机械密封原理与设计

 

本书系统而深入地介绍了机械密封的原理和设计。书中的靠前章为引言，介绍密封的基本概念、分类以及相关背景。第二章介绍此前30年来的重要文献。第三章介绍测量方法和一些密封的重要基本知识。第四、五、六章分摩擦学、传热和固体力学三个部分介绍密封中重要的基本理论。第七章将此前的基本理论进行综合建模以描述和预测密封的行为和性能。第八章将介绍一些经验性的知识和实验结论，结合前述模型以理解密封运行的原理。第九章是将第七章的理论应用于设计中。第十章是密封中的一些特殊问题。第十一章做了一个现代密封设计的纵览。

译者序
前言
致谢
第1章引言
1.1旋转轴密封的应用
1.2经济价值
1.3轴密封的类型
1.3.1固定间隙密封
1.3.2面导向密封
1.4机械密封
1.4.1基本组成部分
1.4.2不同的结构类型
1.4.3平衡比
1.4.4基本运行理论
1.4.5PV值
1.4.6工作极限
1.4.7技术发展水平和密封失效的原因
1.5基本工作原理
1.5.1密封设计的目标和矛盾
1.5.2边界润滑、混合润滑和全膜润滑
1.5.3泄漏
1.5.4设计目标
1.6密封系统
1.6.1定义
1.6.2界面形状
1.6.3摩擦学、接触压力和流体压力
1.6.4性能
1.6.5传热
1.6.6磨损和固体力学
1.6.7总结
1.7本书中使用的方法
第2章文献
2.1简介
2.2论文与报告
2.3参考书目表与文献综述
2.4书籍、手册和指南
第3章测量学、摩擦学和材料
3.1密封端面定义与测量
3.1.1表面粗糙度
3.1.2波度：周向形状误差（与平面的偏差）
3.1.3径向锥度（径向平面偏差）
3.1.4三维表面测量
3.2密封界面形状
3.2.1假设的界面形状
3.2.2极限情况
3.3密封端面材料及其性质
3.3.1物理性质和力学性能
3.3.2摩擦学性质
3.3.3化学性质
3.4副密封材料
3.4.1物理性质和力学性能
3.4.2摩擦学性质
3.4.3化学相容性
3.5密封流体
3.5.1重要的流体性质
3.5.2所选流体的性质
第4章密封界面的摩擦学模型
4.1混合摩擦的摩擦学模型
4.1.1存在的问题
4.1.2求解流体压力分布：液体
4.1.3求解流体压力分布：气体
4.1.4接触压力分布
4.1.5承载力和平衡
4.1.6泄漏
4.1.7摩擦力
4.1.8磨损
4.2数值计算方法
4.2.1拟解决的问题
4.2.2数值方法的背景与调研
4.2.3不可压缩有限差分方程的求解
4.2.4有限差分法求解空化问题
4.2.5可压缩有限差分方程（层流/亚临界）
4.2.6一维可压缩流体（层流/湍流/堵塞流/绝热）
4.2.7平衡载荷的求解
4.3算例
第5章机械密封热系统
5.1热对密封性能与行为的影响
5.1.1机械效应
5.1.2对工艺流体的影响
5.1.3对密封材料的影响
5.2热源
5.2.1密封界面摩擦
5.2.2密封组件的黏滞阻力
5.2.3工艺流体
5.3冷源
5.3.1工艺流体/环境
5.3.2冲洗与急冷
5.3.3直接冷却
5.3.4冷却循环
5.3.5汽化与泄漏
5.3.6冷却方法的评价
5.4传热机制
5.4.1热传导路径
5.4.2接触热阻
5.4.3密封端面间的温差
5.4.4对流传热机制和对流传热系数
5.5传热模型
5.5.1假设
5.5.2数学基础
5.5.3数值方法
5.6传热研究
5.7两相传热
5.8实验结果
5.9结论和建议
第6章密封端面变形
6.1机械载荷和热载荷对端面形状的影响
6.1.1轴对称载荷
6.1.2非均匀端面载荷
6.1.3传动力
6.1.4压装与热装
6.1.5非均质材料
