【摘要】闡述了傳統離心泵填料密封的機理及其結構上存在的不足, 提出了一種新型的反向加力填料密封結構, 通過對其微元體上填料 的受力分析及運算, 得出了新型填料密封的密封性能優于傳統填料密封的密封性能的結論。

　　【關鍵詞】離心泵;填料密封;結構力學分析;改進

　　1 前 言

　　填料密封是用填料填塞泄漏通道阻止泄漏的一種密封形式。其特點是結構簡單、裝拆維修方便、成本低廉而廣泛應用于離心泵上。在離合泵上的填料密封既是動密封, 又是靜密封, 所用填料為油浸石棉盤根軟填料。其不足之處在于密封性能較差,對軸或軸套磨損大, 損失功耗大以及使用壽命短等。近幾年, 許多從事填料密封的研究工作者, 在密封的機理以及結構研究上做了大量的工作, 使得填料密封的結構更為科學合理, 本文介紹的結構是在現有的基礎上進行的改進。

　　2 傳統填料密封結構及其缺陷

　　2.1密封結構與工作原理

　　在傳統填料密封中, 內部流體可能通過下列途徑泄漏 :

　　①流體穿過填料本身的縫隙而出現滲漏;

　　②流體通過填料與轉軸之間的縫隙而泄漏;

　　③流體通過填料與箱壁之間的縫隙而泄漏。填料置于填料箱中, 通過壓蓋將填料壓緊在軸上, 填料依靠壓蓋軸向壓緊, 產生徑向變形, 填滿間隙。填料在變形時, 依靠徑向變形產生的徑向力緊貼轉軸與填料箱內壁表面, 實現密封。

　　這就是說, 在填料密封可能出現的三個泄漏途徑中, 填料本身的縫隙泄漏可以通過壓實軟填料的方法來消除; 箱壁內表面與填料之間的泄漏，因為無相對運 動且填料被壓實而與填料箱內壁表面緊密貼合, 達到了止漏目的 ; 只有填料與轉軸之間, 因有相對運動, 并存在微小間隙, 所以常造成泄漏。

　　2.2 填料徑向壓力的分布

　　填料徑向壓力分布如圖 1 所示, 由圖可看出填料徑向壓力的分布趨勢。該徑向壓力是由擰緊壓蓋螺栓時引起填料變形而產生的, 其由外端向內端遞減, 且由急劇遞減到趨 向平緩。介質壓力分布見圖1, 其介質壓力由內端逐漸 向外端遞減。當外端的介質壓力為零時, 則密封狀態最佳 (泄漏量為零 ) ; 而當外端的介質壓力大于零時, 則泄漏量隨著介質壓力的增大而增大。由上述分析可知: 填料的徑向壓力的分布與介質的壓力分布恰恰相反, 內端介質壓力最大, 此處所需 的密封力要大, 但填料 的徑向壓(緊) 力卻恰好為最小, 這就暴露出傳統填料密封的缺陷。

　　從圖 1 可 以看出: 介質壓力曲線和填料壓力曲線有一個交點 A , 在正常情況下, 交點 A 的位置是相對穩定的; 但實際上, 圖中兩曲線的交點 A 是可變的, 若介質的壓力增大時, 介質壓力曲線將平行向右 (外側 ) 移動 , 移動的結果可能造成軸封泄漏 ;為杜絕泄漏就要加大填料的徑向壓力, 這樣就使得填料壓力曲線發生位移, 通常是向左側移動, 移動的結果將使得 A 點右側的 區域增大, 造成在此區域的填料壓緊力過大, 從而造成軸或軸套磨損嚴重。

　　2.3 傳統填料密封的不足

　　( l ) 預 緊力恒定。預緊力恒定, 即密封力恒定,而被密封介質的壓力是波動變化的, 這就可能出現密封填料過度密封或密封不足。

　　( 2 ) 軸或軸套磨損嚴重。密封力不足時 , 采取的方法往往是加大預緊力, 這樣使預緊力過大, 造成密封填料與軸接觸面之間的摩擦力加大 , 并導致填料對軸或軸套磨損嚴重 , 功率損失增大, 泵的機械效率降低 。

