軟填料密封存在的問題與改進(jìn)

魏龍

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

摘　要：針對(duì)臥式軸流泵傳統(tǒng)軟填料密封的基本結(jié)構(gòu)及密封原理，分析了軟填料密封存在的問題，提出了從提高密封填料性能和改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)來改善密封效果和提高使用壽命的幾種措施。

關(guān)鍵詞：軟填料密封；盤根；骨架油封；軸流泵；臥式軸流泵

一、引言

軟填料密封又叫壓蓋填料密封，俗稱盤根(Packing)。它是一種填塞環(huán)縫的壓緊式密封，是世界上使用Z早的一種密封裝置。軟填料密封通常用作旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的元件與軸封箱之間環(huán)形空間的密封，如離心泵、轉(zhuǎn)子泵、往復(fù)泵、攪拌機(jī)及反應(yīng)釜的軸封，還有閥門的閥桿密封，管線膨脹節(jié)、換熱器浮頭及其他設(shè)備的密封。它能適應(yīng)各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)及靜止元件的密封，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，拆裝方便，故至今仍應(yīng)用較廣。但也存在著密封性能差，功率消耗大，工作壽命短等不足。

二、軟填料密封的基本結(jié)構(gòu)及密封原理

圖1為一典型結(jié)構(gòu)的軟填料密封。軟填料裝在填料箱內(nèi)，壓蓋通過壓蓋螺栓軸向預(yù)緊力的作用使軟填料產(chǎn)生軸向壓縮變形，同時(shí)引起填料產(chǎn)生徑向膨脹的趨勢(shì)，而填料的膨脹又受到填料箱內(nèi)壁與軸表面的阻礙作用，使其與兩表面之間產(chǎn)生緊貼，間隙被填塞而達(dá)到密封。即，軟填料是在變形時(shí)依靠合適的徑向力緊貼軸和填料箱內(nèi)壁表面，以保證可靠的密封。

填料與運(yùn)動(dòng)的軸之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，難免存在微小間隙而造成泄漏，此間隙即為主要泄漏通道。填料裝入填料箱內(nèi)以后，當(dāng)擰緊壓蓋螺栓時(shí)，柔性軟填料受壓蓋的軸向壓緊力作用產(chǎn)生彈塑性變形而沿徑向擴(kuò)展，對(duì)軸產(chǎn)生壓緊力，并與軸緊密接觸。但由于加工等原因，軸表面總有一定的表面粗糙度，其與填料只能是部分貼合，而部分未接觸，這就形成了無數(shù)個(gè)不規(guī)則的微小迷宮。當(dāng)有一定壓力的流體介質(zhì)通過軸表面時(shí)，將被多次引起節(jié)流降壓作用，這就是所謂的“迷宮效應(yīng)”，正是憑借這種效應(yīng)，使流體沿軸向流動(dòng)受阻而達(dá)到密封。填料與軸表面的貼合、摩擦，也類似滑動(dòng)軸承，故應(yīng)有足夠的液體進(jìn)行潤滑，以保證密封有一定的壽命，即所謂的“軸承效應(yīng)”。

顯然良好的軟填料密封即是“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”的綜合。適當(dāng)?shù)膲壕o力使軸與填料之間保持必要的液體潤滑膜，可減少摩擦磨損，提高使用壽命。壓緊力過小，泄漏嚴(yán)重，而壓緊力過大，則難以形成潤滑液膜，密封面呈干摩擦狀態(tài)，磨損嚴(yán)重，密封壽命將大大縮短。因此如何控制合理的壓緊力是保證軟填料密封具有良好密封性的關(guān)鍵。

