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新闻中心 填料密封的发展历史
发布时间：2011-03-09 浏览次数：646 返回列表
填料-即用以作为填充物的材料,密封填料就是把与工况和工作介质性能相适应的材料填塞在泄漏通道内，以阻止工作介质外泄和外部大气内漏之物料。
• 填料密封-用填料防止内外泄漏的密封方法，它属径向接触式密封范畴。
• 填料密封分类-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-属压紧式填料密封，也称压盖填料密封，俗称盘根(Packing)。一般是在机体上做出填料函，将富有压缩性和回弹性的填料放入其内，依靠压盖的轴向压紧力转化为径向密封力，利用密封填料的弹性变形补偿密封面的磨损，使被密封空间与外界隔绝，堵塞泄漏间隙，阻止介质外漏从而起到密封作用。它可用于各种旋转、往复和螺旋运动中轴杆的密封,也可用于各种静止状态的密封。具有结构简单、操作和更换方便、材料来源广泛、加工容易、成本低廉、适用范围广、密封可靠等特点。
• 填料密封悠久历史-中国(提水机)、欧洲(1782年世界**台蒸汽机的轴封)
• 密封填料材料-橡胶、塑料等高聚物材料以及各种纤维制成。石棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、氟塑料纤维、柔性石墨等新材料®填料新发展。
密封填料的技术要求与分类
• 技术要求
? 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。
? 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面。
? 自润滑性能良好。耐磨、摩擦系数小。
? 轴存在少量偏心时，填料应有足够的浮动弹性。
? 制造简单，装填方便。
• 分类
? 功能分：阀门填料、离心泵用填料、往复压缩机用填料等;
? 材料分：橡胶、天然纤维填料、合成纤维填料、金属填料等;
? 加工方法分：绞合填料、编结(织)填料、叠层填料、模压填料等。
• 编结(织)填料：夹心套层式编结填料、发辫式编结填料和穿心式编结填料等。
填料密封的密封机理及典型结构
• 基本结构及工作原理
• 密封机理
• 填料密封的典型结构
基本结构
( 流体穿过软填料本身的缝隙而出现渗漏-通过压实软填料、包软金属箔、塑料垫混装和不同编织填料等方法可以消除;
( 流体通过软填料与转轴(或往复杆)之间的缝隙而泄漏-存在相对运动，不可避免;
( 流体通过软填料与箱壁之间的缝隙而泄漏-无相对运动或填料被压实而可避免。
工作原理-软填料的损耗
首先是新装填料(a)，填料内充满浸渍的油脂和石墨，质地柔软，保证一定的弹性来达到密封。但在工作过程中轴封箱因受摩擦热而膨胀，轴(或轴套)因磨损而变细(b)，需在补紧。经多次补紧，润滑剂丧失掉，填料又要消耗。*后填料被压实、变扁且发硬，会使轴(或轴套)磨损加剧，填料失效(c)
工作原理-软填料密封作用力
• 软填料密封必须解决的问题
( 如何尽量使径向压紧力均匀且与泄漏压降规律一致，使轴套承压面的压力均匀，轴套磨损小而且均匀;
( 如何使填料密封结构具有补紧能力和填料材料具有足够的润滑性和弹性;
( 填料的摩擦系数对箱壁和轴不一样，前者是静摩擦后者是动摩擦;
( 普通结构的填料密封的填料沿轴向的径向抱紧力分布不均匀问题。有时径向抱紧力甚至可以相差一倍。
密封机理
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。
密封机理
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。
5、填料密封的“‘ 轴承效应”
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，故称“轴承效应”。
6、填料密封的“’ 迷宫效应”
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”。
填料密封的典型结构
填料密封的发展方向
