摘要：本文通過對軟填料密封工作特點的分析，提出了幾種提高其密封效果和壽命的方法。隨著新型密封填料的不斷出現和對密封填料工作特點研究的不斷深入，軟填料密封一定能適應工業技術的發展，從而獲得更廣泛的應用。
關鍵詞：旋轉軸；填料；密封性能
盡管填料是最普通的密封裝置，但在生產過程中，操作和維護的人員對機械填料的基本作用和原理了解得不是很多，一旦出現泄漏，不管填料的狀態如何，一般總是要擰緊填料壓蓋。實際上，填料可能會被壓得過緊而加速損壞。這樣的操作常會給工廠造成不必要的損害。因此，通過多年來的生產實踐，總結了用于旋轉軸的密封裝置填料的幾個問題[1]。
1 影響填料密封性能的因素分析
1.1 填料箱中的填料圈數對填料效果的影響
一般地，從表面來看，將盡可能多的填料環裝入填料箱中似乎是對的，但是實際生產實踐證明并不是這樣的。在填料箱喉部的最后一圈填料，可能得不到壓緊密封所需的任何接觸力，也不會擠出對軸進行潤滑所需的任何潤滑劑，而第一圈填料卻承受了全部壓緊力。顯然填料壓蓋所施加的最大的接觸壓力是作用在最不需要接觸壓力的地方。在實踐中，填料圈數以 5圈為最合適的限度，過多的填料圈數也沒有多大的作用，因為潤滑劑難以到達離潤滑劑注入點較遠的填料環。
(1)影響填料性能的機械因素：軸的徑向跳動、撓曲、偏斜和偏心度都會引起軸的振動效應，通常被稱為軸的扭轉。軸的扭轉在軸的填料處會造成較大的間隙，所以即使在填料沒有什么問題的情況下，也有可能失效。在這種特殊的情況下，是沒有什么能改善工作性能的臨時措施，更換填料也不會改善這種情況。因此必須在填料能起正常作用之前矯正這些機械因素，只有在這個基礎上才能得到最佳的密封操作。
(2)填料尺寸與軸徑之間的關系的影響：在實際生產中，填料寬度的大小與軸徑之間存有一個實用的關系。如果填料的寬度太小，則由填料壓蓋引起的壓緊力就會變得太大，而造成過度的壓縮，這不僅有損于軸，而且會導致填料過熱使填料過快地失效。但填料寬度較大時，通常的做法是砸扁填料充裝，這樣的做法是極為不妥的，破壞了填料的機械性能。
(3)填料設計的影響：填料箱中的最大壓力出現在緊接壓蓋的第一圈填料上，這樣的做法，雖然可以使潤滑劑以和流體同樣的壓力流入時沿軸表面的潤滑膜的壓力在填料箱的喉部和填料壓蓋面之間保持恒定，系統流體和潤滑劑達成平衡，泄漏也不會發生，但是潤滑劑卻沒有起到作用[2]。
1.2 旋轉軸的振動及對密封性能的影響
組合填料是在軟性填料和半軟性填料的基礎上發展而成的，它兼有兩者的優點。其結構是將塑料圓片壓扣改成雙圈大塑料環，將醛化纖維或滌綸絲壓在環的環圈上，使纖維束均勻分布。內圈是雪花狀塑料枝條，既能掛膜，又能有效切割氣泡，提高氧的轉移速率和利用率，使水氣生物膜得到充分交換，使水中的有機物得到高效處理。旋轉軸因加工誤差造成的不同軸度、工作狀態下的撓曲、徑向跳動以及軸心渦動等都會引起不同程度的振動。軸的振動會在軸封填料處造成一定的間隙，必然產生一定的泄漏量。實驗結果表明：填料密封的泄漏量隨軸的振動增加而急劇增加。假如一臺泵以3600r/min的轉速運轉，旋轉軸沿徑向產生0.075mm的振動。那么，軸每轉動一次，就使填料內徑增大(＜0.075mm)；由于填料的粘彈特性，難以保證填料及時有效地與軸保持接觸，則該軸每分鐘以一定的交變載荷沖擊填料3600次，因此在這種工作條件下就難以保證密封填料處于穩定的工作狀態，惡化了填料密封的摩擦狀態，加劇填料的磨損，因而也就難以保證密封工作的穩定性和可靠性。