三、軟填料密封存在的問題

傳統(tǒng)軟填料密封主要存在以下幾個(gè)方面問題。

1.徑向壓力分布不均，摩擦磨損嚴(yán)重

由于填料是彈塑性體，當(dāng)受到軸向壓緊后，產(chǎn)生摩擦力致使壓緊力沿軸向逐漸減少，同時(shí)所產(chǎn)生的徑向壓緊力使填料緊貼于軸表面而阻止介質(zhì)外漏。如圖2所示，徑向壓緊壓力的分布由外端(壓蓋)向內(nèi)端，先是急劇遞減后趨平緩，被密封介質(zhì)壓力的分布由內(nèi)端逐漸向外端遞減，當(dāng)外端介質(zhì)壓力為零時(shí)，則泄漏很少，大于零時(shí)泄漏較大川。由此可見，填料徑向壓力的分布與介質(zhì)壓力的分布恰恰相反，內(nèi)端介質(zhì)壓力Z大，應(yīng)給予較大的密封力，而此處填料的徑向壓緊力恰是Z小，故壓緊力沒有很好的發(fā)揮作用。實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得密封性能，往往增加填料的壓緊力，亦即在靠近壓蓋端的2-3圈填料處使徑向壓力Z大(約為平均壓緊力的2-3倍)，當(dāng)然摩擦力也增大，這就導(dǎo)致填料和軸產(chǎn)生如圖3所示的異常磨損情況，嚴(yán)重影響了密封工作的穩(wěn)定性。填料圈數(shù)越多，軸向高度越大，比壓越不均勻。

2.散熱、冷卻能力不夠

軟填料密封中，滑動(dòng)接觸面較大，摩擦產(chǎn)生的熱量較大，而散熱時(shí)，熱量需通過較厚的填料，且多數(shù)軟填料的導(dǎo)熱性能都較差。摩擦熱不易傳出，致使摩擦面溫度升高，摩擦面間的液膜蒸發(fā)，形成干摩擦，磨損加劇，密封壽命會(huì)顯著降低。

3.應(yīng)力松弛現(xiàn)象嚴(yán)重，密封工作的穩(wěn)定性差

由密封填料的勃彈性分析可知，在恒定應(yīng)變作用下，密封填料產(chǎn)生明顯的應(yīng)力松弛，嚴(yán)重的應(yīng)力松弛必然導(dǎo)致軟填料密封的早期失效。傳統(tǒng)的軟填料密封，螺栓所施加給填料的預(yù)緊力是恒定的，由于磨損引起填料的壓縮變形量稍有減少，就會(huì)加劇填料的應(yīng)力松弛，從而降低了密封工作的穩(wěn)定性和可靠性。

4.自動(dòng)補(bǔ)償能力較差

軟填料磨損后，填料與軸桿、填料箱內(nèi)壁之間的間隙加大，而傳統(tǒng)軟填料密封結(jié)構(gòu)無自動(dòng)補(bǔ)償壓緊力的能力，隨著間隙增大，泄漏量也逐漸增大。因此，須頻繁地?cái)Q緊壓蓋螺栓。

5.偏擺或振動(dòng)的影響

某些機(jī)器(如壓縮機(jī)等)或設(shè)備(如反應(yīng)釜等)在工作時(shí)，軸有較大的振動(dòng)和偏擺，軸與旋轉(zhuǎn)中心之間將會(huì)出現(xiàn)較大偏心。如圖4所示，若軸的中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，偏心距為e，則軸與填料之Z大間隙就為2e，Z小間隙為零。間隙沿圓周的分布像月牙形。月牙形的間隙位置隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而周期性變化，因此起到了類似容積泵的增壓作用，這對(duì)密封是非常不利的。

四、改進(jìn)措施

1.提高密封填料性能

(1)采用填料的組合使用

即采用不同種類密封填料分段混合配置。不同的填料其側(cè)壓系數(shù)和回彈性能不同，通過合理選擇不同的填料進(jìn)行組合，可以極大地提高其密封效果。例如，對(duì)于膨脹石墨由于其抗拉及抗剪切能力較低，所以一般將膨脹石墨填料與石棉填料或碳纖維填料組合使用，這樣既可防止膨脹石墨填料被擠人軸隙，強(qiáng)烈磨損而引起介質(zhì)泄漏，又可使填料徑向壓力分布均勻，增進(jìn)密封效果。

