立式長軸泵新型填料密封箱的設(shè)計計算

宋 彬 李英堂 朱寧寧

（1.中國石油化工研究院蘭州化工研究中心；2.蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院）

填料密封［1］是世界上應(yīng)用最早的密封形式之一，因其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，被廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中。 其基本原理為：在軸和填料箱之間填充彈性材料或彈性元件，壓緊填料壓蓋會使填料發(fā)生變形產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力，從而使填料與填料箱內(nèi)壁和軸之間緊密接觸，起到密封作用。 在運行過程中，常出現(xiàn)主軸磨損嚴(yán)重、填料變硬等問題， 人們認(rèn)為這些故障主要與填料的材質(zhì)有關(guān)，因此相關(guān)課題的研究主要集中在材料研發(fā)與性能測試［2］上，忽視了填料箱結(jié)構(gòu)對使用效果的影響。 筆者將借助具體案例從填料密封結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行分析，找到一種可以明顯提高填料密封效率和使用壽命的新方法，用于指導(dǎo)實際工作。

1 設(shè)備概況

某石化公司動力廠供水車間負(fù)責(zé)對全廠各套裝置提供循環(huán)水，LC/X600-62T-8001型立式長軸泵是主力水泵，在動力廠共有16臺。 立式長軸泵由上海凱泉泵業(yè)有限公司生產(chǎn)， 重量11.5t、長度10.8m，工作參數(shù)如下：

介質(zhì) 冷卻水

轉(zhuǎn)速 992r/min

流量 2 500m3/h

溫度 不高于26℃

入口壓力 常壓

出口壓力 710kPa

功率 800kW

立式長軸泵最常見的故障是填料泄漏，因為機泵體積巨大，加上原填料壓蓋為整體結(jié)構(gòu)（圖1），更換填料和填料壓蓋時常需要100t吊車和50t吊車配合操作，存在吊裝風(fēng)險；加之機泵配件昂貴，導(dǎo)致每年檢修費用高昂。

圖1 傳統(tǒng)填料箱結(jié)構(gòu)示意圖

在平時檢修中發(fā)現(xiàn)，石棉盤根（浸牛油）的密封效果會越來越差； 靠近電機端的軸套磨損嚴(yán)重，運行一段時間后就需要更換；原廠配置的填料壓蓋為鑄鐵材料，使用過程中腐蝕嚴(yán)重［3］。 另外， 長軸立式泵的填料箱與軸承箱距離較近，填料泄漏后若沒及時發(fā)現(xiàn)，漏液很容易竄入軸承箱損壞相近的兩套滾動軸承，當(dāng)這兩套滾動軸承損傷嚴(yán)重時就會發(fā)生擺動， 進(jìn)一步損壞主軸和第3套滑動軸承。

2 填料密封機理的理論分析

長軸立式泵的填料密封為徑向接觸式密封，通過填料壓蓋的擠壓作用，填料發(fā)生形變，并與主軸和填料箱內(nèi)壁緊密接觸，將軸向力變?yōu)閺较蛄Α?如圖2所示，理想狀態(tài)下，可以認(rèn)為填料充滿了填料箱（即不可壓縮），那么局部徑向接觸應(yīng)力σr等于局部軸向接觸應(yīng)力σx，即σr=σx；但在實際情況下，考慮到填料受摩擦力影響，會發(fā)生一定塑形變形，故σr＜σx，引入影響因子K，則σr=Kσx。

圖2 填料密封的微單元受力示意圖

如果給填料壓蓋施加一個力Fg， 那么填料壓蓋軸向壓力pg=Fg/A，其中A為填料箱的環(huán)狀面積，A=π（R2-r2），R為填料箱內(nèi)腔直徑，r為軸徑。 在填料上找到一個微單元，建立它在軸向方向上的力平衡方程［4］：

式中 dFR——微單元對外經(jīng)面的摩擦力，dFR=2πRμ2dxσr，N；

dFr——微單元對內(nèi)經(jīng)面的摩擦力，dFr=2πrμ1dxσr，N；

dxσr——局部徑向接觸應(yīng)力在微單元dx上的應(yīng)力變化，MPa。

又因為σr=Kσx，所以有：

進(jìn)行σx到pg和x到L的積分：

假設(shè)μ1=μ2=μ，h=R-r，代入式（1），積分簡化為：

對σx求導(dǎo)得：

由式（2）可知，在［0，L］之間各密封處應(yīng)該滿足σx≥pg，才能獲得密封效果。 軸向接觸應(yīng)力σx在［0，L］之間為減函數(shù)，并按指數(shù)關(guān)系向填料箱底部衰減，宏觀上表現(xiàn)為填料壓蓋產(chǎn)生的壓緊力越向填料箱底部越小，造成填料的變形量也會越來越小，由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力也呈指數(shù)關(guān)系不斷變小。

為了能更好地顯示σr的變化趨勢， 采用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型［5］，通過計算機模擬得到填料徑向壓應(yīng)力變化趨勢（圖3）。

