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1、填料密封浅谈1 前言32 填料密封32.1 填料密封简介32.2 填料密封的密封机理42.3 密封材料的选择62.3.1 软填料密封材料的要求62.3.2 填料密封常用材料及结构形式62.3.2.1 常用材料62.3.2.2 典型的软填料结构形式62.3.2.3 软填料密封材料的选择82.4 软填料密封存在的问题与改进82.4.1 主要存在的问题82.4.2 改进措施103 结束语121 前言 泄露是机械设备常产生的常见故障之一，造成泄露的原因主要有两方面：一是由于机械作用的结果，机械产品的表面必然存在各种缺陷和形状及尺寸偏差，因此，在机械零件联接处不可避免地会产生间隙；二是密封两侧存在压力差
2、，工作介质就会通过间隙而泄露。减小或消除间隙是阻止泄露的主要途径，密封的作用就是将接合面间的间隙封住，隔离或切断泄露通道，增加泄露通道中的阻力，或者在通道中加设小型做功元件，对泄露物造成压力，与引起泄露的压差部分抵消或完全平衡，以阻止泄露。 密封可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。静密封主要有点密封，胶密封和接触密封三大类。根据工作压力，静密封由可分为中低压静密封和高压静密封。中低压静密封常用材质较软，垫片较宽的垫密封，高压静密封则用材料较硬，接触宽度很窄的金属垫片。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触，可以分为接触
3、式密封和非接触式密封。一般说来，接触式密封的密封性好，但受摩擦磨损限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。本论文主要浅谈一下就目前较常用密封形式填料密封。2 填料密封2.1 填料密封简介填料密封按工作原理的不同可以分为填塞型软填料密封和成型填料密封（挤压型弹性体密封圈密封）。软填料密封又称为压紧填料密封，俗称盘根。盘根密封是最古老的一种密封结构，在我国古代的提水机械中，就是用填塞棉纱的方法来堵住泄漏的，世界上最早出现的蒸汽机也是采用这种密封形式的。而19世纪石油和天然气开采技术的生产与发展，使填料密封的材料有了新的发展。到了20世纪，填料密封因其结构
4、比较简单，价格不贵，来源广泛而获得许多工业部门的青睐。软填料密封通常用作旋转或往复运动的元件与壳体之间环形空间的密封，如离心泵、转子泵、往复泵、搅拌机及反应釜的轴封，还有阀门的阀杆密封，管线膨胀节、换热器浮头及其它设备的密封。它是能适应各种旋转运动、往复运动和螺旋运动的元件密封。 2.2 填料密封的密封机理填料密封的基本结构如图1所示，填料密封装置由填料箱、填料、封液环环和填料压盖等组成。图1 填料密封基本结构填料装入填料腔后，经压盖对它作轴向压缩，使它产生径向力保持与轴紧密接触，建立起密封状态。与此同时，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成液膜，呈“边界润滑”状态，类似滑动轴承，既所谓
5、的“轴承效应”，故应有足够的液体进行润滑，以保证密封有一定的寿命。填料被压紧后，未接触的凹部形成小沟槽，有较厚的液膜，当轴与填料有相对运动时，接触部分与非接触部分组成一道道不规则的迷宫，起到了阻堵液流泄漏的作用，故称“迷宫效应”。正是凭借这种效应，使流体沿轴向流动受阻而达到密封。由此可见良好的软填料密封即是“轴承效应”和“迷宫效应”的综合。 适当的压紧力使轴与填料之间保持必要的液体润滑膜，可减少摩擦磨损，提高使用寿命。压紧力过小，泄漏严重，而压紧力过大，则难以形成润滑液膜，密封面呈干摩擦状态，磨损严重。密封寿命将大大缩短。 因此如何控制合理的压紧力是保证软填料密封具有良好密封性的关键。 此外，
