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行業(yè)資訊

密封性的影響因素

一、影響密封性的因素有哪些

機(jī)械密封的密封性是其最主要的指標(biāo)。影響因素根多,其中有密封結(jié)構(gòu)、材料、制造、安裝,介質(zhì)性質(zhì)及使用等。哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題,密封性都要受到影響??砂堰@些因素分為密封件本身和使用條件兩大類。密封結(jié)構(gòu)、材料和制造屬于“密封件本身”,這些因素在制造廠完成,密封件的質(zhì)量取決于制造廠。而安裝、介質(zhì)性質(zhì)和使用等屬于“使用條件”的范圍,如何正確使用取決于用戶自己。本章只討論屬于密封件本身的影響因素,其它影響I素在以后的章節(jié)中討論。

二、摩擦狀態(tài)有幾種

機(jī)械密封是一種接觸式密封,在力的作用下,動(dòng)靜環(huán)構(gòu)成一對(duì)摩擦副。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)、介質(zhì)性質(zhì)和工作條件(壓力、速度、溫度等)的不同,密封端面的曦擦狀態(tài)可分為液體摩擦、混合摩擦、邊界摩擦以及干或半干摩擦。摩擦狀態(tài)對(duì)密封性扣使用壽命有重要影響,應(yīng)當(dāng)搞清。

三、什么是液體摩擦?泄漏量怎樣?

兩個(gè)密封端面被具有一定壓力和一定厚度h。的液膜隔開。液膜厚度h。=3~10μm,遠(yuǎn)大于密封表面的粗糙度R。兩平面互相不按觸、不磨損。摩擦系數(shù)取決于介質(zhì)的性質(zhì)(如粘度等),與摩擦副材料無關(guān)。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在止推軸承中。普通的機(jī)械密封不予采用,因?yàn)樾孤┝看?,失去密封的意義。只有在特殊情況下采用液體摩擦狀態(tài)的機(jī)械密封。

四、什么是混合摩擦?泄漏量怎樣?

增加密封的閉合力,密封端面之間的縫隙比液體摩擦狀態(tài)減小,使兩表面的高點(diǎn)接觸,其間仍存在局部中斷的液膜,液膜厚度h。和縫隙高度h處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。裁荷由液體壓力和固體表面的“高點(diǎn)”共同承擔(dān)。因此,存在著磨損,但很輕微。表面摩擦和磨損性能同時(shí)取決于介質(zhì)性質(zhì)和摩擦副材料,泄漏量不多。普通機(jī)械密封大多處于混合摩擦狀態(tài)。德國E·邁爾提出了計(jì)算混合摩擦狀態(tài)下泄漏量的經(jīng)驗(yàn)公式,列出該式的目的,不是用來計(jì)算泄漏量,’因?yàn)檫~爾沒有給出流動(dòng)系數(shù)C2的確定方法,目的在于從該式可定性地了解影響泄漏量的因素。從中可見泄漏量與密封結(jié)構(gòu)有關(guān)(密封端面直徑d和寬度的b)、與介質(zhì)粘度n成正比、與密封端面承受的壓差(P1一P2)和速度(V)有關(guān)、與密封端面的比壓平方(P)成反比。

五、什么是邊界摩擦?影響泄漏量的因素有哪些?

隨著端面比壓的增大,液膜厚度h。進(jìn)一步減小,摩擦副表面的高峰接觸及相互作用的數(shù)目增多,液膜厚度只有幾個(gè)分子厚,并且不連續(xù),液膜壓力趨近于零,載荷幾乎都由表面的高峰承擔(dān)。液膜介質(zhì)的粘度對(duì)摩擦性質(zhì)沒有多大影響。摩擦性能主要取決于膜的潤滑性能和摩擦副材料。存在磨損,磨損量不大,泄漏量很小,是機(jī)械密封理想的摩擦狀態(tài)。E.邁爾也提出了計(jì)算邊界摩擦狀態(tài)下泄漏量的經(jīng)驗(yàn)公式,從公式可知,影響泄漏量的因素與混合摩擦狀態(tài)是有差異的。泄漏量與介質(zhì)粘度和密封端面寬度均無關(guān),與縫隙高度h2(粗糙度)成正比。此外還引入了縫隙系數(shù)S,它主要是滑動(dòng)速度和泄漏方向的函數(shù)。

六、出現(xiàn)邊界摩擦的條件是什么?邊界摩擦有何特點(diǎn)?