顯然，分析在動態條件下填料密封的工作性能應從旋轉軸的振動特性和密封填料的動態特性兩個方面來考慮；除機械性能等幾個方面的特性外，其粘彈特性也是不容忽視的一個重要方面。其實，前面的幾個特性都不同程度地影響著密封填料的粘彈特性，譬如密封填料的摩擦磨損使填料的應力松弛這一粘彈特性的加劇，造成密封的早期失效。一般情況下，允許密封有一定的泄漏，這就應從兩個方面來滿足泄漏量的限制，即旋轉軸的振幅不太大(一般小于0. 05mm)，密封填料有良好的工作性能，當然包括良好的粘彈特性[3]。當旋轉機械處于非穩定的工作狀況時，旋轉軸的振幅增大，必然造成較大的泄漏量，此時應從更換性能優良的密封填料和(或)對軸系的動態調整來改善其密封性能。
2 提高旋轉軸組合填料密封的性能方法
由以上的分析可以知道，提高軟填料密封效果的措施的核心是改變其應力分布，使之與泄漏介質沿泄漏通道的壓力分布一致或相近。有以下幾種方法：
2.1 對密封填料進行預處理
預成型填料就是填料在裝入填料函前以一定的壓力進行預壓縮，然后再裝入填料函。填料在經過預壓縮后，在相同的軸向壓力下，抵抗介質壓力的能力增強，因而在介質的壓力作用下產生的變形減小，對壓力降的產生所做的貢獻增強，泄漏介質的壓降曲線變得平緩，有效封油長度增加。因而在相同的被密封介質壓力下對壓蓋的壓力要求降低，密封效果明顯改善。如果進行預成型時對填料施加的壓力不同，靠近壓蓋的填料預成型壓力小，離壓蓋越遠則預成型壓力越大，這樣的填料裝入密封函壓緊后其應力分布與傳統的填料密封應力分布更接近泄漏介質沿泄漏通道的壓力分布，密封效果與壽命有很大改善[4]。
2.2 使用組合填料
不同的填料其側壓系數和回彈性能是不同的。通過合理的選擇不同的填料進行組合，可以極大的提高其密封效果，可見組合填料的密封效果比單獨的填料要好。組合方式不同，密封效果也不同。最佳的組合方式是：組合填料各圈由壓蓋到密封函底，填料的側壓系數依次增大，磨擦系數依次減小。這與前面的理論分析結果是一致的。
2.3 填料的磨損量
在3種單一填料中，碳纖填料的磨損量最小，石墨填料次之，石棉填料磨損量最大。采用兩種或三種填料組合時，組合8、6、15的磨損量較小，分別為： 9.14，9.43，9. 52mg。它們的組合特點是：耐磨性較好的碳纖填料在壓蓋附近，耐磨性較差的石棉填料靠近箱底。由于在壓蓋附近的側向壓力較大，而且潤滑條件不好，因此，組合裝配時，將耐磨性好的填料(如碳纖填料)放在外側，耐磨性較差的填料(如石棉填料)放在箱底，可以提高填料的工作壽命[5]。此外，由于石墨填料在填料箱底部時，容易被擠人間隙中，而且受介質沖刷嚴重，因此，要將石墨填料放在中間部位，底部裝石棉填料，外側放碳纖填料，這樣既能減少磨損，又能對石墨填料起保護作用。而這三者的組合特點是：穩定性好的石墨填料和碳纖填料靠近壓蓋，穩定性差的石棉填料靠近箱底。由此可以得出：將穩定性好的填料放在外側，而穩定性差的填料放在內側，可以提高組合填料的穩定性。這主要是因為軸在運轉時發生徑向跳動和振動，外側的徑向跳動量較內側大。因此，將具有優良的穩定性、柔軟性和回彈性的填料放在外側對動態環境的適應性強。
