中国密封现状分析Word文档下载推荐.docx

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二是对PU进行低摩擦化改性，如Simrit公司独家推出用自润滑材料浸润获得的PU92AU21100，具良好的润滑性，耐超低温性能达到了20K（-253℃）。

（2）聚四氟乙烯（PTFE）复合改性与应用：

为了克服PTFE的某些物理性能方面的缺陷，采用PTFE材料为基体与各种有机或无机填料复合，如石墨、铜粉、碳纤维（CF）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚甲醛（POM）和聚苯硫醚（PPS）等材料复合，开发出适用于不同应用情况下的产品。

膨体聚四氟乙烯是将聚四氟乙烯经拉伸、膨化后形成的具有强韧而多孔型、高度纤维化的新材料，不但保持了聚四氟乙烯本身独特的化学稳定性、极低的摩擦系数、广阔的操作温度，而且它的微纤维化部结构更使其制品具有超乎想象的坚韧性。

（3）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的应用：

UHMWPE具有自润滑、耐磨损、耐冲击、耐溶剂、耐低温、不粘、憎水和卫生等优异性能，制造耐磨运输、设备衬里、机械零件，如推土机刮板、挖土机的衬，自卸船货仓衬板，用途十分广泛。

1.1.2密封系统的新结构

（1）新型油封[6]：

该油封由Simrit公司独家推出，配备有测试密封（旋转密封）泄漏量的传感器，可用于设备泄漏的在线状态检测。

（2）EVD智能密封[7]：

该密封由Hunger公司独家推出。

液压缸密封件磨损和变形后，通过一个专用装置，调节密封件（弹性体）的部压力，自动调整密封件的压缩量，恢复密封功能。

该结构可用于可靠性要求非常高的装备（如伺服液压缸、水力液压缸），已经在大型水

电站液压系统、海洋钻井平台等密封件拆装十分复杂的场合得到应用。

（3）SETCOAirShieldTM密封[8]：

采用新型SETCOAirShieldTM密封的主轴集成了摩擦密封与迷宫式密封的优点。

压缩空气切向送入固定前轴承座的循环槽，与主轴一起构成一个封闭的迷宫。

当空气在槽环绕主轴流动时，类似于涡流的运动会产生均匀的压力，散发流量均匀的气流。

其与柔性密封唇结合，外泄汽流会将污物从主轴，主要是轴承处吹走。

（4）聚四氟乙烯密封件结构创新：

PTFE密封件衍生出许多新结构，应用于往复密封、旋转密封和静密封，如AQ封、PTFE-V型圈、泛塞封等。

（5）流体动力效应结构[9]：

密封件的摩擦界面上开设流体动力螺旋槽，油膜将受到槽的泵汲作用，避免了泄漏。

动力槽不仅已经应用于油封，而且在往复密封件上也有应用。

如NOK-Freudenberg公司的新型低摩擦聚氨酯Y型圈LF300密封唇下部设计为波浪形摩擦界面，根部采用楔形倒角（见图2），抗缝隙挤出能力强，具有储油能力强、摩擦力小、运转平稳和密封能力强等特点，压力达到10MPa时的摩擦力较同类Y形圈要小得多。

图2NOK-Freudenberg公司的新型LF300密封

（6）计算机模拟仿真设计新结构[10，11]：

通过采用有限元分析（FEA）和ANSYS等商业软件，模拟应用条件下密封件的接触应力状态，通过结构参数调整消除边缘应力集中或应力峰，使整体应力分布均匀，摩擦界面上的润滑油膜更易形成且不易挤出，因此摩擦力降低，

耐磨性能提高，使用寿命延长。

此外，计算机模拟仿真设计还可节省大量试验经费和人力、物力，大大缩短产品开发周期，提高可靠性。

1.1.3制造工艺、设备及检测技术

目前，密封件生产装备和检测技术正朝着自动化、低成本和高可靠性的方向发展。

（1）高效混炼设备。

全自动控制的密炼机系统结合转子改型，实现了节能高效，减少了对环境的污染，同时制造出了高品质的混炼胶料。

（2）高效、先进、高品质的橡胶注射成型加工技术。

Parker公司生产O型圈，采用注射机做出飞边很小的产品，配合液氮冷冻修边、塑料粒修边及水石洗这三道工序，产品外观达到了相当高的水平。

（3）先进的光学检测系统。

Freudenberg等公司采用KMK公司开发的第三代新型光学检测系统，完全取代了人工检测，成功地将密封件的质量检测完全集成到生产过程中，这种图像处理系统达到了极高的检测速度和检测精度，可检测密封件表面最微小的缺陷，如裂缝、气泡、杂质和滑移线等。

（4）国密封件企业也引进了测量油封唇口力为主要依据的油封检测装置，以检测气压变化测量油封唇口密封性能的气敏检测仪，具有较高的检测速率，每小时可检测1200～1800个油封。