邊界摩擦是一種客觀存在。經(jīng)過大量的試驗(yàn)和研究人們漸漸了解到,邊界摩擦只有在低速和高比壓下才有可能出現(xiàn)。前蘇聯(lián)學(xué)者格魯別夫認(rèn)為:摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)速度高于5m/s,其間的單位壓力小于0.98MPa(10kgf/cm²)不會(huì)出現(xiàn)邊界摩擦。
必須具備一定的條件才會(huì)出現(xiàn)邊界摩擦。
1)兩個(gè)密封端面是平行的,在外徑處兩者不平行度之和不大于0.06μm/㎝ ;
2)在某一具體的表面粗糙度下,端面比壓和介質(zhì)壓力之比達(dá)到一定程度,使縫隙中不能形成液膜壓力;
3)端面比壓Pg>65N/㎝²。
這三條必須同時(shí)滿足,才能出現(xiàn)邊界摩擦。
邊界摩擦的特點(diǎn):
對(duì)具體的摩擦副材料,各種介質(zhì)的摩擦系數(shù)均相同。從圖76可知,盡管載荷系數(shù)和滑動(dòng)速度不同,進(jìn)入邊界摩擦狀態(tài)以后(A點(diǎn)以后)摩擦系數(shù)不變。
 

七、干或半干摩擦狀態(tài)有什么特點(diǎn)

在密封縫隙中不存在液體膜,摩擦副表面上吸附有氣體(或介質(zhì)的蒸氣)或氧化層。摩擦主要取決于兩表面的固體作用,磨損嚴(yán)重,并且與摩擦副材料以及載荷的關(guān)系很大。隨著磨損的加劇泄漏量增大,所以是機(jī)械密封竭力避免的摩擦狀態(tài),但是實(shí)際工作中,由于影晌因素很多,干或半干摩擦?xí)r有發(fā)生。
縱觀上述幾種摩擦狀態(tài),是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在。它們不是孤立的,.而是在某種條件下可以互相轉(zhuǎn)化的。實(shí)際工作中以混合摩擦狀態(tài)居多數(shù),對(duì)于壓力較高和速度較低的機(jī)械密封(如攪拌釜中),當(dāng)制造精度和安裝水平較高時(shí),則多數(shù)里現(xiàn)邊界摩擦。運(yùn)轉(zhuǎn)中如果工作條件發(fā)生變化,例如工藝流程泵中由于某種原因(壓力下降,溫度升高或組分變輕),在密封腔中出現(xiàn)(或接近)汽化狀態(tài),或正常運(yùn)轉(zhuǎn)的泵發(fā)生抽空,這時(shí)密封端面將處于干或半干摩擦狀態(tài)。

八、載荷系數(shù)怎樣影晌密封性

密封結(jié)構(gòu)和種類不同,載荷系數(shù)的計(jì)算公式也不同,這在第三章中己討論過,不再重復(fù)。
載荷系數(shù)對(duì)機(jī)械密封的密封性、使用壽命和可靠性等有很大影響。從密封性角度考慮希望載荷系數(shù)大一些,可得到較高的比壓,密封的穩(wěn)定性和可靠性都較好。但是載荷系數(shù)大產(chǎn)生的摩擦熱多,如不能及時(shí)散去,使密封端面溫度過高,當(dāng)達(dá)到介質(zhì)汽化溫度時(shí),將發(fā)生汽化,液膜破壞,磨損加大,使用壽命短。尤其是在壓力較高的工作條件下,采用載荷系數(shù)大于或等于1.0的非平衡型密封是不允許的。但是對(duì)于載荷系數(shù)小于1.0的平衡型密封,密封端面有被推開的可能,穩(wěn)定性較差。實(shí)際工作中不希望產(chǎn)生過多的熱量,又要有足夠的穩(wěn)定性,權(quán)衡利弊,在內(nèi)流內(nèi)裝式機(jī)械密封中,載荷系數(shù)在0.75~0.85較好。當(dāng)密封流體壓力較低時(shí)也可采用非平衡型密封(K=1.1~1.2)。
據(jù)對(duì)幾個(gè)大型石油化工企業(yè)的調(diào)查,載荷系數(shù)與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān),對(duì)較重的組分和不易汽化的介質(zhì)載荷系數(shù)可取大些,反之宜取小值。載荷系數(shù)的值不是孤立選取的,要和彈簧比壓綜合考慮。.彈簧比壓大時(shí),載荷系數(shù)可小些,反之宜大些。
 

