优秀毕业设计⑦|搅拌器集装式机械密封的设计及三维建模
搅拌器集装式机械密封的设计及三维建模
学生姓名：周敏 指导教师：王桃
摘 要
搅拌器广泛用于制药、化工、食品、化妆品等行业，机械密封对于搅拌器的安全运行以及设备使用寿命有着重要影响。本文针对消泡剂储罐搅拌器进行机械密封的结构设计以及三维建模。本设计涉及的密封介质为消泡剂（5%硅油，95%混合芳烃），要求所设计的集装式机械密封密封性能良好且可靠高。本文在查阅国内外釜用机械密封资料的基础上，根据用户给定条件进行了技术分析，根据介质性质及运行工况条件对机械密封以及密封辅助系统进行了选型；分析了搅拌轴尺寸以及法兰连接尺寸；对机械密封的端面尺寸、弹簧参数等进行了设计计算。为保证密封性能的可靠性和安全性，对机械密封的使用寿命及泄漏量进行了校核；满足设计要求后，根据密封的结构形式，分析各个零件之间的装配关系，完成了摩擦副、轴套、弹簧座等密封零件的结构设计。最后，对集装式机械密封各零件进行了三维建模，完成了整个密封的数字化装配，验证了各零部件之间的装配关系。本设计题目源自实际工程问题，是在中密控股股份有限公司的联合指导下完成的，其成果具有较高的工程应用价值。
关键词：机械密封；材料；结构设计；三维建模
1 绪论
搅拌器广泛应用于化工、制药、食品、化妆品等行业。为了保证良好的运行效率以及生产过程中的安全性，搅拌器机械密封发挥了巨大的作用。搅拌器为顶部插入式，搅拌轴轴径为160mm，其介质为消泡剂（5%硅油,95%混合芳烃），其中混合芳烃易燃，其蒸汽与空气可形成爆炸性混合物，遇明火能引起燃烧爆炸0，具有刺激性，对环境危害严重，因此如何依据使用工况，在现有标准型密封的基础上创新设计，满足搅拌器使用过程中对密封的要求显得十分重要。
本设计是在中密控股股份有限公司的联合指导下完成，针对实际工程问题，对搅拌器集装式机械密封进行结构设计、使用寿命与泄漏量校核。
2 机械密封及辅助系统选型设计
2.1 用户给定条件
本次设计所应用的装置为消泡剂储罐搅拌装置，搅拌轴从顶部插入，单支承；操作方式为间隙操作；轴径为160mm；介质为消泡剂（5%硅油，95%混合芳烃）；压力为0.02MPa；温度为30~50℃；搅拌速度为91r/min；泄漏量不超过5mL/h；使用寿命不小于16000h；法兰连接尺寸如图2-1所示，其中n=12个,f=22mm，釜口法兰至机架内联轴器距离大约为500mm。
图2-1 法兰连接尺寸
2.2 设计分析和设计思想
根据用户给定条件来看，该机械密封的运行工况较为恶劣，要设计出可靠性高、安全性、泄漏量以及使用寿命均满足要求的机械密封，首要任务是需要完成密封结构的总体布置。依据用户使用条件，搅拌轴是从顶部插入，容易出现“干运转”现象，且搅拌轴为单支承结构，摆动量大；介质在搅拌釜里进行搅拌，温度和压力都会发生变化，经过压力循环和冷热循环，密封端面容易产生变形0。机械密封在使用时，摩擦面的发热以及搅拌过程中导致温度升高，会引起辅助密封圈老化，要解决以上问题就需要对机械密封提供外部循环封液；密封液需选用与釜内介质相容的流体；需要增设辅助轴承，提高搅拌轴的动态稳定性；为了避免对密封性能的影响，需要设置带循环冷却液的冷却夹套；此外，机械密封的高度需满足设备的安装要求。
2.3 密封结构及材料选择
选用正确的机械密封结构可以保证机械密封在运行时达到最佳密封效果和性能，增强使用寿命，降低维护成本。根据工况条件综合分析，本设计密封结构型式确定为双端面、平衡型、内装式、多弹簧式、旋转式的机械密封。
机械密封的使用性能和寿命很大程度上取决于材料的选择，选择合适的材料能大大提高机械密封的性能。主要零件材料选择结果如表2-1所示，其他材料无特殊要求，选用304或者316。
2.4 密封辅助系统选型
此次设计的机械密封是安装在顶入式搅拌轴上的轴封，由于不是满釜操作，釜内上部分空间气体为密封介质，端面会处于干摩擦状态，对机械密封的性能和使用寿命都有较大的影响，因此需采用密封辅助系统对密封端面进行润滑。
由于介质泄漏对环境和人体都会造成危害，所以本设计冲洗方案为API PLAN 53A，其示意图如图2-2所示。储液罐选用加压型罐，再配合冲洗系统，储罐系统选择CMG3储罐。该储液罐带有视窗和冷却盘管，管路元件和仪表配置符合API 682标准。
3 机械密封设计计算
