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第1章 引言1

1.1 旋转轴密封的应用1

1.2 经济价值2

1.3 轴密封的类型3

1.3.1 固定间隙密封3

1.3.2 面导向密封4

1.4 机械密封5

1.4.1 基本组成部分5

1.4.2 不同的结构类型6

1.4.3 平衡比7

1.4.4 基本运行理论8

1.4.5 PV值8

1.4.6 工作极限9

1.4.7 技术发展水平和密封失效的原因10

1.5 基本工作原理11

1.5.1 密封设计的目标和矛盾11

1.5.2 边界润滑、混合润滑和全膜润滑11

1.5.3 泄漏12

1.5.4 设计目标13

1.6 密封系统13

1.6.1 定义13

1.6.2 界面形状14

1.6.3 摩擦学、接触压力和流体压力14

1.6.4 性能15

1.6.5 传热15

1.6.6 磨损和固体力学15

1.6.7 总结16

1.7 本书中使用的方法16

第2章 文献17

2.1 简介17

2.2 论文与报告17

2.3 参考书目表与文献综述32

2.4 书籍、手册和指南32

第3章 测量学、摩擦学和材料35

3.1 密封端面定义与测量35

3.1.1 表面粗糙度35

3.1.2 波度：周向形状误差（与平面的偏差）43

3.1.3 径向锥度（径向平面偏差）51

3.1.4 三维表面测量53

3.2 密封界面形状53

3.2.1 假设的界面形状53

3.2.2 极限情况54

3.3 密封端面材料及其性质54

3.3.1 物理性质和力学性能54

3.3.2 摩擦学性质58

3.3.3 化学性质64

3.4 副密封材料66

3.4.1 物理性质和力学性能66

3.4.2 摩擦学性质66

3.4.3 化学相容性71

3.5 密封流体73

3.5.1 重要的流体性质73

3.5.2 所选流体的性质73

第4章 密封界面的摩擦学模型75

4.1 混合摩擦的摩擦学模型75

4.1.1 存在的问题75

4.1.2 求解流体压力分布：液体76

4.1.3 求解流体压力分布：气体88

4.1.4 接触压力分布95

4.1.5 承载力和平衡99

4.1.6 泄漏99

4.1.7 摩擦力100

4.1.8 磨损101

4.2 数值计算方法102

4.2.1 拟解决的问题102

4.2.2 数值方法的背景与调研103

4.2.3 不可压缩有限差分方程的求解104

4.2.4 有限差分法求解空化问题111

4.2.5 可压缩有限差分方程（层流/亚临界）115

4.2.6 一维可压缩流体（层流/湍流/堵塞流/绝热）121

4.2.7 平衡载荷的求解121

4.3 算例122

第5章 机械密封热系统126

5.1 热对密封性能与行为的影响126

5.1.1 机械效应126

5.1.2 对工艺流体的影响128

5.1.3 对密封材料的影响129

5.2 热源130

5.2.1 密封界面摩擦130

5.2.2 密封组件的黏滞阻力132

5.2.3 工艺流体133

5.3 冷源133

5.3.1 工艺流体/环境134

5.3.2 冲洗与急冷134

5.3.3 直接冷却135

5.3.4 冷却循环135

5.3.5 汽化与泄漏135

5.3.6 冷却方法的评价136

5.4 传热机制136

5.4.1 热传导路径136

5.4.2 接触热阻136

5.4.3 密封端面间的温差139

5.4.4 对流传热机制和对流传热系数140

5.5 传热模型142

5.5.1 假设143

5.5.2 数学基础143

5.5.3 数值方法144

5.6 传热研究147

5.7 两相传热149

5.8 实验结果150

5.9 结论和建议151

第6章 密封端面变形152

6.1 机械载荷和热载荷对端面形状的影响152

6.1.1 轴对称载荷153

6.1.2 非均匀端面载荷153

6.1.3 传动力154

6.1.4 压装与热装155

6.1.5 非均质材料156

6.1.6 不均匀的温度分布156

6.1.7 弹簧载荷157

6.1.8 非均匀截面158

6.1.9 蠕变158

6.2 基于圆环理论的密封环偏转变形分析158

6.2.1 圆环公式159

6.2.2 轴对称解164

6.2.3 分布函数的周期解165

6.2.4 集中力所引起的偏转变形167

6.2.5 圆环有限单元176

6.2.6 关于圆环有限元法的计算程序179

6.2.7 截面特性179

6.3 圆环理论的计算步骤与示例180

6.3.1 截面特性181

6.3.2 由非均匀分布载荷引起的偏转变形182

6.3.3 集中力载荷184

6.3.4 均匀的分布载荷与压力力矩187

6.3.5 热载荷190

6.4 二维轴对称有限元及边界元解法191

6.4.1 有限元法在密封设计中的作用191

6.4.2 有限元法的应用192

6.4.3 有限元算例194

6.4.4 边界元法196

6.5 切向适应性197

6.5.1 适应性的近似理论197

6.5.2 密封间隙的预测：基础理论201

6.5.3 切向适应性的广义理论203

6.6 实验数据204

第7章 密封系统及其研究205

7.1 引言205

7.2 密封系统的简化205

7.3 轴对称模型206

7.3.1 轴对称、窄环、粗糙、平端面、液体模型：轴对称模型1（AXMOD1）207

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）218

7.3.3 考虑磨损的任意端面形状模型227