九、彈簧比壓對(duì)密封性有何影響

彈簧比壓是促使密封端面貼合的重要因素。當(dāng)泵在停車與啟動(dòng)時(shí)壓力較低,或密封腔中正常工作的壓力低,或工作中壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)時(shí),彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。彈簧比壓的大小要根據(jù)密封結(jié)構(gòu)、工作條件、介質(zhì)性質(zhì)和載荷系數(shù)等綜合考慮。彈簧比壓大了,有利于密封端面的貼合,改善追隨性,增強(qiáng)密封穩(wěn)定性,若過大則摩擦熱量大,功率消耗增加,磨損量大,使用壽命縮短。彈簧比壓過小,泄漏量大,密封穩(wěn)定性差。
對(duì)內(nèi)裝內(nèi)流式密封,彈簧比壓在0.1~0.25MPa之間。對(duì)潤滑性好的介質(zhì),速度較低或壓力較低的工作條件,彈簧比壓取上限,反之取下限。如前所述還要和載荷系數(shù)緣合考慮。
對(duì)外裝式非平衡型密封,彈簧比壓的作用更大,是促使密封面貼合唯一的力,彈簧比壓要比內(nèi)裝內(nèi)流式密封大得多。當(dāng)介質(zhì)壓力在0.1MPa左右時(shí),彈簧比壓在0.3~0.45MPa;當(dāng)介質(zhì)壓力為0.25MPa時(shí),彈簧比壓應(yīng)取0.45~0.7MPa。在攪拌釜中,由于其工作轉(zhuǎn)速低、軸擺動(dòng)較大以及操作壓力波動(dòng)大等特點(diǎn),彈簧比壓也應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笮?/section>
對(duì)高速機(jī)械密封(多屬于內(nèi)流式密封)雖然采用潤滑性能好的密封流體,考慮到密封的追隨性,彈簧比壓宜取大些,一般在0.2~0.3MPa。此時(shí)載荷系數(shù)較小。

十、密封端面的粗糙度對(duì)密封性有什么影響

對(duì)普通的機(jī)械密封,從宏觀角度考慮正常情況下兩個(gè)端面是平行的,而且是固體接觸。從微觀角度考慮,任何表面都是高低不平的,即都有一定的粗糙度。通常說兩個(gè)平面接觸,實(shí)際上是兩個(gè)平面中的高點(diǎn)接觸了,而大部分表面并沒有接觸,仍有一定的}縫隙。

表面越粗糙,其縫隙高度h越大,泄漏量越大。為了保持良好的密封性,必須施加更大的端面比壓。圖80表示了這中關(guān)系。眾所周知,端面比壓過大,必然增加摩擦產(chǎn)生的熱量,這是不利的。因此,密封表面的粗糙度有一定的要求。這樣既有良好的密封性,又有較長的使用壽命?,F(xiàn)在我國制造的機(jī)械密封,其表面粗糙度Ra值0.04~0.32μm。碳化物的Ra值0.04~0.10μm(相當(dāng)于▽11和▽10)。其它材料(包括碳一石墨)Ra=0.16~0.32μm(相當(dāng)于▽9)。
 

