加密封面的磨损率。 机械密封设计中的一个重要因素是压力-速度（PV）系数。PV 系数定义为密封面或系统压力与流体速度的乘积。与制造商的限制相比，该系数有助于估算密封的可靠性。如果超过 PV 限制，密封可能会以大于所需的速度磨损。 应特别考虑每种密封材料的权衡。例如，固体碳化硅具有优异的耐磨性、良好的耐腐蚀性和适度的抗热震性。这种材料比碳石墨基材料具有更好的质量，但PV值为500,000 lb/in-min，而碳石墨的PV值为50,000 lb/in-min。在所有其它值相同的情况下，固体碳化硅产生的热量将是碳石墨材料的五倍。为了保持动态密封面上的液膜厚度，需要更大的冷却流量流向固体碳化硅密封。如果不能保持这种冷却流量，则会由于表面温度升高而导致磨损增加。 下表列出了机械密封的各种故障模式和原因。 表1：机械密封典型的故障模式和原因  续上表   * 轴尺寸过大、表面粗糙、流体温度过高导致弹性体粘在轴上。 ** 螺旋失效 - 由环的某些部分滑动和其它部分滚动导致扭曲的情况引起的。 在估算机械密封的寿命时，必须考虑应用限制、最低泄漏要求和密封环境。稳态连续应用比循环运行更容易预测。当润滑膜保持一致时，密封面的寿命显然会更长。既然机械密封的设计和应用存在各种变数，那么如何确定其在预定工作环境中的可靠性呢？Carderock Division of the Naval Surface Warfare Center出版的“Handbook of Reliability Prediction Procedures for MechanicalEquipment”提供了评估机械设备可靠性的程序和公式。此外，还有一个软件包可自动使用该手册。这两种产品均可从海军网站免费下载。 使用手册和估算机械密封故障率的最佳方法是使用故障模式、影响和危害性分析（FMECA）。FMECA不是本主题讨论的内容，在此不再赘述。 泵沙龙注： 本文由Support Systems Technology Corp. 的William H. Skewis撰写。  |
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