剖分式机械密封理论体系的构建
剖分式机械密封理论体系的构建
现代化大生产的特点决定了工业装备的长周期运行属性。动密封作为旋转机械的关键部件，对
安全和稳定生产有着重要影响。机械密封作为工业装备中转轴密封的主要形式，应用非常广
泛，在一些工业发达国家，其使用量占到了全部旋转机械轴封用量的 90%左右。然而，对于穿
套在旋转轴上工作的传统的机械密封，安装和维修时需要将轴端的联轴器、电动机或者叶轮等
部件拆下，最后再逐个装上，如此造成长时间停机停产，使企业损失巨大，同时繁重的装拆带
来惊人的维修费用（大型设备尤为突出）[1].人们通过不断努力，开发出一种剖分式机械密
封，其结构和工作原理均与传统的整环式机械密封相似，唯一不同的是在密封环上增加了剖分
面。这种密封不仅具有整环式机械密封的拆装便捷性，还具有填料密封的摩擦功耗小、自动补
偿磨损量等优点。与整环式机械密封相比，剖分式机械密封避免了因装拆不便所带来的巨额附
加费用和停产损失；与填料密封相比，剖分式机械密封具有较长的运行寿命（一般为填料密封
的4 倍），工作过程中无需调整，也不会划伤轴或轴套，大大缩短了维修时间；因摩擦功率
小，降低了能耗，从而提高了运行效率；运行中泄漏少，减少了环境污染和环境处理费用[2-3].
但剖分面的存在打破了结构的连续性，增加了泄漏通道的来源途径，加剧了理论研究及其技术
开发的复杂性，进而制约了剖分式机械密封技术的发展。
本文旨在通过分析近几十年剖分式机械密封的结构设计和理论研究状况，归纳剖分面密封形
式、定位方式以及剖分式弹性辅助密封圈断口连接方式，探寻剖分式机械密封技术领域存在的
结构设计、理论研究、测量方法、性能指标和制造技术方面的问题，提出剖分式机械密封今后
一段时期的主要研究方向，为建立剖分式机械密封理论体系和推动其工程应用奠定基础。
1 剖分式机械密封结构设计现状
1.1 剖分式机械密封的分类
剖分式机械密封装置有半剖分式和完全剖分式两种。半剖分式机械密封是指部分配合件被剖分
为两个或多个环瓣，而其余仍为整环；完全剖分式机械密封（图1）是指机械密封的所有零件
全为两瓣或多瓣，包括动环、静环、动环座、静环座、壳体、弹性辅助密封件等。剖分式机械
密封按密封环密封端面可分为哈夫式[4]、组合式[5]和多体式[6-7],常见的形式是哈夫式，也称
“ ” 分体式（通常所说的剖分式机械密封，若无特殊说明均指哈夫式，本文以下所述剖分式 即为
“ ”哈夫式 ），即整环被均等剖分成两段，两半环剖分面对接形成整环；组合式密封环是沿密封
环周向的某一个角度，斜切成两半环弧段，两半环弧段斜切面对接形成整环；多体式密封环由
多个弓形段和多个密封段构成，相互间彼此紧靠形成完整环形。为解决安装拆卸耗时耗资问
“ ”题，传统机械密封技术衍生出了 集装式机械密封 的概念，即在安装前，将所有密封部件组装
到一起，然后再套到旋转轴上。为进一步提高作业效率，剖分式机械密封也引入了这一新的理
念
1.2 剖分式密封环剖分面密封设计
1.2.1 剖分面密封密封环剖分面密封目前可分为 3 种：一种是将脆性整环以断面形式分开[9-12]
[ 图2（a）],该方法具有较好的密封性能，但只能一组配对，不具备互换性[13];另一种是表面开
有沟槽，槽内放置密封件[14][ 图2（b）],该方式具有良好的密封性能，但要求对沟槽尺寸及密
封件压缩量进行严格控制；最后一种是将各剖分面加工足够光滑，依靠剖分面直接接触实现密
封[15-17][ 图2（c）],该方法最受欢迎。后两种方法，常常需要在密封环外圆面上施加一定的箍
紧力[9],以实现可靠密封，该箍紧力可由箍紧环、辅助密封圈、介质压力、剖分面连接螺钉或
