填料平面密封的研制

王洪群， 周國忠， 徐奔馳， 孟繩續， 荊萬倉

（浙江長城攪拌設備股份有限公司，浙江溫州325028）

0 引言

填料密封是一種最古老的密封方式，在中國已有上千年的歷史。而機械密封的出現僅僅100多年[1]。對于旋轉軸的密封而言，從填料密封到機械密封可謂是個飛躍。機械密封的優越性遠大于填料密封，主要體現在密封效果、能量損耗和產品壽命幾個方面。隨之而來的弊端是產品的制造和使用及維修要求較高，成本提高很多，價格較貴。

1 填料密封與機械密封的特點

釜用填料密封結構如圖1所示。圖1中所示的填料密封是現場安裝的，安裝法蘭用于將整體填料密封裝置安裝到釜口。向填料箱體內裝入填料，壓蓋軸向施壓于填料，經過填料的變形產生作用于旋轉軸表面的徑向力從而實現密封。注油孔的作用是注入潤滑劑到填料，以減少填料對軸的磨損和摩擦阻力，有利于實現密封。

圖1 填料密封結構示意圖

通常填料密封使用在密封要求不高的場合，這種旋轉軸動密封的弊端之一是密封效果不理想，當旋轉軸存在微小擺動時，填料對軸各處的追隨性得不到保證從而出現泄漏；弊端之二是填料對旋轉軸的磨損作用；弊端之三是摩擦阻力大引起的能量損耗較高。為了能獲得更好的密封效果，填料箱內裝入多層填料纏繞在旋轉軸上增加了旋轉軸的轉動阻力和能量損耗。

圖2 機械密封結構示意圖

釜用機械密封結構如圖2所示。圖2中所示的機械密封是集裝式結構，通過安裝法蘭將機械密封安裝到釜口，軸套通過其附帶的緊定螺釘固定在旋轉軸上。一對密封環軸向互相接觸和摩擦加上其他輔助部件共同作用實現密封。其中上面的密封環可以在一定范圍內浮動并在彈簧作用下保持與下面密封環的追隨貼合。通過注水孔進入密封箱體的流體用于冷卻和潤滑2個密封環之間的摩擦面。傳動銷用來把隨旋轉軸轉動的軸套的動力傳遞給浮動密封環。

與填料密封相比，首先機械密封的密封效果得到了大幅度提高，填料密封泄漏量是機械密封的成百上千倍，以致于對填料密封無法制定泄漏標準要求；其次是機械密封結構不存在對旋轉軸的磨損作用；最后一點是機械密封的密封摩擦阻力或能量損耗也較填料密封減少了很多。填料密封的3個弊端在機械密封這里都得到了改善，代價是制造成本隨之提高。機械密封不僅增加了很多零部件，而且對每個部件的材料和加工精度要求都很嚴格。

2 填料平面密封工作機理分析及特點

新研制的釜用填料平面密封的一種設計結構如圖3所示。填料平面密封可以像機械密封那樣設計成集裝式，只要將圖3中的軸套和密封箱體組件與安裝法蘭之間做成臨時連接定位，安裝使用前拆卸或解鎖就可以實現了，這一點和集裝式機械密封安裝使用一樣方便。在密封方面既不像填料密封那樣填料與軸大范圍地貼合摩擦，也不像機械密封那樣在材料和加工精度要求都很高的密封環之間有限浮動貼合，而是利用少部分填料在彈簧作用下與安裝法蘭端面軸向貼合摩擦即可。不難看出，這種填料平面密封在密封效果上由于其接近機械密封的彈簧使用和浮動設計，要比填料密封好得多；顯然，填料平面密封和機械密封結構一樣也不存在對旋轉軸的磨損作用；在密封摩擦阻力或能量損耗方面也與機械密封具有類似的數量級。另外值得說明的是因為密封摩擦面的追隨性好，貼合密封效果好，不用像填料密封那樣裝入很多填料，填料過多反而降低彈簧作用效果，只要裝入的填料滿足要求的更換周期即可。安裝法蘭上設計有油槽，工作時對摩擦面潤滑冷卻并提高密封效果。

3 填料平面密封設計要點及性能分析

上面概括介紹了填料平面密封與之前的填料密封和機械密封之間的比較情況和各自的特點。下面再重點探討一下填料平面密封設計要點及性能分析。

圖3 填料平面密封結構示意圖

3.1 填料平面密封物美價廉

從結構、材料和加工要求與密封效果看，填料平面密封物美價廉，制造成本和銷售價格上與填料密封在一個數量級。

3.2 填料平面密封安裝使用維護簡單

安裝使用，特別是維護調節很簡單，不像現場安裝填料密封那樣難以達到統一合適的壓緊力，而且有潤滑液流失補充問題；也不像機械密封那么精密和對操作技術人員要求較高。

3.3 填料平面密封的填料和填料箱是設計關鍵

在圖3給出的設計結構中，填料高度應略高于要求的更換周期內磨損的高度。填料品種選擇要根據工作溫度、工作壓力等諸多工況考慮。傳動桿與推環是一體，在內彈簧作用下保證填料時刻與安裝法蘭端面貼合。外彈簧和彈簧調節裝置的作用是使填料箱下端與安裝法蘭端面始終保持同一水平位置。工作過程中填料與填料箱在彈簧作用下保持了良好的浮動性以及對安裝法蘭端面的追隨性。