6.1.6不均匀的温度分布
6.1.7弹簧载荷
6.1.8非均匀截面
6.1.9蠕变
6.2基于圆环理论的密封环偏转变形分析
6.2.1圆环公式
6.2.2轴对称解
6.2.3分布函数的周期解
6.2.4集中力所引起的偏转变形
6.2.5圆环有限单元
6.2.6关于圆环有限元法的计算程序
6.2.7截面特性
6.3圆环理论的计算步骤与示例
6.3.1截面特性
6.3.2由非均匀分布载荷引起的偏转变形
6.3.3集中力载荷
6.3.4均匀的分布载荷与压力力矩
6.3.5热载荷
6.4二维轴对称有限元及边界元解法
6.4.1有限元法在密封设计中的作用
6.4.2有限元法的应用
6.4.3有限元算例
6.4.4边界元法
6.5切向适应性
6.5.1适应性的近似理论
6.5.2密封间隙的预测：基础理论
6.5.3切向适应性的广义理论
6.6实验数据
第7章密封系统及其研究
7.1引言
7.2密封系统的简化
7.3轴对称模型
7.3.1轴对称、窄环、粗糙、平端面、液体模型：轴对称模型1（AXMOD1）
7.3.2轴对称、任意形状端面、分布式接触压力、完全转动变形平衡模型：轴对称模型2（AXMOD2）
7.3.3考虑磨损的任意端面形状模型
7.3.4二维有限元模型
7.3.5轴对称、粗糙、平行端面、等温、两相密封模型：轴对称模型3（AXMOD3）
7.3.6轴对称、任意粗糙表面、两相密封模型：轴对称模型4
7.3.7一维、可压缩、轴对称流动模型：轴对称模型5
7.4流体动压模型
7.4.1粗糙、径向平行、刚性的流体动压密封近似模型：流体动压模型1（HYMOD1）
7.4.2粗糙、径向平行、端面偏转变形、流体动压密封近似模型：流体动压模型2（HYMOD2）
7.4.3粗糙、径向平行、刚性的、流体动压密封模型：流体动压模型3（GRMOD）
7.4.4粗糙、径向平行、端面偏转的流体动压密封模型：流体动压模型4（HYMOD4）
7.4.5波度磨损的影响
7.5各种单一模型的综合归纳形式
7.5.1平行端面模型
7.5.2热锥度流体静压密封模型
7.5.3刚性流体动压模型
7.5.4总结
7.6结论
第8章实验结果和模型验证
8.1实验结果
8.1.1对实验结果的规范
8.1.2增强型与平端面润滑特点
8.1.3fG图和其他的对比形式
8.1.4机械密封模型和fG图
8.2平行端面密封的摩擦数据、相关讨论和对理论的评价
8.2.1密封的摩擦力数据在fG图中的描述
8.2.2fG图中滑动销的摩擦力
8.2.3随时间变化的摩擦数据
8.2.4接触界面的观测实验
8.2.5膜厚和压力的测量实验
8.2.6对理论的评价
8.2.7平行端面密封润滑：工作原理
8.3平行端面密封的PV值和磨损值
8.3.1PV值
8.3.2磨损数据
8.4平行端面密封的性能
8.4.1泄漏
8.4.2寿命数据
8.5两相流运行实验
8.6波度密封实验数据
8.6.1摩擦力数据
8.6.2泄漏数据
8.6.3最小膜厚
8.6.4初始波度的变形
8.6.5总结
8.7径向锥度密封实验数据
8.7.1摩擦数据
8.7.2泄漏
8.7.3热径向锥度
8.8密封环和密封材料的数据
8.8.1典型的密封环波度
8.8.2材料特性
8.8.3其他数据
8.9密封失效
8.9.1简介
8.9.2文献
8.9.3密封失效的原因
8.10总结
第9章设计
9.1简介
9.2摩擦学设计
9.2.1名义平行端面：液体介质情况
9.2.2名义平行端面的两相密封
9.2.3流体静压、径向锥度、液体密封
9.2.4流体静压、节流控制、液体密封
9.2.5流体动压、波度、液体密封
9.2.6其他流体动压液体密封