1.密封件应满足介质和介质压力的要求，使径向抱紧力沿轴向均匀分布， 与介质压力分布相近，以保证填料的密封性和耐久性;
2.根据介质的压力、温度和轴(或杆)的速度大小，考虑冷却和润滑条件，以散除摩擦产生的热量，保证填料密封有良好的工作环境;
3.密封结构应保证填料磨损时能及时补紧，应尽可能考虑采取自动补紧措施;
4.密封结构应保证填料拆装方便，以便及时更换填料，缩短时间，确保设备长时间运转;
5.填料密封的轴套应考虑表面硬化，如涂敷耐磨层，以延长使用寿命，提高整个密封系统耐久性和可靠性;
6.为了防止填料挤出，应设置底套，为了防止含固体颗粒介质侵蚀和腐蚀性介质的腐蚀，
填料密封的典型结构
• 改进径向抱紧力的软填料密封结构
? 传统式结构
? 嵌环式结构
? 变截面式结构
? 反向压缩式结构
• 自动补紧的软填料密封结构
• 轴向端面填料密封
• 考虑润滑、冷却、冲洗等措施的软填料密封
? 考虑封液的软填料密封
? 考虑冷却的软填料密封
传统式结构
密封填料1置于填料函2中，通过压盖3将填料压紧在轴上。该结构简单、安装维修方便、造价低等特点，应用范围较广。但它也存在着因沿密封方向的径向比压分布不合理而带来的不足：功耗大、寿命短，需要进一步的改进。
为此，可以采用各种锥度的压盖、封液环和底套以改变两端径向力分布，以增大填料两端的径向抱紧力。
嵌环式结构
该结构依靠在填料环之间加入中间金属环而得到均衡的径向接触比压。一种在此基础上改进的结构是在填料中加入碟形弹簧，且弹簧的刚度沿函低方向逐渐增加。也可采用分段中间加封液环、加弹簧、双压盖和多压盖的结构，保持填料截面相同，使总体压力分布接近介质压力分布。
变截面式结构
金属环和填料环的横截面积均沿函底方向逐渐缩小，当压盖压力作用在这些截面上时，填料的径向接触比压逐渐增加，径向抱紧力逐渐增大接近介质压力分布，从而达到接触比压合理分布的目的。
反向压缩式结构
一组填料环安装在一可移动的金属套筒之中，并由端盖贴紧。对填料的预压缩力由螺栓调节。在密封运行的过程中，由于介质压力作用在套筒上，进一步压缩了填料，从而使填料对轴颈的接触比压增加，同时也使填料环增加了贴紧程度，使得摩擦力比传统密封结构大约下降了20～25%。弹簧的作用是连续地调节压盖载荷，从而延长密封使用的寿命。
自动补紧的软填料密封结构
通常软填料需要经常将填料磨合后补紧，采用液压加载和弹簧加载可以自动补紧。如图3-8所示，这种结构能单独调节每层填料环的压缩力，从而得到良好的径向接触比压分布。填料环安装在金属环之间，通过选择适当的金属环和填料环厚度，就能在填料密封中形成均衡的接触比压分布，弹簧可以起到补偿和稳定接触比压的作用。
轴向端面填料密封
•(a)所示为一种用软填料密封环代替石墨环的端面软填料密封。将软填料密封改成端面填料密封，可以节省摩擦功耗和避免轴套的磨损，同时与机械端面密封相比，则可以省掉动环的辅助密封。这种密封使软填料径向接触代替辅助密封，轴向接触代替石墨环的作用。
轴向端面填料密封
(b)所示为一根软填料螺旋状盘绕在固定盘上的轴向端面软填料密封。填料事先呈螺旋状盘缠在压盖上，与装在轴上的摩擦盘接触，依靠螺栓压紧力产生所需要的接触应力。这种轴向端面填料密封的泄漏方向与离心力相反，泄漏量少，结构简单，更换填料方便。
• 使用封液情况
? 在填料密封箱内压力低于大气压(即负压)操作、不允许介质外漏(介质有毒、易燃等)和有固体颗粒介质的填料密封必须采用封液;
? 介质的排出压力高、腐蚀性强、温度高或含固体颗粒;
? 介质泄漏易凝固、不允许漏入大气和有毒等危险。加封液的部位有中间封液环引入，也有从底套封液环引入。
• 封液的条件
? 封液与被密封介质有相容性，可以少量漏入泵内，有润滑性且有压力源;
? 封液压力应比密封箱压力高些(至少大0.1～0.15Mpa);
? 封液量随轴径的大小而异,约在2～10升/min范围内。
考虑冷却的软填料密封
冷却的必要性
冷却的方式
? 夹套冷却—冷却液与被密封介质不能混用时采用(包括压盖和轴套上的夹套在内)。由于纤维填料的孔隙率大，轴套冷却效果较好;
? 背冷—与泄漏液体接触，使之与轴承(传热)隔绝并起防火作用，防止凝固的效果较好。
密封填料的基本性能和主要技术参数