7.3.4 二维有限元模型230

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）232

7.3.6 轴对称、任意粗糙表面、两相密封模型：轴对称模型4238

7.3.7 一维、可压缩、轴对称流动模型：轴对称模型5242

7.4 流体动压模型247

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）247

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）255

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）262

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）265

7.4.5 波度磨损的影响268

7.5 各种单一模型的综合归纳形式269

7.5.1 平行端面模型270

7.5.2 热锥度流体静压密封模型271

7.5.3 刚性流体动压模型273

7.5.4 总结275

7.6 结论276

第8章 实验结果和模型验证278

8.1 实验结果278

8.1.1 对实验结果的规范279

8.1.2 增强型与平端面润滑特点279

8.1.3 f-G图和其他的对比形式280

8.1.4 机械密封模型和f-G图281

8.2 平行端面密封的摩擦数据、相关讨论和对理论的评价281

8.2.1 密封的摩擦力数据在f-G图中的描述282

8.2.2 f-G图中滑动销的摩擦力284

8.2.3 随时间变化的摩擦数据285

8.2.4 接触界面的观测实验286

8.2.5 膜厚和压力的测量实验289

8.2.6 对理论的评价289

8.2.7 平行端面密封润滑：工作原理291

8.3 平行端面密封的PV值和磨损值294

8.3.1 PV值294

8.3.2 磨损数据295

8.4 平行端面密封的性能297

8.4.1 泄漏297

8.4.2 寿命数据300

8.5 两相流运行实验303

8.6 波度密封实验数据306

8.6.1 摩擦力数据306

8.6.2 泄漏数据308

8.6.3 最小膜厚309

8.6.4 初始波度的变形310

8.6.5 总结310

8.7 径向锥度密封实验数据311

8.7.1 摩擦数据311

8.7.2 泄漏312

8.7.3 热径向锥度313

8.8 密封环和密封材料的数据315

8.8.1 典型的密封环波度315

8.8.2 材料特性318

8.8.3 其他数据319

8.9 密封失效320

8.9.1 简介320

8.9.2 文献321

8.9.3 密封失效的原因323

8.10 总结325

第9章 设计327

9.1 简介327

9.2 摩擦学设计327

9.2.1 名义平行端面：液体介质情况329

9.2.2 名义平行端面的两相密封344

9.2.3 流体静压、径向锥度、液体密封349

9.2.4 流体静压、节流控制、液体密封356

9.2.5 流体动压、波度、液体密封360

9.2.6 其他流体动压液体密封365

9.2.7 流体静压、锥度、气体密封366

9.2.8 其他流体静压气体密封368

9.2.9 流体动压、螺旋槽、气体密封368

9.2.10 其他流体动压气体密封373

9.3 机械设计374

9.3.1 结构形式375

9.3.2 副密封377

9.3.3 密封环和压盖板设计396

9.3.4 弹簧设计404

9.3.5 传动机构设计407

9.4 传热系统设计411

9.5 密封系统设计411

第10章 典型的失效形式412

10.1 热裂和热斑412

10.1.1 背景知识412

10.1.2 经验观测413

10.1.3 理论417

10.1.4 总结和结论428

10.2 碳材料的疱疤428

10.2.1 简介428

10.2.2 经验数据429

10.2.3 理论433

10.2.4 总结和结论434

10.3 动态稳定性与追随性434

10.3.1 特性434

10.3.2 经验数据435

10.3.3 理论439

第11章 当代设计447

11.1 流体密封的普遍应用447

11.1.1 流体密封：无显著润滑强化的密封448

11.1.2 流体静压密封456

11.1.3 流体动压/静压液体密封457

11.2 气体密封459

11.2.1 气体密封：无主动开启力460

11.2.2 静压型气体密封461

11.2.3 流体动压/静压型气体密封461

11.3 特殊的应用463

11.3.1 航空飞行器的密封463

11.3.2 核反应堆冷却泵465

11.3.3 锅炉给水泵469

11.3.4 船舶的轴封470

11.3.5 磨粒环境471

11.3.6 火箭发动机透平泵473

11.3.7 其他样式474

11.4 新设计478

11.5 发明486

11.6 发展趋势498

第12章 结论500

12.1 用户的需求和期望500

12.1.1 两相密封选型指南500

12.1.2 密封环境压力和温度预测501

12.1.3 密封性能数据库501

12.2 不确定性和深入研究502

12.2.1 传热系数502

12.2.2 平行滑动润滑503

12.2.3 疱疤503

12.2.4 两相密封建模503

12.2.5 热裂和热弹不稳定性503

12.2.6 密封失效504

12.2.7 波纹管稳定性504

12.2.8 O形圈的摩擦系数、刚度和阻尼504

12.3 结论505

附录 计算机程序506

参考文献508