1.1.4模具设计与加工工艺

（1）模具设计与生产：

目前，模具设计与生产正朝信息化、数字化、无图化、精细化、自动化的方向发展，要求生产厂家既要重视设计软件的二次开发，还要具备模具型腔材料的加工流动性分析能力。

（2）加工制造与工艺：

目前我国加工制造方面已普遍采用了数控装备，专业模具制造公司已基本实现全数控化，模具精度、表观质量均达到相当高的水平，大大提高了生产效率。

（3）一体化加工：

橡塑密封模具的加工目前已经采用加工中心，这种中心集装卡、粗/精加工于一体，具有高功率、高速、高精度和高效率的特点，可一次加工五面。

1.2机械密封

1.2.1泵轴端新型机械密封

（1）润滑槽密封[12]：

“润滑槽”（LubricationGroove）就是在密封面上沿切线方向刻出窄槽。

当流体流经密封面时，这些槽能改善流体在密封面上的压力分布，有助于保持端面间的液膜稳定并防止液膜汽化。

“润滑槽”型式密封是由Flowserve公司生产的。

（2）流体动压垫/热流体动压楔密封[13]：

在动静环的任一密封面上从外缘沿径向朝里开出凹槽或企口，当密封工作时，凹槽及其周边因流体冷却产生变形较小，而远离凹槽的端面因冷却程度低而产生较大变形，因此在端面上产生周向波度而引起流体动压效应，即流体动压垫（HydrodynamicPad）。

凹槽深度可以从几μm到3mm，一般为0.8～2.4mm。

这种型式密封最初由Bergmann公司生产，已在循环水泵轴端密封上应用长达50年而经久不衰。

（3）上游泵送密封[14，15]：

在动静环的任一密封面的下游或低压侧上加工出螺旋槽等型槽，当密封工作时，受型槽动压效应作用很少量流体从密封面下游被泵送至上游，若该剪切流完全抵消密封面的上下游压差引起的流动时，则密封可以达到零泄漏。

这类密封称为“上游泵送密封”（UP[综述 

图片 

论坛]-streamPumpingSeals），由美国JohnCrane公司发明，常用于易燃、易爆、有毒和润滑性差的介质密封。

（4）干气密封[16，17]：

非接触式干气端面密封概念（Drygasfaceseal）的提出始于1969年，它是在气体润滑轴承的基础上发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。

干气密封在结构方面与普通机械密封的主要区别在于：

干气密封动、静环任一密封面上精加工有均匀分布的浅槽，槽深度一般小于20μm。

由于干气密封的非接触、使用寿命长，可以实现零泄漏，因此正在一些易汽化介质泵轴封上成为主流。

常见型槽形式如图3所示。

（a）JohnCrane公司干气密封（左-单向螺旋槽，右-双向螺旋槽）

（b）JohnCrane-Timing公司干气密封（上-单向双列螺旋槽，下-双向棕树槽）

（c）Flowsever公司干气密封（上-单向螺旋槽，下-双向T型槽）

图3典型干气密封的端面型槽

多孔端面密封[18-22]：

多孔端面密封是在动静环的任一密封面上加工出不同分布形式的微孔，这些微孔的大小、深度和分布密度因密封介质、泵操作条件的不同而不同。

每一个微孔的作用就像一个微型轴承，因此产生的流体动压效应使端面保持近接触或完全非接触。

试验和现场应用结果表明，与普通机械密封相比具有低功耗、低磨耗、耐高压等优点，可用于气体或液体。

典型多孔端面密封常采用激光精密加工而成，如图4所示。

（a）动、静环摩擦副

（b）微孔在端面上的典型分布形式

图4多孔端面密封的结构示意图

激光面密封[23]：

激光脸密封（LaserFaceSeal）与传统密封端面技术不同的是，其摩擦端面润滑得到强化，泄漏量得到了控制。

密封面上的关键结构是回流结构（“眼”）和入口流结构（“鼻”）。

由于回流结构对加工精度要求极高，因此目前难以普及。

1.2.2压缩机轴端新型机械密封

（1）油膜螺旋槽动压密封[24-26]：

这种型式密封主要包括下游泵送和上游泵送两大类，前者技术已经非常成熟，可以与包括浮环密封等其他[综述 

图片]轴封组合，密封面线速度可达到120m/s，泄漏量接近于零，该密封系统在国工业用高速压缩机上实现了长周期、微泄漏、微磨

损，其性能全面超过进口的机械密封产品，经济和社会效益十分显著；

后者技术尚待完善，主要是端面最佳几何参数的设计和泄漏量大小的控制（确保端面润滑并防止结焦）。

（2）干气密封（DGS）：

压缩机用干气密封在基本结构上与泵用干气密封类似，但是也有根本区别。

在选择单向螺旋槽和双向螺旋槽时，应综合考虑压缩机的转子两端具体情况，端面气体成膜能力、气膜刚度和承载能力，压缩机反向运行可能性等。

由于使用干气密封的

压缩机完全不需要复杂的封油系统，从而显著地减少了大型压缩机的运行和维护费用，因此目前正取代其他密封形式而成为石化、冶金等行业高参数压缩机轴封的主流。

1.2.3表面强化[27-29]