密封环座等提供。
1.2.2 剖分面定位由于剖分式机械密封剖分面的存在，使得剖分半环对接成整环时，难以保证密
封端面的平面度以及密封环圆柱面的圆度，而它们分别与剖分面的轴向定位与径向定位直接相
关，这便限制了剖分式机械密封的发展，因此寻找有效的剖分面定位方法至关重要。目前，有
如下几种常用的剖分面定位方法。
第一种，利用圆环直接断裂后形成的锯齿状断口搭接后直接定位[7-11][ 图3（a）],该方法简
单、有效，但因此种密封半环不具备互换性而不适合推广使用。
第二种，利用密封环外圆面所受的外力（如箍紧环箍紧力[8][ 图3（b）],辅助密封件弹性力[18-
19][ 图3（c）]或介质压力[20][ 图3（d）]等来实现密封环半环的轴向与径向定位，且一般而
言，利用该方法实现轴向与径向定位时，密封环外圆面常设计成圆锥面，而锥面精度难以保证
[7].
第三种，依靠辅助定位件定位剖分面，如利用螺钉链接密封环剖分面[ 图3（e）],提供密封压紧
力的同时，还可以起定位作用[21-22],但利用螺钉定位时，拧紧螺钉过程会产生扭矩，使得半环
发生一定的扭转，影响定位精度；也可利用定位销定位[7,23][ 图3（f）],因密封环对位移和变
形大小都有很高的要求，所以要求定位销具有高的加工精度；或者在密封半环环体一端剖分面
加工榫头，相对半环的配合端加工对应的榫槽[19,24][ 图3（g）],但榫槽和榫头加工时，均要对
半环进行单独加工，加工精度要求高，难以保证两半环配合后密封端面的平直度及两半环圆周
面的圆度；还有利用U 形钢条定位半环剖分面[25][ 图3（h）]等。第四种，由动、静环座辅助
作用实现密封半环轴向与径向精确定位，如对密封环背部及密封环座端面进行抛光，实现密封
半环轴向精确定位[13],利用密封环座的圆度保证密封环的圆度及同轴度等。第五种，利用辅助
安装工具实现密封半环精确定位[7][ 图3（i）],即通过所设计的具有高精度平面度和圆度的安装
工具来保证密封环精确的端面平面度和圆度，该方法切实有效、可行。
1.3 辅助密封圈剖分设计
剖分式机械密封的辅助密封圈有多种形式，一种是将密封圈切断，安装后用胶黏在一起[20],这
种情况存在因材料不同，使得受压变形不同，而导致与密封环等部件接触不均，或温度变化改
变黏胶的性质而使其失效等问题；还有一种与前一种相类似的方式，称为搭接方式，断口形式
多样，可为径向切面[8-9][ 图4（a）]和斜切面[8,21,26][ 图4（b）]等，但该方式不用胶黏结，
因此，容易发生切口错位，致使密封失效；一种采用插接式结构，即端口一端是凹坑；另一端
是凸台，如球形头插接[8,14,16,21][ 图4（c）]、矩形头插接[27][ 图4（d）], 或采用带芯O 形
圈，一端为圆锥头，插入另一端的圆形孔内，为防止脱开，圆锥头外圆周及圆孔内圆周插入弹
簧钢丝[28][图4（e）]等，该结构凸台截面尺寸较小，可能因断裂而失效或配合端面因间隙较
大而产生泄漏，同时可拆卸性差，且制造工艺较复杂，Nagai 等[9]采用断口为多个切面的剖分
式O形圈，两切断口形状凹凸相对，以插接方式连接[ 图4（f）];第三种是扣式接头[29][图
4（g）],安装前在接头密封腔底部涂一层黏胶，该结构保证了密封的密封性和可靠性，但制作
工艺相对复杂。此外，以上 O 形圈均为非标准件，需厂家专门加工，耗时且增加成本，因此王
洪群 等[30] 提出将两个标准 O 形圈折成半圆弧，相对形成圆环，然后放置在预设的密封件沟槽
内[ 图4（h）],无断点而不易撕裂，但接头处因圆形截面而存在较大缝隙，密封不可靠。针对这
