魏龍
（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）
摘 要：針對臥式軸流泵傳統(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)運動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)運動、往復(fù)運動、螺旋運動及靜止元件的密封，加之結(jié)構(gòu)簡單，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，同時引起填料產(chǎn)生徑向膨脹的趨勢，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，間隙被填塞而達到密封。即，軟填料是在變形時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。
填料與運動的軸之間因有相對運動，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，當擰緊壓蓋螺栓時，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展，對軸產(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)個不規(guī)則的微小迷宮。當有一定壓力的流體介質(zhì)通過軸表面時，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)，使流體沿軸向流動受阻而達到密封。填料與軸表面的貼合、摩擦，也類似滑動軸承，故應(yīng)有足夠的液體進行潤滑，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?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方面問題。
1.徑向壓力分布不均，摩擦磨損嚴重
由于填料是彈塑性體，當受到軸向壓緊后，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，當外端介質(zhì)壓力為零時，則泄漏很少，大于零時泄漏較大川。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，滑動接觸面較大，摩擦產(chǎn)生的熱量較大，而散熱時，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，密封壽命會顯著降低。
3.應(yīng)力松弛現(xiàn)象嚴重，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.自動補償能力較差
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)無自動補償壓緊力的能力，隨著間隙增大，泄漏量也逐漸增大。因此，須頻繁地擰緊壓蓋螺栓。
5.偏擺或振動的影響
某些機器(如壓縮機等)或設(shè)備(如反應(yīng)釜等)在工作時，軸有較大的振動和偏擺，軸與旋轉(zhuǎn)中心之間將會出現(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)動而周期性變化，因此起到了類似容積泵的增壓作用，這對密封是非常不利的。
四、改進措施
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行組合，可以極大地提高其密封效果。例如，對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，增進密封效果。
實驗表明，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，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。
(2)對填料預(yù)壓成形
填料預(yù)壓成形就是對填料先以一定的壓力進行預(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，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)及時裝入填料腔中，以免填料恢復(fù)彈性。如果進行預(yù)壓縮時，對填料施加的壓力不同，靠近壓蓋的填料壓力小，離壓蓋越遠則預(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、有機密封劑進行混合，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“旋轉(zhuǎn)層”;隨著“旋轉(zhuǎn)層”的直徑逐步增大，軸對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靜止，形成一個“不動層”，如圖6所示。這樣在泥狀混合填料中間形成一個剪切分層面，而不是填料與軸之間。
泥狀混合填料密封的特點是：無泄漏，密封可靠，對軸(或軸套)無磨損;安裝簡單，維修時可在線修復(fù)，降低了勞動強度;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.改進密封結(jié)構(gòu)
(1)改進徑向壓緊力的結(jié)構(gòu)
使填料沿填料箱長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，同時滿足對密封的要求�？刹扇∫韵麓胧�。
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，兩個填料箱軸向疊加，使后箱體底端兼作前箱體壓蓋，當填料環(huán)總數(shù)較多時，將其分段裝人前后箱體內(nèi)，使壓緊力較為均勻，可適當提高其密封能力。
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，當介質(zhì)壓力增高時，這種作用將更強。
d.集裝式結(jié)構(gòu)圈
如圖7d所示，由一組軟填料環(huán)裝填在一個可以沿軸向移動的金屬套筒之中，填料和套筒預(yù)緊力由壓蓋螺栓(螺母）有彈簧進行調(diào)?。工作時由于介質(zhì)壓力作用在套筒底上，進一步壓縮軟填料，增加了套筒內(nèi)底部軟填料對軸的壓緊作用，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，彈簧還可以對徑向壓緊力的松弛起到補償作用。
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)自動補償?shù)能浱盍厦芊饨Y(jié)構(gòu)
設(shè)置補償結(jié)構(gòu)，目的是對填料的磨損進行及時的或自動的補償;而且拆裝、檢修方便，以縮短因此而引起的停工時間。采用液壓加載和彈簧加載可以自動補償(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所示為自動補償徑向壓緊軟填料密封結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點：
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自動補償機構(gòu)可連續(xù)補償徑向壓力，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，可延長軸和填料的使用壽命。
(3)采用浮動填料箱的結(jié)構(gòu)
圖9a、b分別為內(nèi)圓和外圓可浮動的填料箱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適用于軸和殼體不同心或在轉(zhuǎn)動時擺動、跳動較大的場合。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狀態(tài)，補償殼體和軸的偏心。
五、結(jié)語
軟填料密封由于結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，拆裝方便，而且能適應(yīng)各種旋轉(zhuǎn)運動、往復(fù)運動、螺旋運動及靜止元件的密封，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)和對軟填料密封結(jié)構(gòu)及機理研究的不斷深入，軟填料密封的適用工況范圍必將不斷擴大，密封性能及壽命也將大幅提高。
（來源：通用機械）
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