實(shí)驗(yàn)表明，組合填料一般比各組分單一填料的密封性能好。同樣，填料的組合方式不同，工作壽命也不同。為得到Z佳密封效果，填料組裝應(yīng)符合下列原則：組合填料各圈由壓蓋到密封箱底，填料的側(cè)壓系數(shù)有增大趨勢(shì)，填料的摩擦因數(shù)依次減小，表示壓力下降速度的填料綜合系數(shù)呈減小趨勢(shì)。

(2)對(duì)填料預(yù)壓成形

填料預(yù)壓成形就是對(duì)填料先以一定的壓力進(jìn)行預(yù)壓縮，然后再裝入填料箱。填料在經(jīng)過預(yù)壓縮后，在相同的壓蓋壓力下，抵抗介質(zhì)壓力的能力增強(qiáng)，變形減少，介質(zhì)泄漏的阻力增大，密封效果明顯改善。

填料經(jīng)過預(yù)壓縮后，與未經(jīng)預(yù)壓縮的相比，裝入填料箱后其徑向壓力分布比較均勻合理，密封效果提高。預(yù)壓縮的比壓應(yīng)高于介質(zhì)壓力，其值可取介質(zhì)壓力的1.2倍。預(yù)壓后填料應(yīng)及時(shí)裝入填料腔中，以免填料恢復(fù)彈性。如果進(jìn)行預(yù)壓縮時(shí)，對(duì)填料施加的壓力不同，靠近壓蓋的填料壓力小，離壓蓋越遠(yuǎn)則預(yù)壓縮壓力越大，這樣的填料裝入填料箱壓緊后其徑向壓力分布更接近泄漏介質(zhì)沿泄漏通道的壓力分布，密封效果與壽命有很大改善。

(3)采用新型密封填料

泥狀混合填料是一種新型的密封填料，它由純合成纖維、高純度石墨或高分子硅脂、聚四氟乙烯、有機(jī)密封劑進(jìn)行混合，形成一種無規(guī)格限制的膠泥狀物質(zhì)。泥狀混合填料密封結(jié)構(gòu)如圖5所示，在軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，泥狀混合填料由于分子間吸引力極小，具有很強(qiáng)的可塑性，可以緊緊纏繞在軸上，并隨軸同步旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)“旋轉(zhuǎn)層”;隨著“旋轉(zhuǎn)層”的直徑逐步增大，軸對(duì)纖維的纏繞能力逐步減小，沒有與軸纏繞的填料則與填料箱保持相對(duì)靜止，形成一個(gè)“不動(dòng)層”，如圖6所示。這樣在泥狀混合填料中間形成一個(gè)剪切分層面，而不是填料與軸之間。

泥狀混合填料密封的特點(diǎn)是：無泄漏，密封可靠，對(duì)軸(或軸套)無磨損;安裝簡(jiǎn)單，維修時(shí)可在線修復(fù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度;不需要沖洗和冷卻;軸功率損耗小，只有普通軟填料密封的22%左右。目前國內(nèi)使用較多的泥狀混合填料主要有CMS2000和BP720兩種，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)

(1)改進(jìn)徑向壓緊力的結(jié)構(gòu)

使填料沿填料箱長(zhǎng)度方向的徑向壓緊力分布盡可能均勻，并且與泄漏介質(zhì)的壓力分布趨勢(shì)盡可能一致。其主要目的是減小軸和填料的磨損及其不均勻性，同時(shí)滿足對(duì)密封的要求?？刹扇∫韵麓胧?/p>

a.采用變截面的階梯式結(jié)構(gòu)

如圖7a所示，從壓蓋起到底環(huán)處填料截面逐段縮小而徑向壓力逐漸增大，接近介質(zhì)壓力分布。

b.雙填料箱分段式壓緊結(jié)構(gòu)

如圖b7所示，兩個(gè)填料箱軸向疊加，使后箱體底端兼作前箱體壓蓋，當(dāng)填料環(huán)總數(shù)較多時(shí)，將其分段裝人前后箱體內(nèi)，使壓緊力較為均勻，可適當(dāng)提高其密封能力。

c.填料壓蓋自緊式結(jié)構(gòu)