十一、兩密封端面之間的縫隙形狀對(duì)密封性有何影響

研究機(jī)械密封的前提是兩個(gè)密封端面互相平行,實(shí)際情況并非完全如此。由于制造、安裝以及密封結(jié)構(gòu)、工作時(shí)載荷和溫度的影響,兩密封端面可能呈現(xiàn)收斂形、喇叭口形和平行形三種密封端面形狀(圖81)。新安裝投用的機(jī)械密封經(jīng)過一個(gè)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)(俗稱“跑合”)后,兩密封面趨于平行,泄漏量逐漸減少。跑含時(shí)間長短不一,從幾個(gè)小時(shí)到幾個(gè)月,它取決于縫隙的形狀,載荷的大小、滑動(dòng)速度、摩擦副性能及介質(zhì)性質(zhì)等。

所謂收斂形的縫隙形狀,就是靠端面的外緣處縫隙較大,內(nèi)緣處接觸,沿泄漏方向縫隙逐漸減小。液膜壓力在縫隙里的分布不呈線性,大于平行形的密封端面(圖82),造成密封的開啟力增大。由于閉合力中的主要部分彈簧力沒有增加,因此,在收斂形密封中泄漏量較大,工作不穩(wěn)定。但潤滑較充分,密封端面磨損速度小。
 
由于密封的接觸面積減小而彈簧力不變,則彈簧比壓增大。這時(shí)有兩種可能,第一種可能如果介質(zhì)潤滑性不好,磨損加劇,接觸面積逐漸增大,直到密封端面全部接觸,這時(shí)兩密封端面已趨于平行,跑合時(shí)間較短;第二種可能是介質(zhì)潤滑性很好,雖然彈簧比壓增大,密封端面的磨損也很小,經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才能完成跑合期,在跑合期內(nèi)泄漏量比正常密封大一些。
密封端面的縫隙形狀如果是喇叭口狀的,會(huì)出現(xiàn)另一種情況,靠密封端面的外緣處接觸,而內(nèi)緣有間隙。密封端面接觸的部分存有液膜壓力(圖83),總的液膜壓力小,比密封端面平行的要小。彈簧力不變,由于接觸面積減小(因內(nèi)徑增大),彈簧比壓和載荷系數(shù)增大,最終使端面比壓增大很多,泄漏量少,但是磨損加劇。如果介質(zhì)潤滑性較好,磨損較均勻,那么密封端面可能是光潔的,密封尚可繼續(xù)使用。反之,如果磨損劇烈,破壞了密封端面的光潔度(粗糙度),泄漏量大增,動(dòng)靜環(huán)可能也要更換。
 

十二、產(chǎn)生密封端面不平行的原因有哪些

兩密封端面不平行的原因是多方面的,有制造和安裝的原因,也有使用方面的原因。在制造過程中,由于研磨平板不平,造成密封端面內(nèi)緣處高,外緣處低。這種情況多發(fā)生在石墨環(huán)中(圖84),用平晶檢查,多呈現(xiàn)同心圓狀的光圈,如果不超過三個(gè)同心圓尚可使用,如果超過三個(gè)同心圓或根本無光圈,那么這個(gè)靜環(huán)不能用。這種情況還有時(shí)發(fā)生在安裝過程中,對(duì)104型國產(chǎn)密封,靜環(huán)墊為4F一V型的,當(dāng)靜環(huán)的輔助密封圈裝到壓蓋中后,如果輔助密封圈的徑向過盈值太大,相當(dāng)于有一個(gè)很大的力作用于A點(diǎn)(圖85),使密封端面變形。當(dāng)密封環(huán)采用熱裝式結(jié)構(gòu)時(shí),如果過盈值過大,也會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象。
 
即使是安裝前經(jīng)平晶檢查,密封端面符合標(biāo)準(zhǔn)要求,使用過程中,由于密封環(huán)各點(diǎn)的溫度不同,其熱膨脹值不同,產(chǎn)生了熱變形。此外,在密封腔中壓力較高時(shí),密封環(huán)內(nèi)外壓差較大,也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械(力)變形。這許多原因造成了密封端面不平行。