　　( 3 ) 檢修周期短。由于填料對軸或軸套磨損嚴重, 為使泵正常運轉, 停機更換填料 的次數就增多,這樣運行成本就提高了。

　　3 填料密封的結構改造

　　3.1 密封結構

　　在分析了傳統填料密封結構、工作原理及其缺陷后, 要想改善和提高填料密封的密封效果, 在填料密封結構設計時要考慮解決的問題是 :

　　( l ) 盡量使徑向壓緊力均勻且與泄漏壓力規律一致, 使軸套承壓面受壓均勻, 從而使軸套磨損小而且均勻。

　　( 2 ) 使填料密封結構中的填料具有補償能力、足夠的潤滑性和彈性。

　　( 3 ) 密封的填料沿軸向抱緊力應均勻分布。鑒于以上分析, 新型的填料密封結構應該是一種能夠自動根據被密封介質壓力的變化而變化密封力的填料密封結構。

　　改造后的填料密封結構見圖2 , 主要由軸封箱、軸封腔套、填料、壓蓋、軸封腔套螺栓 以及彈簧等組成。

　　3.2 分析

　　當密封工作時, 首先通過軸封腔套螺栓給填料一個預緊力, 此力是通過軸封腔套反向施加在填料上的, 填料 因變形而產生徑向力, 由于 整個填料塊在受力過程中是雙向受力 , 兩側所受的力是相等的, 所以應該以填料中線為基準, 左右兩側分別進行受力分析, 受力如圖3 , 現對左側進行分析, 其受力分析和計算解析過程如下:

　　插入兩個截圖

　　這里把密封腔內介質壓力 (Pi)看作是定值, 則軟填料的柔軟系數 ( K ) , 摩擦系數 (μ) , 填料環 外徑( R ), 填料環內徑 ( r ) , 填料環長度 ( L ) , 都是已知,故可以作出填料密封軸向壓緊力的圖形, 見圖4。

　　由圖 4 可見, 填料因變形而產生的徑向力正好從密封腔的內端向外端逐漸遞減, 此時, 實際上填料對軸表面產生的徑向壓力在軸向剛好同介質壓力分布趨勢一致, 這就從本質上實現了加大密封力的要求。由于在軸封腔套的連接螺栓上加了彈簧, 可以實現填料對軸的密封力可隨密封介質壓力的變化而變化, 保持了填料的彈性, 從而使填料具有良好的密封性能和長的使用壽命。

　　另外 , 軸封箱與軸封腔套底端端面之間有一伸縮間隙 , 此伸縮間隙除了滿足填料的伸縮外, 還具有迷宮的效應和起到均勻分布介質壓力的作用。軸封腔套底端內孔設計有螺旋槽, 與軸的外表面之間構成螺旋槽密封。

　　4 結 論

　　針對傳統填料密封的結構特點與密封原理, 分析了對密封填料加載所引起的密封填料受力的不合理性; 從力學的角度出發, 對傳統填料密封的結構進行了改造, 提出了反向加力 的新型 填料密封的結構, 在結構和性能上克服了傳統填料密封的不足,使得填料密封的原理與結構更為合理, 其密封性能和使用壽命得到提高,有一定的參考價值。

　　參考文獻

　　1 鄧肖明 , 李多民 . 填料密封受力分析與結構改造. 化工裝備技術 , 2001

　　2 劉興旺等. 自動補償徑向壓緊軟填料密封結構設計. 石油化工設備 , 2003

　　3 張元華. 離心泵新型填料密封

　　4 劉令勛, 劉英貴. 動態密封設計技術. 中國標準出版社 , 1993

　　5 徐飯 編著. 密封. 冶金工業出版社. 2002

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