如圖7c所示，利用流體介質(zhì)壓力直接作用于填料壓蓋前端面上，以提高在介質(zhì)端部的填料受的壓緊力，也使壓緊力沿軸向的分布更趨于合理，當(dāng)介質(zhì)壓力增高時(shí)，這種作用將更強(qiáng)。

d.集裝式結(jié)構(gòu)圈

如圖7d所示，由一組軟填料環(huán)裝填在一個(gè)可以沿軸向移動(dòng)的金屬套筒之中，填料和套筒預(yù)緊力由壓蓋螺栓(螺母）有彈簧進(jìn)行調(diào)?。工作時(shí)由于介質(zhì)壓力作用在套筒底上，進(jìn)一步壓縮軟填料，增加了套筒內(nèi)底部軟填料對(duì)軸的壓緊作用，從而使徑向壓緊力的分布沿軸向與密封介質(zhì)的壓力分布相配合。

e.采用分級(jí)軟填料密封結(jié)構(gòu)

如圖7e所示，由軟填料環(huán)、金屬環(huán)、圓柱形彈簧交替安裝組合而成。它通過彈簧分別調(diào)節(jié)各層填料環(huán)的壓緊力，使之得到Z佳的徑向壓緊力分布，同時(shí)，彈簧還可以對(duì)徑向壓緊力的松弛起到補(bǔ)償作用。

f.采用徑向加載軟填料密封結(jié)構(gòu)

如圖7f所示，此密封是通過油嘴將潤滑脂擠人彈性套，從填料外圍均勻加壓，使填料沿軸方向的徑向壓緊力分布均勻。

(2)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)能浱盍厦芊饨Y(jié)構(gòu)

設(shè)置補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，目的是對(duì)填料的磨損進(jìn)行及時(shí)的或自動(dòng)的補(bǔ)償;而且拆裝、檢修方便，以縮短因此而引起的停工時(shí)間。采用液壓加載和彈簧加載可以自動(dòng)補(bǔ)償(如圖7c、d、e)。

a.變截面階梯結(jié)構(gòu)b.雙填料箱分段式壓緊結(jié)構(gòu)c.填料壓蓋自緊式結(jié)構(gòu)d.集裝式結(jié)構(gòu)e.分級(jí)軟填料密封結(jié)構(gòu)f.徑向加載軟填料密封結(jié)構(gòu)

圖8所示為自動(dòng)補(bǔ)償徑向壓緊軟填料密封結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①其徑向壓力和間隙中介質(zhì)的壓力在數(shù)值上很接近，符合軟填料密封機(jī)理。

②和傳統(tǒng)軟填料密封結(jié)構(gòu)相比，摩擦功耗低。

③各圈填料受壓套徑向壓力的作用，可始終緊壓軸表面，可保證有效密封。

④自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可連續(xù)補(bǔ)償徑向壓力，提高了密封的可靠性。

⑤在同樣的密封條件下，減輕了軸與填料的磨損，可延長(zhǎng)軸和填料的使用壽命。

(3)采用浮動(dòng)填料箱的結(jié)構(gòu)

圖9a、b分別為內(nèi)圓和外圓可浮動(dòng)的填料箱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適用于軸和殼體不同心或在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)擺動(dòng)、跳動(dòng)較大的場(chǎng)合。結(jié)構(gòu)中利用彈性或柔軟性良好的材料(如橡膠)作過渡體，起吸振作用，使填料箱或軸處于浮動(dòng)狀態(tài)，補(bǔ)償殼體和軸的偏心。

五、結(jié)語

軟填料密封由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，拆裝方便，而且能適應(yīng)各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)及靜止元件的密封，因此，目前仍被廣泛使用。但傳統(tǒng)的軟填料密封也存在著許多不足之處。本文針對(duì)傳統(tǒng)軟填料密封的基本結(jié)構(gòu)及密封原理，分析了軟填料密封存在的問題，提出了從提高密封填料性能和改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)來改善密封效果和提高使用壽命的幾種措施。隨著新型密封填料的不斷出現(xiàn)和對(duì)軟填料密封結(jié)構(gòu)及機(jī)理研究的不斷深入，軟填料密封的適用工況范圍必將不斷擴(kuò)大，密封性能及壽命也將大幅提高。

（來源：通用機(jī)械）