密封机理及影响因素

阀门密封结构涉及彼此相接触的密封副的两个密封表面。密封是靠密封副接触面的紧密接触来阻止流体通过的。

理论上只要两个密封面相互紧密接触，就可以阻止被密封流体的通过，从而达到密封的目的。但是实际上，零件的密封表面都是加工出来的，不论如何精密的加工，都不能得到真正的理想表面，其实际密封表面上总是存在着微观的凹凸不平的“谷”和“峰”。另外，任何加工方法也无法保证获得完全没有偏差的理想尺寸和形状的密封表面，而且零件在实际工作中受力作用下还会产生弹性变形。因而，实际上两个密封面之间不可能达到理想的吻合。当两个密封面压紧时，实际上不是整个密封面完全接触，而只是其上凸起的部分相接触，所以在相接触的密封面间实际上存在着间隙、沟槽和毛细通道。

为达到密封要求，需要对密封表面施加压紧力以产生一定的密封压力。其作用是使相接触的部分产生弹性或局部塑性变形，从而使实际接触面积扩大、间隙减小，但是不可能达到理想的完全接触。因此，无论加多大的压紧力，密封面间总还是存在着程度不同的微小间隙和通道。加大密封压力可改善表面不平度、增加实际的接触面积。但是密封压力再高（在材料性能允许范围内），在密封面间总还存在一定的微小间隙、沟槽和毛细通道等泄漏通道，如图4⁃1所示。

图4⁃1 密封表面的微观不平度

a）接触前 b）接触后 c）加压后(www.xing528.com)

如上所述，从直观上看，只有当两个密封面间的泄漏通道的截面尺寸小于流体分子直径时，才能阻止流体通过，达到完全密封。但是加工出来的两个密封表面间的微隙无法小于流体分子直径（水的分子直径为4.68×10－7mm，氦的分子直径为2.75×10－7 mm，氧的分子直径为3.64×10－7mm）。然而实际上，由于流体在两个密封面间的泄漏通道中受到一些物理作用的综合影响，在泄漏通道截面尺寸远大于流体分子直径情况下，也可能达到密封。

对实际密封面在工作时的状况，可以作如下描述：首先，由于微隙的存在，密封不可能在密封面的内缘实现，即流体并不是在密封面与被密封介质接触的边缘处被密封的。必然会有流体沿着密封面间的微隙、沟槽进入密封面之间。当然，既然达到了密封，流体也就不会从密封面外缘泄漏出去。试验中很容易观察到，在达到了密封的密封面间是有流体存在的。密封面的微隙尺寸小于流体分子的，无疑是可以阻止其通过的，有些沟槽或通道的尺寸虽然大于流体分子直径，但若在中途被截断，即不能由密封面内缘达到外缘的，则流体得以进入密封面，但却无法到达外缘。这些沟槽、通道细小、曲折，截面大小也是变化的，流体从中通过将产生很大的阻力降，这是由于流动方向的不断变化，截面大小的不断变化及流体进入密封面微隙，这种截面的剧烈收缩造成流体剧烈搅动涡流，所形成的节流效应使流体产生阻力损失，压力下降。密封面内外的压差是产生泄漏的基本原因，节流引起流体的压降将减小压差。流体在毛细通道中，由于附着力的作用（大多数流体对金属是浸润的）或吸附作用及毛细通道表面粗糙所引起的对流体的阻滞作用，将在通道表面形成附着于其上的静止的流体边界层。也有认为由于流体分子在流经间隙时产生极化而被吸附于通道表面，其厚度取决于通道表面状况及附着力的大小。黏性边界层的存在使毛细通道的截面更为狭小，从而阻碍流体的通过。当微隙或通道某个位置处截面足够狭小时，边界层有可能完全阻塞通道，形成密封，这种现象称通道的闭合或闭塞、堵塞、阻塞。因此，我们在试验中有时可以看到密封面最初有泄漏，而后逐渐减少，最后自动停止，就是由于闭合的逐渐形成所致。液体对密封面的浸润，一方面有利于边界层的形成，但这时毛细现象（或称毛细管作用）将使通道内液体向上延伸易于引起泄漏，即毛细作用将产生附加的压差。反之，对于内聚力大、表面张力大、不浸润的液体，则这时毛细作用将有利于密封，但不易形成边界层，因而不易造成闭塞。液体通过密封面间隙时的节流效应所产生的能量损失，将转化成热量引起局部的温升从而使液体黏度下降、密封面膨胀、通道扩展，而不利于密封，但是应当指出，当达到完全密封时，并不存在密封面间隙内的流体流动。

由上述我们知道在达到密封时，流体将进入到密封面之间，但不会从密封面外缘泄漏，因而在设计计算中取密封面的平均直径作为流体终止的界限。

通常为易于达到密封，在两个金属密封表面间加进一个软质密封圈。在达到一定密封压力后，软质密封圈材料被挤进零件密封表面间的凹凸不平处，减小或堵塞了泄漏通道，达到所需要的密封。这种软质密封圈就是通常所称的密封件。