十三、密封端面的機(jī)械變形是怎樣引起的

密封環(huán)和許多零件一樣,受載荷就產(chǎn)生一定的變形。有人對(duì)其進(jìn)行了研究和定量的計(jì)算,由于計(jì)算較復(fù)雜,并且又做了一些假設(shè),計(jì)算結(jié)果只能是近似的,因此,不做介紹。但是,定性地了解變形的方向及趨勢(shì)是非常必要的。首先分析104型密封的靜環(huán)受力狀況。以∅55的密封為例,這是一個(gè)內(nèi)裝內(nèi)流非平衡型密封的靜環(huán)(圖86)。密封環(huán)的外圓柱表面受有介質(zhì)壓力P?,該力促使密封環(huán)向內(nèi)徑方向變形,簡化后在圖87上用R表示;在密封端而外徑d?和外徑d4之間平畫受介質(zhì)壓力P?的作用,簡化在圖87上用F?表示,密封端面受有兩個(gè)力,一是由介質(zhì)壓力和彈簧比壓組成的端面比壓用Fb?表示,另一個(gè)力是液膜壓力用Fm表示。Fb?均勻地作用于密封端面上,其作用點(diǎn)位于密封端面的中心,而Fm的作用點(diǎn)半徑大于Fb?的位置。軸向力F?、Fb?和Fm通過靜環(huán)加在靜環(huán)的輔助密封圈上,靜環(huán)的反力用W表示(圖87)。這樣一來靜環(huán)在這些力的共同作用下,由于作用點(diǎn)的差距產(chǎn)生了一個(gè)順時(shí)針方向的力矩M,促使靜環(huán)端面產(chǎn)生一個(gè)變形。變形的結(jié)果是密封端面的外緣處高(圖88)。對(duì)軸∅55的104型密封動(dòng)環(huán)受力簡化后見圖89。由定性地分析可知?jiǎng)迎h(huán)端面也有一個(gè)順時(shí)針方向的反力矩。F?作用點(diǎn)d=62.5mm,F(xiàn)b?作用點(diǎn)d=60mm。由于作用點(diǎn)差距較小,其力距也不大。
 
其變形的大小與材料的彈性模量成反比。鋼鐵的彈性模量比石墨大一個(gè)數(shù)量級(jí),在同樣條件下,石墨環(huán)的變形量要比鋼鐵大一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果用碳化鎢制造密封環(huán),由于其彈性模最比鋼鐵大幾倍,變形量也就小幾倍。變形量還與密封結(jié)構(gòu)有關(guān),如果靜環(huán)密封圈放在靜環(huán)的外圓表面處(圖90),度滲量要大大減小。變形量還與密封流體的壓力成正比,低壓下變形量很小可以忽略,只有在壓力大于1.5~2.0MPai時(shí)才考慮密封環(huán)的機(jī)械變形。
 
現(xiàn)舉一計(jì)算實(shí)例來說明力變形的問題。在一平衡型密封中,密封流體壓力為5MPa,彈簧力忽略不計(jì)。動(dòng)環(huán)用司太利硬質(zhì)合金制造,靜環(huán)用石墨制造。經(jīng)計(jì)算動(dòng)環(huán)變形量為0.5μm,靜環(huán)變形量為15.9μm兩密封端面變形方向,均是外徑處高,即屬于喇叭口狀的縫隙,疊加后總變形量為16.4μm。
十四、密封環(huán)的熱變形是怎樣產(chǎn)生的
密封環(huán)的結(jié)構(gòu)、摩擦副材料的熱力性能(例如導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)和散熱系數(shù)等)的差異以及密封環(huán)各點(diǎn)溫度不均勻是產(chǎn)生熱變形的根本原因,破壞了密封端面的平行。對(duì)于具體的結(jié)構(gòu)和材料,不僅是徑向溫度差,就是軸向溫度差也能影響密封的縫隙形狀。為了說明這一問題,假定有個(gè)圓筒形的密封環(huán)(圖91),密封端面處于高溫介質(zhì)(因摩擦使溫度升高)中,下端是大氣端。這是實(shí)際工作中經(jīng)常出現(xiàn)的情況。由于兩端溫度不同,高溫端的直徑膨脹量必定大于大氣端(圖91的實(shí)線),使密封端面的內(nèi)徑高于外徑,運(yùn)轉(zhuǎn)中呈收斂形縫隙。
 