3.4 填料平面密封的適用壓力、適用溫度和泄漏量等性能指標分析

傳統填料密封可在30 MPa下使用，工作壓力可達到普通型機械密封工作壓力的4倍左右。傳動機械密封的工作壓力通常不高于10 MPa。填料平面密封是利用傳統填料密封機理，借鑒機械密封的軸向端面密封結構設計，抗壓能力類同機械密封，取決于結構強度設計。填料平面密封的工作溫度同機械密封一樣，取決于彈性密封圈。關于泄漏量，壓緊填料密封可在10～1000 mL/h大范圍內動蕩，而普通型機械密封通常能達到10 mL/h以下。填料平面密封的泄漏量接近機械密封的水平，極端情況下也許會好于機械密封，這出于以下分析：

第一個直觀淺顯的分析理由是機械密封一對密封環之間是剛性平面接觸，這種情況下多多少少一定會因為接觸的兩個平面的不平產生縫隙，這也是導致機械密封存在泄漏的根源。而填料平面密封是具有柔性變形的填料環與密封環之間接觸密封，合適的彈簧力來確保填料對平面的浮動追隨性，密封環面設計了合適的寬度，潤滑液得到有效使用，在這些條件下消除泄漏通道是有可能的。

第二個判斷填料平面密封泄漏量的根據是借鑒傳統填料密封泄漏量經驗公式：

式中：Q為泄漏量，m3/s；d為直徑，m；Cr為直徑間隙，m；η為液體的動力黏度系數，Pa·s；L為填料與軸的接觸長度，m；Δp為填料兩側的壓差，MPa。

工作時只有Cr作為變量影響泄漏量，其余都是常量。在填料平面密封的設計中正是消除或大大降低了這一泄漏間隙“Cr”才使得新研制的產品具有了突出的優越性，對泄漏量Q的減少會有可觀的效果。

我們在最初立項研究時，首先考慮到填料密封和機械密封之間從性能上和價格上都跨距很大，需要一種替代產品填補其間的空白，性能和價格介于二者之間，使得設計者對軸封的選擇可以做到更科學更合理，填料平面密封恰到好處地滿足這個需要。此外，為了降低轉動件質量，設計壓力也不宜過大，比如壓力上限取0.6 MPa。

3.5 填料平面密封試驗和未來研究方向

按照圖3所示結構設計軸徑為100 mm的填料平面密封裝置，在FST釜用機械密封試驗臺上運行試驗，試驗壓力0.6 MPa，常溫運行8 h。跟蹤試驗過程未發現明顯泄漏，本試驗僅僅定性地證明填料平面密封的可行性。填料平面密封投產前還有很多定量的試驗工作待完成。盡管填料平面密封的一些優越性和設計基本點一目了然，但是因為它是個全新的旋轉軸動密封技術方案，很多工作有待于今后較長時間的試驗和使用驗證。對于機械密封而言，在一定條件下，固體剛性密封環的微量磨損是可以測繪得到的，這便于推算其使用壽命以及一定條件下的泄漏指標。對于填料平面密封，短時間試驗過程中填料的磨損消耗難以準確定量，而這種定量還與推環力有關，這些因素又同時對泄漏量產生影響，況且填料密封又不像機械密封那樣有明確的性能測試標準[2-3]，因此，填料平面密封作為一種旋轉軸動密封的一個技術方案，暫時只能定性地評價其作為填料密封和機械密封大跨度之間的又一種優選方案。目前我們已對“填料平面密封”產品申請了發明專利并獲得授權[4]。更多有價值的數據希望在今后的繼續試驗和使用過程中產生，也許關于填料平面密封的標準不久就會制定，也許填料平面密封未來在很多領域將取代傳統填料密封。

4 結語

填料平面密封是一種全新的旋轉軸動密封設計技術方案，綜合利用了填料密封機理和機械密封結構，形成了物美價廉的旋轉軸密封產品，其密封性能要比填料密封好很多，對旋轉軸沒有磨損，制造和使用維護又比機械密封方便簡單，價格低廉。填料平面密封的壽命情況、泄漏情況的定量研究還在繼續，有望在很多領域成為取代填料密封的新產品，并在未來形成填料平面密封標準。

[參考文獻]

[1] 徐灝.密封[M].北京：冶金工業出版社,2002.

[2] 釜用機械密封試驗規范：HG/T 2099-2003[S].

[3] 釜用機械密封技術條件：HG/T 2269-2003[S].

[4] 王洪群,黃志堅,周國忠,等.填料平面密封裝置：CN201310684803.9[P].2014-03-19.