表面新型物理（含机械）、化学处理方法的涌现，使机械密封端面的表面强化获得新生，如表面喷涂类金刚[综述 

论坛]石（diamond-likecarbon-DLC）膜等。

研究表明，DLC膜是一种新型的硬质润滑功能薄膜材料，其应用的主要缺点在于制备过程中产生的较大应力使膜基结合较差，膜厚受到限制，在油润滑下不能体现出独特的润滑性能，严重影响了薄膜的实用化。

DLC多层膜（multiplayer）、纳米复合膜（nanoscalecomposite）、制备膜基缓冲层（bufferlayer）、梯度膜（compositegraded）以及掺入金属粒子（Me-DLC）是常用的减少应力、改善膜基结合的方法。

其中，Me-DLC膜不仅在缓解薄膜应力方面具有良好的效果，不同的金属粒子及制备工艺手段还显著改变着薄膜的力学、摩擦磨损以及各种物理化学性能，在不同领域展现了广泛的应用前景。

另外，对滑动性能和耐久性有强烈要求的O形圈密封环，近年来也开始采用DLC。

用于橡胶的DLC与用于金属和瓷材料的DLC相比，对柔软性的要求高。

因此，对于橡胶、树脂用的DLC，力求能嵌藏裂纹和褶皱、吸收伸缩，以便迎合基底的伸缩[30]。

1.2.4辅助密封圈的新设计

辅助密封圈的性能除与密封圈材料直接有关外，还与密封圈的结构密切相关。

最近，JohnCrane公司提出了一种主动柔性控制（ADC）辅助密封，可以实现低载荷，补偿可靠，已经成功应用于压缩机用干气密封中。

在某种程度上避免了辅助密封圈因长期储存或备用时与

轴/轴套产生的黏着，以及黏着引起的端面开启性能下降等问题。

其结构示意图如图5所示，特点如下：

（1）回形弹簧设计；

（2）不需要额外的压板；

（3）低摩擦力，满足低速滑动/降速要求。

图5主动柔性控制（ADC）辅助密封

1.2.5推力型式新技术

常规机械密封的补偿环推力机构一般采用弹簧、波纹管和磁力，为克服上述机构对轴向尺寸的高要求，满足密封向高参数发展面临的追随性和稳定性需求，人们发明了波片弹簧，并为满足不同场合的需要加工制造出了各种规格和型式。

1.2.6密封结构新材料及其生产新工艺

（1）软环材料：

机械密封用软环材料已由原来的普通浸渍树脂/金属石墨等增强型石墨发展为硅化石墨、气相沉积碳石墨、BN增强石墨、碳-碳复合材料等[31]。

（2）硬环材料[32-34]：

机械密封用硬环材料已由原来的铸铁、Al2O3瓷、硬质合金发展为综合性能优异的SiC、CrC，并采用物理/化学沉积法在硬环摩擦表面沉积耐磨层（如DLC膜），激光溶覆、热喷涂瓷、热喷熔镍基自熔合金/热喷熔铁基自熔合金、热喷涂瓷/热喷熔铁基涂等技术来降低成本，获得高性价比的机械密封基础件。

（3）辅助密封圈材料：

辅助密封圈材料除了传统的橡胶类材料、普通增强型PTFE复合材料和柔性石墨外，最近20年人们通过在上述基体材料中填充各种微纳尺度的粒子、纤维和新型树脂，并通过应用新的表面处理技术与方法对填料表面进行处理，大大提高了填料与基体材料之间的相容性，从而提高了传统橡塑材料的力学性能、热性能和摩擦性能，使密封圈的性能稳定性、耐磨性和耐久性远远超过了原有的橡塑辅助密封圈[35，36]。

另外，聚醚醚酮（PEEK）、超高分子聚乙烯（UHWPE）、聚苯硫醚（PPS）、聚甲醛（POM）等树脂材料以及全氟橡胶（FFKM）和氟塑料包覆橡胶作为密封新材料，已经得到成功应用[37，38]。