圖3 填料徑向壓應(yīng)力變化趨勢

由圖3可知，傳統(tǒng)填料箱的介質(zhì)壓應(yīng)力和填料徑向壓應(yīng)力分布趨勢正好相反， 直接影響填料密封的密封效果。傳統(tǒng)填料箱在使用過程中，外圈填料被壓緊時內(nèi)圈填料卻未被壓緊， 造成軸套與外圈填料接觸處容易磨損， 而且填料組數(shù)也不能增加過多，因達(dá)到一定組數(shù)后，外圈的填料已被壓緊至極限， 內(nèi)圈的填料有可能絲毫未被壓到， 這也是傳統(tǒng)填料箱亟待重點解決的問題。

3 新型設(shè)計結(jié)構(gòu)

針對立式長軸泵原有的設(shè)計缺陷重新設(shè)計：將填料箱壓蓋由整體式改為分體式（圖4），并將材料由鑄鐵換成不銹鋼。 這種新型分體式填料壓蓋，在不拆卸對輪的情況下就可進(jìn)行更換，省去了吊裝的環(huán)節(jié)，且擴大了檢修空間，可大幅降低勞動強度和檢修費用。 此外，更換填料時，因能及時地將填料壓蓋拆卸下來，就能自如地進(jìn)行內(nèi)層填料的拆卸和安裝，明顯提高檢修質(zhì)量，延長了設(shè)備的運行周期。

圖4 新型填料壓蓋結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計新型填料箱時將普通軸套改為錐形軸套（圖5），可以解決傳統(tǒng)填料箱內(nèi)圈填料壓不緊的問題，提高了填料的密封效率；防止外圈填料和軸套磨損過大，從而延長填料的使用壽命。 此外，在填料壓蓋上，筆者還設(shè)計了彈簧自緊機構(gòu)（彈力根據(jù)不同工況計算得到）。 旋轉(zhuǎn)壓蓋螺栓可將彈簧壓縮到一個固定位置，從而滿足填料需要的壓緊力。 當(dāng)填料磨損后，填料的軸向摩擦力就會減小，此時壓蓋被彈簧壓入填料箱內(nèi)，起到填料密封自緊的作用，解決了填料需要被不斷緊固的問題，減輕了維護(hù)人員的勞動強度。

圖5 新型填料箱結(jié)構(gòu)示意圖

新型立式長軸泵填料密封箱，不僅可以解決內(nèi)圈填料無法被壓緊的問題，而且還能在填料磨損后進(jìn)行自動補償［6］，具有較高的技術(shù)價值，可在其他相關(guān)設(shè)備上推廣使用。

4 錐形軸套的徑向壓應(yīng)力

采用圓錐形填料的密封機理與圓柱形填料的相同，區(qū)別在于填料腔內(nèi)部形狀不同。 取距離填料腔底部x的微元填料（圖6）建立方程，從而得到錐形軸套的徑向壓應(yīng)力數(shù)學(xué)表達(dá)式。

查閱相關(guān)資料，根據(jù)彈性力學(xué)原理，建立微元軸向力平衡方程［7］：

式（3）中D為變量，D=d+2（1+x）tanα，略去高階微元量并且化簡整理可得：

根據(jù)微元填料“中心圓”力矩平衡原理可知，dm的微元填料“中心圓”力矩平衡方程：

圖6 裝配條件下微元填料的受力分析

代入式（4）中可得：

化簡整理可得圓錐形填料側(cè)壓因數(shù)的理論表達(dá)式：

假定填料對主軸的側(cè)壓因數(shù)不變，可得填料對軸套的徑向壓應(yīng)力表達(dá)式為：

為了直觀反映出填料對錐形軸套的徑向壓應(yīng)力變化趨勢，可將表達(dá)式輸入計算機進(jìn)行圖形繪制［8］，得到該變化趨勢如圖7所示。

由圖7可看出， 新型填料箱的錐形軸套設(shè)計可以明顯減緩徑向壓應(yīng)力向機泵內(nèi)部的衰減速度和衰減幅度，從而使填料壓蓋用一個較小的壓力就可以將內(nèi)圈填料壓緊，避免了因為填料壓蓋施力過大，造成外圈填料和軸套磨損過快的問題，從而提高了新型填料箱的密封效率，延長了其使用壽命。

圖7 填料對錐形軸套的徑向壓應(yīng)力變化趨勢

5 結(jié)束語

通過對填料內(nèi)部微單元的受力分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)填料箱在介質(zhì)壓應(yīng)力和填料徑向接觸應(yīng)力分布上處于相反的趨勢，從而造成外圈填料已被壓緊，而內(nèi)圈填料卻無法被壓緊；外圈填料和軸套磨損過大。 對此，筆者提出了新型填料箱的設(shè)計方案，并計算了其中的關(guān)鍵參數(shù)，對于指導(dǎo)同類設(shè)備的檢維修和技術(shù)改造有參考價值。

此次技術(shù)改造，成功地解決了動力廠循環(huán)水裝置立式長軸泵運行周期短、吊裝困難及檢修費用高等問題，對于提高全廠循環(huán)水供應(yīng)質(zhì)量起到了保障作用，并獲得2017年度中國石油蘭州石化公司“合理化建議”成果金獎。 另外，新型填料箱設(shè)計已取得國家實用新型專利授權(quán) （專利號：ZL 201720355263.3）。