6、 填料密封的研究和使用中还要考虑到一下几点：1）间隙泄漏机理 间隙泄漏是指流体通过宏观间隙发生的泄漏，所以为了防止流体形成此泄漏，对填料施加的压紧力必须使填料与被密封表面之间产生的接触比压能封住泄漏流体。这就要求，填料函底部的径向接触比压不小于泄漏流体的轴向压力。这一机理一直是填料理论研究的主要准则。 2）多孔隙泄漏机理密封构件的表面不可能是理想的光滑表面，其微观形状是凹凸不平的，许多凹坑和凸坑往往构成了不规则的相互连通的泄漏通道，这些通道就会产生多孔隙的泄漏。显然，追求表面过分光滑，无疑会增加加工成本，同时按轴承效应分析，过分光滑的轴难于形成必要的润滑膜，反而会降低密封的寿命。所以，要求密封
7、填料具有良好的回弹性和柔软性，使其受压变形后能填充这些微观的泄漏通道，当密封表面相互运动时，填料能及时嵌入新的凹坑以堵住泄漏流体。这一机理提出的要求填料具有良好的回弹性和柔软性的观点，是填料一直遵循的基本观点。3）粘附泄漏机理如果密封面的微观凹陷是一些与泄漏方向垂直而又不连通的“沟槽”，这时只要填料与凸棱贴紧，即使未填密凹槽也不发生泄漏。但是，在往复运动的情况下，则可能发生粘附泄漏。这是因为液体与固体表面的粘附作用，使微观凹槽中留有少量液体，被运动表面带到外侧，当密封表面返回运动时，被带出的液体不能原封不动地带回，一定有少量液体被排流在外侧成为漏液，其漏液随往复次数和行程距离的增大而增多。为了
8、防止或减少粘附泄漏，应尽量减少微观凹槽的深度，且使微观顶峰等高。 4）动力泄漏机理 转轴密封表面上留有螺旋形加工痕迹，具有“泵液”的作用，当轴转动时，痕迹槽内的液体会沿螺旋槽轴向流动，如果流动方向与泄漏方向一致。其泄漏量随轴的转速增高而增大。防止转轴动力泄漏的有效方法是避免在转轴表面上残留螺旋形痕迹或控制痕迹的螺旋方向使之与流体泄漏方向相反。2.3 密封材料的选择2.3.1 软填料密封材料的要求对软填料密封材料的要求有以下几点： 1）有一定的塑性。在压紧力作用下能产生一定的径向力并紧密与轴接触。2）有足够的化学稳定性。不污染介质，填料不被介质泡胀，填料中的浸渍剂不被介质溶解，填料本身不腐蚀密封
9、面。3）自润滑性能良好。耐磨、摩擦系数小。4）轴存在少量偏心时，填料应有足够的浮动弹性。5）制造简单，装填方便。2.3.2 填料密封常用材料及结构形式2.3.2.1 常用材料 常用的填料材料主要有纤维质材料和非纤维质材料两大类。 纤维质材料包括：天然纤维、矿物纤维、合成纤维（聚四氟乙烯纤维、碳纤维、 酚醛纤维 、芳纶纤维等）、陶瓷和金属纤维。 非纤维质材料中柔性石墨应用较广。柔性石墨做成板材后模压成密封填料使用。柔性石墨又称膨胀石墨，它是把天然鳞片石墨中的杂质除去，再经强氧化混合酸处理后成为氧化石墨。氧化石墨受热分解放出CO2，体积急剧膨胀，变成了质地疏松、柔软而又有韧性的柔性石墨。柔性石墨有
10、优异的耐热性的耐寒性，有优异的耐化学腐蚀性，有良好的自润滑性，回弹率高 。2.3.2.2 典型的软填料结构形式 1） 绞合填料图2 绞合填料绞合填料是把几股纤维绞合在一起，将其填塞在填料腔内用压盖压紧，即可起密封作用，常用于低压蒸汽阀门，很少用于转轴或往复杆的密封，如图2所示。用各种金属箔卷成束再绞合的填料，涂以石墨，可用于高压、高温阀门。若与其它填料组合，也可用于动密封。2） 编织填料 （a)发辫编织填料 （b)套层编织填料 (c)穿心编织填料 （d)夹心编织填料图3 编织填料 编织填料是软填料密封采用的主要形式，它是将填料材料进行必要的加工而成丝或线状，然后在专门的编织机上按需要的方式进行