9.2.7流体静压、锥度、气体密封
9.2.8其他流体静压气体密封
9.2.9流体动压、螺旋槽、气体密封
9.2.10其他流体动压气体密封
9.3机械设计
9.3.1结构形式
9.3.2副密封
9.3.3密封环和压盖板设计
9.3.4弹簧设计
9.3.5传动机构设计
9.4传热系统设计
9.5密封系统设计
第10章典型的失效形式
10.1热裂和热斑
10.1.1背景知识
10.1.2经验观测
10.1.3理论
10.1.4总结和结论
10.2碳材料的疱疤
10.2.1简介
10.2.2经验数据
10.2.3理论
10.2.4总结和结论
10.3动态稳定性与追随性
10.3.1特性
10.3.2经验数据
10.3.3理论
第11章当代设计
11.1流体密封的普遍应用
11.1.1流体密封：无显著润滑强化的密封
11.1.2流体静压密封
11.1.3流体动压/静压液体密封
11.2气体密封
11.2.1气体密封：无主动开启力
11.2.2静压型气体密封
11.2.3流体动压/静压型气体密封
11.3特殊的应用
11.3.1航空飞行器的密封
11.3.2核反应堆冷却泵
11.3.3锅炉给水泵
11.3.4船舰的轴封
11.3.5磨粒环境
11.3.6火箭发动机透平泵
11.3.7其他样式
11.4新设计
11.5发明
11.6发展趋势
第12章结论
12.1用户的需求和期望
12.1.1两相密封选型指南
12.1.2密封环境压力和温度预测
12.1.3密封性能数据库
12.2不确定性和深入研究
12.2.1传热系数
12.2.2平行滑动润滑
12.2.3疱疤
12.2.4两相密封建模
12.2.5热裂和热弹不稳定性
12.2.6密封失效
12.2.7波纹管稳定性
12.2.8O形圈的摩擦系数、刚度和阻尼
12.3结论
附录计算机程序
参考文献

机械密封在各个工业领域中被用于密封旋转轴周围的加压流体，应用对象从日常能见到的洗衣机到火箭发动机涡轮泵以及炼油工艺中使用的泵等都有涉及。尽管在文献中可以找到众多机械密封方面的或者偏于基础或者偏于实用的研究成果，但在密封运行及设计理论方面仍缺乏统一深入的研究。     本书尝试满足这一需求。本书基于的观点是：密封是一个系统问题。密封性能是运行条件、密封环境系统、密封介质及密封设计等的综合结果。密封的设计决定了密封材料的选择、密封端面摩擦学性能的控制、流体环境、传热，以及在不同流体性质和运行条件下由于热及压力导致的变形。流体环境、端面摩擦、传热、力学和材料之间的耦合作用决定了密封的泄漏、寿命和可靠性。尽管人们普遍接受这一观点，但这种耦合系统的解却不是总可以获得的。     第1章引言对这一观点以及如何处理此问题进行了解释，并对一些定义和背景进行了阐述。第2章面向过去30年间公开发表的文献，尝试对绝大多数密封技术领域的重要进展及有贡献的学者进行了归纳整理。这样做可能会遗漏部分在私有公司中做出的重要但未发表的成果，但暇不掩瑜。接下来，第3章提出了密封的测量问题，并讨论了径向锥度、波度和表面粗糙度的测量方法，同时给出了一些例子。在密封环和副密封材料方面给出了许多数据表格，这些表格包含了许多具有代表性的材料性质，可为读者提供一些帮助。其中，O形圈的材料性质数据也综合考虑了其摩擦、刚度、阻尼等。本书将材料的摩擦、磨损及PV极限作为材料性质来考虑，并进行了讨论和列表。     接下来，本书对密封系统各元素分别进行了阐述。第4章~第6章就密封中应用的界面摩擦学、传热和固体力学以大量篇幅分别进行了讨论。在各部分中详细地介绍了相关理论，在需进行假设的例子中，都对假设进行了仔细的讨论。