• 填料基本性能
? 机械性能
? 密封性能
• 填料密封的摩擦、磨损与润滑
? 摩擦
? 磨损
? 润滑
• 软填料密封的主要参数及其计算
机械性能
•压缩回弹性能
填料在压盖压紧力的作用下，将产生压缩变形，总变形率为塑性变形率和弹性变形率之和。填料的塑性变形使它的密封性能对于被密封表面的粗糙度甚至缺陷不那么敏感;填料良好的回弹性能可以补偿因体积损失引起的比压松弛，以及抵消被密封轴不圆度及偏心对密封作用的不利影响。
•填料的比压松弛性能
密封界面的接触比压或压紧比压随时间逐渐降低或丧失，它影响填料的使用寿命或调整填料压盖的周期。
用恒定压紧力反复加载，可提高填料抗比压松弛的能力。
密封性能
• 填料泄漏：密封介质沿填料与轴之间的环型间隙的泄漏和填料本身的渗漏。
• 环型间隙泄漏的泄漏量：一般可按层流流动考虑，其泄漏率与填料两侧的压力差、轴的直径成正比，与介质粘度、填料安装长度成反比，而与半径方向间隙的三次方成正比。因此调节填料轴向压紧力，使其径向与轴紧密接触，是保证填料达到密封的关键。实际泄漏率与设计、制造、安装的好坏有直接关系。如轴的不圆度、振动、偏心以及填料的蠕变等。故需定期压紧填料，重新调整压缩载荷。
• 侧压系数和摩擦系数
? 侧压系数k和摩擦系数m对于填料密封的轴向比压和径向比压的确定、摩擦力矩的估算和衰减指数的计算等都有直接的关系，是填料密封性能的两个重要指标。
? 在轴向比压的作用下，填料被压缩，对填料函内壁和轴的密封表面产生径向比压。径向比压与轴向比压的比值称为侧压系数。
• 轴向比压和径向比压的分布
? 轴向压力使填料产生径向变形，阻止了环形槽中流体的流动，从而达到密封的目的。
? 如果填料的摩擦系数和侧压系数不依赖于压盖压紧比压,那么在轴固定的静态安装条件下，填料的压紧比压分布是有规律的。
•摩擦力和摩擦力矩
摩擦力取决于填料与转轴表面的滑动摩擦系数，摩擦力矩与压盖压力成正比，直接影响系统功耗。
•填料摩擦磨损与润滑
摩擦引起的磨损是软填料的一个突出问题。直接影响到填料密封的密封性能和使用寿命，包括填料磨损，转轴或往复杆的磨损。磨损与填料及轴本身的耐磨性、轴的转速或往复速度、填料的润滑与冷却及填料的装填等有关。
•填料的腐蚀磨损性能
填料的腐蚀磨损性能与轴的表面硬度、粗糙度等有关，还与轴和填料的材料有密切的关系。
轴除了与介质发生腐蚀作用外，还会与填料因存在电位差而发生电化学腐蚀。
• 填料密封的摩擦与压盖压力、运行时间、根数和轴表面的光洁度有关;
• 摩擦还与填料种类有关，不同填料的摩擦差异巨大;
• 从摩擦的角度看，填料根数越少越好。但从密封性考虑，则要求有足够的数量，通常根据介质压力和轴的周速进行选定，不可太少;
• 轴表面的光洁度越高，摩擦损失越小，通常轴密封面的光洁度应高于?6，*好达到?8—?9，希望轴表面有足够的硬度，以便耐磨和长时间维持这种光洁度。摩擦还与运动速度有关，低速时摩擦大。
磨损
• 磨损是填料密封中的一个突出问题。
• 不同填料磨损差异极大，碳纤维填料的耐磨性能*好，石棉填料对轴的磨损*大，它们相差近50倍。但是浸渍聚四氟乙烯的石棉填料却十分接近于碳纤维填料，由此可见浸渍剂对磨损也有很大的影响。
• 磨损与填料的装填有很大关系。正常装填的填料磨损比较均匀，压盖处较大，向内逐渐减小;装填不好的填料，压盖附近在短时间内即出现很大的磨损，而填料深处却毫无磨损现象。
• 磨损也与轴表面是否发生腐蚀密切相关。
• 往复速度、填料腔温度等都对磨损有一定的影响。往复速度大的轴比往复速度小的轴在同样的运行时间内磨损要小;温度越高磨损越大，但决定性的因素是润滑。
润滑
• 填料的润滑对填料的寿命和密封性有极大的影响。
• 润滑剂的合理选择十分重要。
• 填料润滑剂的要求
? 有良好的化学稳定性，既不污染介质，又不与介质发生反应产生沉淀物和固体微粒。
? 有良好的浸渍性能和持久的保持性能，既能很容易地浸入到填料纤维微小的缝隙之中，又能在挤压下缓慢地流出来。
不得加速密封部位的电化学腐蚀，即润滑剂不得成为电解介质，*好具有绝缘性。
转自：www.jiameimf.com
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