一问题，孙见君等[31]在王洪群等设计理念的基础上提出增添一道密封，采用类似迷宫密封的
双重密封[ 图4（i）], 密封可靠，且不会发生撕裂，同时仍可使用标准件，但该发明存在 O 形圈
摩擦阻力大的问题。王洪群等[32]后来提出了矩形截面剖分式密封圈，利用搭接方式连接断
口，并针对轴向与径向密封，分别提出两种结构，一种是楔形端部搭接结构[ 图5（a）、
（c）],另一种是台阶形端部搭接结构[ 图5（b）、（d）],并通过试验证明了其可行性及有效
性。
2 剖分式机械密封理论研究现状
成功建立剖分式机械密封设计理论使剖分式机械密封装置得到广泛的应用成为可能。然而相对
于结构设计，理论研究开始较晚，国内外至今鲜见报道，相关的中英文刊物仅有 6 篇，其中 4
篇中文、2 篇英文（由Google 搜索获得，Web of Knowledge 检索结果为0）。
2003 年Azibert 等[33] 以一种完全剖分式双密封面干气机械密封结构为基础，推导了平衡比Bd,
给出了其随过程压力的变化趋势及随内外压差的变化趋势图，同时对 O 形圈和动环的组合模型
进行了有限元分析，获得了O 形圈布置位置与密封环变形的关系，给出了 O 形圈的最佳位
置，并完成了完全剖分式机械密封的安装，测得实际平衡比、泄漏量，而且在考虑剖分面的影
响下，估计了端面气膜的厚度。2007 年陈碧凤[34]以反应釜旋转轴密封为对象，运用传统机械
密封相关理论分析了一种剖分式机械密封的机理及性能，建立了氯化反应釜用剖分式机械密封
模型，通过有限元分析，得到了密封环、密封圈及传动套的应力分布及受力变形。2009 年
Boyson[35]指出密封压力增加不仅导致更大的变形，还会使密封半环产生相对位移，故需进行
更精确的受力分析，同时提出用剖分式机械密封取代填料密封时，借助外周流体的离心作用可
解决被密封介质含有大量固体杂质而破坏密封端面的情况（如泥浆等），并运用 CFD 流体仿
真技术得出密封环周围流体各区域的流速，据此对剖分式密封环进行了结构优化设计。同年陈
碧凤和杨启明[36] “ ”利用螺旋密封的 泵送效应 来抵消密封部分压力差，使其所设计的氯化反应
釜用剖分式机械密封在较高的工作压力下获得了良好的密封效果。2013 年王洪群等[30]用剖分
式矩形截面O形圈解决了圆形截面剖分式 O形圈无法保证密封圈各处的连续性、变形量的一致
摘要：
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剖分式机械密封理论体系的构建现代化大生产的特点决定了工业装备的长周期运行属性。动密封作为旋转机械的关键部件，对安全和稳定生产有着重要影响。机械密封作为工业装备中转轴密封的主要形式，应用非常广泛，在一些工业发达国家，其使用量占到了全部旋转机械轴封用量的90%左右。然而，对于穿套在旋转轴上工作的传统的机械密封，安装和维修时需要将轴端的联轴器、电动机或者叶轮等部件拆下，最后再逐个装上，如此造成长时间停机停产，使企业损失巨大，同时繁重的装拆带来惊人的维修费用（大型设备尤为突出）[1].人们通过不断努力，开发出一种剖分式机械密封，其结构和工作原理均与传统的整环式机械密封相似，唯一不同的是在密封环上增加了...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
价格：免费
属性：6 页
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格式：DOCX
时间：2023-03-04