11、编结而成，有发瓣编织、套层编织、穿心编织、夹心编织等，如图3所示。 3） 叠层填料图4 叠层填料叠层填料是在石棉或其它纤维编织的布上涂抹黏结剂，然后将一层层叠合或卷绕，加压硫化后制成填料，并在热油中浸渍过。最高使用温度可达120130,密封性能良好。可用于120以下的低压蒸汽、水和氨液，主要用作往复泵和阀杆的密封，也可用于低速转轴轴封。当涂敷硬橡胶时，还可用于水压机的活塞杆。因它含润滑剂不足，所以在使用时必须另加润滑剂。4）模压填料图5 模压填料模压填料主要是将软填料材料经过一定形状的模压制成相应形状的填料环而使用。图5所示为由柔性石墨带材一层层绕在芯模上然后压制而成，根据不同使用要求，将采用
12、不同的压制压力。这种填料致密，不渗透，自润滑性好，有一定弹塑性，能耐较高的温度，使用范围广，但柔性石墨抗拉强度低，使用中应予注意。 2.3.2.3 软填料密封材料的选择 首先应当指出的是，由于操作条件的复杂，特别是不存在能适应所有工艺条件的通用的填料类型，也就是说填料材料的选择是没有特定规律的，但材料的正确选用是保证密封装置密封性能的最基本条件之一。通常软填料密封主要是根据介质的性质、工作温度和工作压力、滑动速度以及填料的性质来选择。其中尤以介质的腐蚀性、压力、滑动速度和使用温度最为重要，此外，取材难易与价格也应适当考虑。2.4 软填料密封存在的问题与改进2.4.1 主要存在的问题传统软填料密
13、封主要存在以下几个方面问题1）径向压力分布不均，摩擦磨损严重由于填料是弹塑性体，当受到轴向压紧后，产生摩擦力致使压紧力滑轴向逐渐减少，同时所产生的径向压紧力使填料紧贴于轴表面而阻止介质外漏如图6所示，径向压紧压力的分布由外端(压盖)向内端，先是急剧递减后趋平缓，被密封介质压力的分布由内端逐渐向外端递减，当外端介质压力为零时，则泄漏很少，大于零时泄漏较大。由此可见，填料径向压力的分布与介质压力的分布恰恰相反，内端介质压力最大，应给予较大的密封力，而此处填料的径向压紧力恰是最小，故压紧力没有很好的发挥作用。实际应用中，为了获得密封性能，往往增加填料的压紧力，亦即在靠近压盖端的23圈填料处使径向压力
14、最大(约为平均压紧力的23倍)，当然摩擦力也增大，这就导致填料和轴产生如图7所示的异常磨损情况，严重影响了密封工作的稳定性。填料圈数越多，轴向高度越大，比压越不均匀。图6 填料压力分布图图72）散热、冷却能力不够 软填料密封中，滑动接触面较大，摩擦产生的热量较大，而散热时，热量需通过较厚的填料，且多数软填料的导热性能都较差。摩擦热不易传出，致使摩擦面温度升高，摩擦面间的液膜蒸发，形成千摩擦，磨损加剧，密封寿命会显著降低。3）应力松弛现象严重，密封工作的稳定性差 由密封填料的黏弹性分析可知，在恒定应变作用下，密封填料产生明显的应力松弛，严重的应力松弛必然导致软填料密封的早期失效。传统的软填料密封
15、，螺栓所施加给填料的预紧力是恒定的，由于磨损引起填料的压缩变形量稍有减少，就会加剧填料的应力松弛，从而降低了密封工作的稳定性和可靠性。4）自动补偿能力较差 软填料磨损后，填料与轴杆、填料箱内壁之间的间隙加大，而传统软填料密封结构无自动补偿压紧力的能力，随着间隙增大，泄漏量也逐渐增大。因此，须频繁地拧紧压盖螺栓。5）偏摆或振动的影响 某些机器(如压缩机等)或设备(如反应釜等)在工作时，轴有较大的振动和偏摆，轴与旋转中心之间将会出现较大偏心。如图4所示，若轴的中心与旋转中心不重合，偏心距为e，则轴与填料之最大间隙就为2e，最小间隙为零。间隙沿圆周的分布像月牙形。月牙形的间隙位置随着轴的转动而周期性变化，因此起到了类似容积泵的增压作用，这对密封是非常不利的。图8 偏心对间隙的影响图2.4.2 改进措施1)提高密封填料性能(1)采用填料的组合使用 即采用不同种类密封填料分段混合配置。不同的填料其侧压系数和回弹性能不同，通过合理选择不同的填料进行组合，可以极大地提高其密封效果。例如，对于膨胀石墨由于其抗拉及抗剪切能力较低，所以一般将膨胀石墨填料与石棉填料或碳纤维填料组合使用，这样既可防止膨胀石墨填料被挤入轴隙，强烈磨损而引起介质泄漏，又可使填料径向