1.2.7其他[综述 

图片]机械式轴封进展

（1）迷宫密封[39]：

由简单的梳齿结构发展为直筒密封和碳环密封。

（2）浮环密封[40]：

由简单的浮环结构发展为螺旋浮环密封。

该新型密封针对浮环密封和螺旋密封各自存在的问题，创造性地将两种密封型式有机组合，集中体现两者的优点，克服两者的缺点，使密封性能有了很大提高；

其次，采用正、反向螺旋槽提高了密封的抗干扰能力；

此外，应用“直筒式密封及流量控制系统”于该密封装置中，大大提高了防止工艺气体反扩散能力，降低了缓冲气的耗量。

经高炉煤气回收透平和高压氢气循环离心压缩机上的实际应用表明，与进口的传统密封相比，密封油的泄漏量由原来的20L/天降至2L/天，封气耗量由500Nm3/h降至75Nm3/h，工艺气体的反扩散剂量由50ppm以上降至6ppm。

该成果获得2005年国家技术发明二等奖。

该新型密封装置的示意图如图6所示。

图6螺旋式浮环密封装置示意图

机械式密封中典型的非接触式端面密封的型式及其特征如表1所示，常见的流体动、静压及其组合密封型式如表2所示。

表1典型非接触式流体密封的型式及其特征

1.2.8机械式轴封设计理论与方法[41]

机械密封及其辅助系统的设计是一个复杂的过程，是一个系统工程，特别是对高参数（高温、高压、高速）机械密封更是如此。

设计过程一般是通过对已知条件的分析，依据确定的设计计算原则（常常选择泄漏量和流体膜刚度为设计原则），运用CAD技术，完成对机械密封的现代设计。

目前，国外著名的密封公司大多拥有自主开发的机械密封设计软件，如JohnCrane公司的软件中包含了多个大型功能模块，可对密封性能进行模拟仿真，而我国在这方面的研究开发工作还只是处于起步阶段。

目前，国外对干式气体端面密封的设计方法已日趋成熟，而湿式机械端面密封特别是液体润滑机械密封的性能预测以及设计理论与方法因涉及空化、相变、粘度等物性随温度和压力的变化、热力变形等诸多因素的耦合与解耦使研究难度更大。

表2非接触式端面密封的型式及其特征

1.3填料密封

1.3.1传统硬铬镀层的替代

目前，填料密封主要应用于阀门、往复机械、液压气动装置、部分旋转机械和釜等设备，由于填料与设备的往复或旋转杆件之间产生直接接触和摩擦磨损，因此填料和杆件这对摩擦副成为影响填料密封工作可靠性、耐久性和稳定性的主要因素。

为提高杆件的耐磨耐蚀性能，以往一般采用硬铬镀层，强化与防护如柱塞/活塞表面、阀杆表面以及气阀表面等机械部件的表面，提高填料密封的使用寿命。

但是，镀铬所生成的废水、废渣和废气对环境有长久破坏，同时对人体健康极其不利，长期工作在电镀环境中可导致人体肾功能衰竭、心率衰竭和白血病，因此目前人们在使用或探索性使用硬铬替代品。

例如，通过在摩擦件表面沉积抗磨润滑Ni基纳米/非晶合金等[42，43]，通过工艺条件的选择与控制，在表面上形成功能梯度镀层材料；

通过物理/化学气相沉积法（PVD/CVD），激光真空弧薄膜沉积技术（VLDT）[44]，超音速氧燃气火焰喷涂（HVOF）[45]，超音速等离子喷涂（HEPJet）[46]等技术与方法，在表面上获得高致密涂层。

镀层粉料有CrN、CrAlN、CrTiN、NiCo和复合瓷。

1.3.2填料结构、材质与组合

确保填料密封有效工作，除了摩擦偶件表面达到一定力学指标之外，填料函形式和填料也是非常重要的因素。

（1）填料函：

为避免结构不连续产生应力集中，导致相邻密封产生微动磨损和剧烈温升，要求填料函结构上要采用圆角过渡形式。

（2）填料材质：

以往的填料材质主要选用聚四氟乙烯、柔性石墨和石棉石墨盘根等，限于环保要求，石棉产品逐渐退出市场，目前已经开发并应用了一些性能优异的材料作为填料。

比如，氟硅氧烷（FSR）在低温下具有良好弹性和延展性，而在高温下性能保持力强；

纳

米颗粒填充PTFE赋予PTFE良好的综合摩擦性能；

超高分子量聚乙烯UHWPE具有很强的抗磨能力，填充改性可以提高其耐热性；

PEEK是一种很不错的密封材料，既耐磨损、耐热，又具有抗蠕变性能[37，47，48]。

（3）填料组合：

实践证明，在同一密封腔填充单一填料的使用寿命一般比填充多种填料短，填料的组合形式对密封的耐磨性能、密封性产生大的影响。

（本文作者：

1.工业大学机械工程学院旭东；

2.清华大学机械设计工程研究所王玉明；

3.机械科学研究院黄兴；

4.通用机械研究院鲲）