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4 238
7.3.7 一维、可压缩、轴对称流动模型：轴对称模型5 242
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