沿密封端面的溫度梯度也能改變密封端面的縫隙形狀。沿密封端面處,外緣接觸高溫介質(zhì),內(nèi)緣向大氣散熱,而溫度較低。由于存有溫度梯度造成外緣熱膨脹大于內(nèi)緣的熱膨脹量,最終形成喇叭口狀的縫隙。
熱變形量的大小,除了前面談的影響因素外,還與密封端面的溫度差有很大關(guān)系。如帶急冷水的高溫泵機(jī)械密封,沿徑向和軸向的溫度梯度都很大,變形量當(dāng)然也大。選擇導(dǎo)熱性能良好和線膨脹系數(shù)小的材料制造密封環(huán),對(duì)減少密封端面的熱變形是有利的。此外,.密封端面的寬度也是重要因素。選擇較窄的密封端面不但能減少摩擦熱的產(chǎn)生,還能減少熱變形量,因?yàn)槠渥冃瘟颗c密封端面寬度成正比。

十五、滑動(dòng)速度和摩擦副材料怎樣影響密封性

德國的E.邁爾曾經(jīng)做過試驗(yàn),由上表試驗(yàn)結(jié)果可見:

1)比較序號(hào)1和2,動(dòng)環(huán)材料相同,當(dāng)靜環(huán)材料導(dǎo)熱系數(shù)由17.4W/(m.K)改為69.8W//(m.K)時(shí),泄漏量由90cm³/h下降到62cm³/h(v=5m/s時(shí));
比較序號(hào)1}和3,靜環(huán)材料相同,只是改變了動(dòng)環(huán)材料,導(dǎo)熱系數(shù)由11.6W/(m.K)改為46.5W/(m.K),泄漏量由90cm³/h下降到11cm³/h;同理,在序號(hào)2和4中,泄漏量由62cm³/h下降到5cm³/h。其原因是:導(dǎo)熱系數(shù)大,散熱及時(shí),密封環(huán)溫度梯度小,熱變形量小,泄漏量少。
2)比較序號(hào)2和3,在序號(hào)3中,動(dòng)環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)大,泄漏量少(11cm³/h),序號(hào)2中,靜環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)大,泄漏量大(62cm³/h)。這是因?yàn)閯?dòng)環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)大,高速旋轉(zhuǎn)中散熱性能良好,密封環(huán)本身溫度梯度小,熱變形量小,泄漏最少。
3)各種相同條件下,速度越高,泄i漏量越大。其中主要原因是由于速度高,產(chǎn)生的摩擦熱量多,熱變形大所致。

十六、介質(zhì)粘度對(duì)泄漏量有何影響

E.邁爾通過水、柴油和潤滑油做了大量的試驗(yàn)研究,這些研究都是經(jīng)過足夠長的時(shí)間(100小時(shí))跑合后進(jìn)行的。’在這段時(shí)聞內(nèi)摩擦副表面由于磨損而重新變成平行的。試驗(yàn)證實(shí)了在邊界摩擦范圍內(nèi)介質(zhì)的粘度對(duì)泄漏量沒有影響,而在混合摩擦和液體摩擦中介質(zhì)粘度不容忽視,這些問題前邊討論過,不再重復(fù)。

十七、密封端面的寬度對(duì)密封性有何影響

對(duì)于密封端面平行的摩擦副,密封端面的寬度沒有多大的影響。為了將2MPa的壓力密封住,只需0.5mm的寬度就足夠了,出于強(qiáng)度和剛度上的考慮而加大了密封端面的寬
 
度。事實(shí)上加大寬度可使發(fā)熱量增大、熱變形大而最終導(dǎo)致泄漏量增大,所以過寬的密封端面是不利的。
 
十八、離心力對(duì)泄漏量有何影響
外流式密封,由于泄漏方向和離心力方向相同,便泄漏量加大;而內(nèi)流式密封,兩者方向相反,離心力阻礙了泄漏。當(dāng)兩種密封參數(shù)相同時(shí),外流式密封的泄漏量為內(nèi)流式密封的10倍。所以一般不選用外流式密封結(jié)構(gòu),只有在某些腐蝕性介質(zhì)中才選用外流式密封。
除上述各種因素對(duì)密封性有影響外,輔助設(shè)施(如沖冼等)、正確安裝與合理使用,對(duì)密封性和使用壽命也都有重要影響。這些在其它章中討論。

 

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