本次设计的计算主要在于验证端面尺寸的选择是否合理，弹簧的设计的计算，设计参数的计算。对于本次设计，动环端面为窄面，静环端面为宽面。这样设计主要是为了优化密封效果，静环端面比动环端面宽，这样可以使静环更好地保护动环，提高密封效果。同时，端面宽度差异可以起到一定的自润滑效果，有利于提高机械密封使用寿命。端面尺寸如图3-1所示，端面尺寸的设计结果如表3-1所示。
根据端面内直径、端面外直径和平衡直径可以计算出平衡系数B：
B＜1，满足机械密封选型为双端面平衡型的要求0，也说明密封端面尺寸选择合理。
在弹簧的设计计算时首先根据相关规定以及经验选取弹簧比压的范围，确定本次设计弹簧比压PS的范围为0.15~0.58MPa0。要保证设计弹簧后计算得到的端面比压和弹簧比压满足选定范围，以确保设计的密封件能够在该工况条件下正常运行。初步选取弹簧参数，根据GB/T 23935-2009得知弹簧用不锈钢丝的直径范围为0.6mm~12mm。将钢丝直径设计为1mm，个数为24个，根据JB/T 11107-2011从而可以得到弹簧的其他相关参数如表3-2，再通过验算弹簧丝径以及比压来确定弹簧选取参数是否合理。
通过验算初步选择的弹簧丝径以及弹簧比压，弹簧丝径大于0.95mm，满足要求，计算出弹簧比压满足确定的范围值。因此初步选取的弹簧丝径、中径参数合理，再继续计算出弹簧的螺旋角，弹簧工作高度，节距等其他参数，得到的弹簧设计参数结果如表3-3所示。
端面设计参数主要包括弹簧比压、端面比压、pv和pcv值、端面液膜压力pe值。为了保证机械密封的密封性能和使用寿命，端面比压、弹簧比压以及pv值需在合理范围内，以确保设计的密封件能够在该工况条件下正常运行。
根据工况分析，P1=0.5MPa，可认为反压系数λ内和λ外近似于λ（λ=0.5），由此计算端面液膜压力pe,得：
将介质侧内外端载荷系数设计为相等，可得到端面比压与弹簧比压相等0，由此，端面比压pc为：
根据设计工况以及端面设计情况计算出端面平均线速度，为：
检验机械密封端面设计是否合理可以采用体现机械密封工作能力的Pc和Pcv值，Pcv值为：
对比给定Pcv值，见表3-4，得知pc＜[pcV]，因此本文所设计的机械密封满足要求。
4性能校核
为验证机械密封是否满足长时间运行的要求，需对其泄漏量和使用寿命进行校核。机械密封的失效主要是密封面的失效0。实际在运行情况下，泄漏情况比较复杂，因此所计算出的泄漏量只是一个理论值。
密封缝隙的体积泄漏量，可采用下面的公式进行计算：
机械密封的使用寿命主要取决于密封面的磨损情况0，其使用寿命主要通过摩擦端面使用寿命进行计算。由于影响机械密封使用寿命的因素较多，加上运行过程中的不确定因素，所计算出的使用寿命只是一个理论值，比实际上的使用寿命会偏小。
计算摩擦率：
因此该机械密封的使用寿命满足设计要求。
5 结构设计及三维建模
在设计计算确定主要尺寸参数的基础上，对密封零部件进行结构设计和三维建模。结构设计主要分析工况条件下的设计技术要求，三维建模则是更直观地将设计体展现出来。由于此次设计涉及的零件较多，结构设计仅分析重要零件，其余零件通过经验以及现有标准釜用机械密封设计零件进行设计，重点满足尺寸要求。在三维建模中也要进行一定的结构分析，重要零件需要在设计精确尺寸下进行建模。
分析动静环，轴套，弹簧座以及轴承压盖的结构，其三维模型如图5-1至5-5所示。完成所有零件的三维模型后，要对模型进行装配得到该机械密封的模型体。除了整体模型的装配，所设计的组合体如图5-6所示的中间盘体组合、图5-7所示的腔体组合以及图5-8所示的锁紧盘组合需要通过装配得到。
相比部件装配，整个模型的装配相对复杂。首先选择一个零件或组件作为装配基准，即将其装配关系设置为固定。由于机械密封基本上是环形件，所以装配关系常用的就是轴对齐、平面对齐、贴合等。对于孔中放置螺栓、螺母，则多采用插入和轴对齐的装配关系。需保证各个零件之间不发生干涉，机械密封的装配模型如图5-9所示，其模型剖切图如图5-10所示。
6 总结
本毕业设计为一生产的实际题目。针对用户给定条件和密封的使用要求，本设计完成了搅拌器集装式机械密封的设计及三维建模工作，通过对密封泄漏量和使用寿命的校核，结果表明本文所设计的机械密封能够满足用户要求。
往期回顾
微信ID:西华大学能源与动力工程学院
图文来源：学院教学办公室
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设计排版：张浩 李子豪
校对：李子豪 杨洋
责编：王希
审核：江启峰 方晴