各章都给出了许多公式、研究结果、计算模型和具体例子。     第7章中的“密封模型”是全书的核心部分，其将前述章节中叙述的各种理论集成到一些可以预测或描述某些密封行为特征的模型当中。这些模型基于以下因素得到：可度量的密封界面变量（如径向锥度和周向波度）；锥度和波度的起因——力热作用下的变形；摩擦学行为（摩擦和泄漏）、传热和固体变形之间的耦合作用。书中介绍的模型具有不同程度的完备性，研究者可根据难度和问题的需要选择合适的模型。所有模型都以公式形式表达并配以计算机程序以进行具体计算。这些程序少则几行代码，多则上百行，全部经过了实例应用。程序附在光盘中，读者可直接使用或者在修改后使用。通过使用这些模型，对密封基本特性进行了预测和讨论，读者可从中理解这些模型的使用方法、重要性以及应用限制。本章中最后一部分的工作是基于平行平面、径向锥度、波度等特殊条件，推导了模型的简化形式。这些简化模型的使用将贯穿于本书的剩余部分。     第8章较为详细地综述了密封方面的一些经验性知识，以帮助读者在联系前述模型的同时理解密封的工作机理。同时本章详细地讨论了几个不同的密封运行理论，将前述章节所论述的模型的结果与经验数据进行了对比，并对各模型适用性以及平行滑动机械密封运行理论进行了总结。     第9章将第7章的模型应用于密封设计。对于平行滑动密封，可以通过使用这些模型，在无磨损或扰动假设下检验密封性能，并更清楚地理解其中几个可控变量的作用。针对锥形端面密封、波形端面密封、螺旋槽密封以及节流控制的流体静压密封这几种情况，本章详尽地给出了相关设计公式、应用过程以及应用案例。其后，本章对密封其他要素的设计细节进行了深入讨论，包括副密封、驱动系统、整体结构型式等。     第10章阐述了密封的几个特殊问题，包括热裂、疱疤和失稳。对可获得的文献和方法进行了广泛的评述。之后，第11章对于当代密封的设计进行了一个调查。这里描述了许多商业化制造的密封的例子，并以前述章节中介绍的理论和实践知识进行了讨论。第11章对一些最新的设计和发明进行了检验以理解某些将会在书中叙述的问题，最后对一些密封发展趋势进行了总结。第12章总结了一些用户可能感兴趣的技术问题，并指出其他几个需要继续进行深入研究以推动密封学科发展的技术问题。     本书始终围绕两大类型的机械密封进行讨论。第一类是“接触式”机械密封，这种密封没有明显的或者设计出的增强流体承载力的工作机制。这类密封被称作接触式机械密封，或称平行端面密封，或者简单地叫作没有刻意润滑的机械密封。另一类是有意设计出的具有确定的流体承载能力的密封，包括节流控制型流体静压密封、径向锥形端面密封、波形端面密封、深槽端面密封和螺旋槽端面密封。     机械密封原理与设计前言读者将会注意到，本书中以较长的篇幅讨论了“平行滑动润滑”问题，或者说密封界面内流体产生高于流体静压水平的压力以承受负载及分离两密封端面的能力，但并未解决这个问题。尽管某些情况下这种润滑特性可能源于一些文献中提到的效应，但著者仍冒着一定的名誉风险说明，这种特性可能是由某些尚不清楚的物理机制导致的。希望本书能有第2版，在将来的版本中，这个问题能够获得解决，而本书中的相关模型也可随之进行近似修正以考虑此种效应。     由于本书坚持使用国际单位制（在少数例子中也使用了常用美制单位），有很多工作场合使用非国际单位制的读者会感到稍有不便。但读者可能也会赞赏一点——著者也多次这样做：严格地使用没有前缀的国际单位制，几乎可以全部消除因公式和计算程序中使用不同单位制带来的误差。     读者如发现本书中存在的错误，请不吝指出，以便著者在可能的后续版本中进行更正。     阿兰O.勒贝克     于新墨西哥州阿尔布开克