2.4 結構改進
對密封函的結構進行改進，使得填料在裝配條件下的應力分布與泄漏介質沿泄漏通道的壓力分布一致。
(1)階梯式
該結構中，離壓蓋越近的填料環截面積越大，從而在填料壓緊后其應力分布情況是離壓蓋越近則應力越小，與介質壓力分布一致。
(2)內壓式與外載內壓式
內壓式密封函與外載內壓式密封函這兩種結構都是通過改變加載方式使填料的應力分布與泄漏介質沿泄漏通道的壓力分布一致，從而提高密封的效果和壽命。
3 應用
從上面分析可得出如下結論：
(1)理想的軸是不可能密封的，必須具有一定的徑向跳動、偏心度、表面粗糙度和表面硬度為潤滑膜提供附著力，使其能附著在軸表面；而理想軸會產生粘著和滑動交替出現的現象，由于缺乏合適的潤滑，使密封失效。由此可見：通常認為填料必須堵塞泄漏的說法是不完全正確的，密封住流體不使其泄漏的是潤滑膜而不是固體填料[6]。
(2)良好的密封要保持良好的潤滑和適度的壓緊。若潤滑不良或壓得過緊，都會使潤滑膜中斷，造成填料與軸之間出現干摩擦，最后導致軸出現磨損。為此，需要經常對填料的壓緊程度進行調整，使填料中的潤滑劑在運行一段時間流失之后，再擠出一些潤滑劑，同時補償填料因體積變化所造成的壓緊力松弛；重復這種循環直到填料中不存在潤滑劑為止，填料由于干燥而失效，因此定期更換填料是必須的。當填料中的潤滑劑全部被擠出，填料開始泄漏。并對軸的表面產生擦傷破壞。
(3)由于填料壓蓋所加的力在填料內是按拋物線分布的，因此潤滑劑的注入應在最需要潤滑的最高壓力處，同時密封效果最好的也是最高壓力處；通常認為“潤滑劑會沿著軸的表面自動地通過填料”的觀點是非常錯誤的。溶劑浸出廠中，密封介質是溶劑，普通潤滑油脂很容易溶解于溶劑中，旋轉軸填料密相對而言較困難；因此選擇合理的潤滑劑顯然是十分關鍵的，但合理的填料箱結構也，是十分重要的；應用該結構能明顯地提高軸封效果、減少操作失誤、提高運行壽命；達到降低軸封泄漏，減少溶劑消耗的目的。
4 結論
通過對填料密封與機械端面密封兩者之間的優缺點進行比較時，雖然說機械端面密封不會在所有的場合取代填料密封，但機械端面密封總不失為一種極佳的選擇。在對兩者的選取時應對操作條件進行全面的衡量后再作決定，因為填料也可以在適當地管理、維修和操作的同時，達到長期無泄漏的使用，也可以達到與機械端面密封一樣的工效。
參考文獻
[1] 程建輝. 軟填料密封旋轉密封模型研究[D]. 西安: 解放軍理工大學, 2000.
[2] 葛京鵬, 等. 外載內壓式軟填料密封的性能研究[J]. 流體機械, 2000, 27(8).
[3] 楊景文. 旋轉軸的密封裝置填料問題研究[J]. 齊齊哈爾大學學報, 2008(03): 15.
[4] 郝木明, 等. 外壓式與內壓式軟填料密封的試驗研究[J]. 石油大學學報, 1997, 21(2).
[5] 楊景文. 旋轉軸的密封裝置填料問題研究[J]. 齊齊哈爾大學學報, 2008(03): 150-152.
[6] 周貴寶, 程建輝. 提高旋轉軸軟填料密封效果的方法研究[J]. 液壓與氣動, 2003(10): 202-204.
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