用于旋转轴的密封装置填料的设计

用于旋转轴的密封装置填料的设计

尽管填充是最常见的密封装置，但在生产过程中，操作和维护的员工很少了解机械填充的基本功能和原则。一旦发生泄漏，无论填充状态如何，总要拧紧填充压盖。实际上,填料可能会被压得过紧而加速损坏。这样的操作常会给工厂造成不必要的损害。因此,通过多年来的生产实践,总结了用于旋转轴的密封装置填料的几个问题1影响填充密封性能的因素分析1.1填料颗粒结构的影响一般地,从表面来看,将尽可能多的填料环装入填料箱中似乎是对的,但是实际生产实践证明并不是这样的。在填料箱喉部的最后一圈填料,可能得不到压紧密封所需的任何接触力,也不会挤出对轴进行润滑所需的任何润滑剂,而第一圈填料却承受了全部压紧力。显然填料压盖所施加的最大的接触压力是作用在最不需要接触压力的地方。在实践中,填料圈数以5圈为最合适的限度,过多的填料圈数也没有多大的作用,因为润滑剂难以到达离润滑剂注入点较远的填料环。(1)影响填料性能的机械因素:轴的径向跳动、挠曲、偏斜和偏心度都会引起轴的振动效应,通常被称为轴的扭转。轴的扭转在轴的填料处会造成较大的间隙,所以即使在填料没有什么问题的情况下,也有可能失效。在这种特殊的情况下,是没有什么能改善工作性能的临时措施,更换填料也不会改善这种情况。因此必须在填料能起正常作用之前矫正这些机械因素,只有在这个基础上才能得到最佳的密封操作。(2)填料尺寸与轴径之间的关系的影响:在实际生产中,填料宽度的大小与轴径之间存有一个实用的关系。如果填料的宽度太小,则由填料压盖引起的压紧力就会变得太大,而造成过度的压缩,这不仅有损于轴,而且会导致填料过热使填料过快地失效。但填料宽度较大时,通常的做法是砸扁填料充装,这样的做法是极为不妥的,破坏了填料的机械性能。(3)填料设计的影响:填料箱中的最大压力出现在紧接压盖的第一圈填料上,这样的做法,虽然可以使润滑剂以和流体同样的压力流入时沿轴表面的润滑膜的压力在填料箱的喉部和填料压盖面之间保持恒定,系统流体和润滑剂达成平衡,泄漏也不会发生,但是润滑剂却没有起到作用1.2振动及填料特性组合填料是在软性填料和半软性填料的基础上发展而成的,它兼有两者的优点。其结构是将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环,将醛化纤维或涤纶丝压在环的环圈上,使纤维束均匀分布。内圈是雪花状塑料枝条,既能挂膜,又能有效切割气泡,提高氧的转移速率和利用率,使水气生物膜得到充分交换,使水中的有机物得到高效处理。旋转轴因加工误差造成的不同轴度、工作状态下的挠曲、径向跳动以及轴心涡动等都会引起不同程度的振动。轴的振动会在轴封填料处造成一定的间隙,必然产生一定的泄漏量。实验结果表明:填料密封的泄漏量随轴的振动增加而急剧增加。假如一台泵以3600r/min的转速运转,旋转轴沿径向产生0.075mm的振动。那么,轴每转动一次,就使填料内径增大(<0.075mm);由于填料的粘弹特性,难以保证填料及时有效地与轴保持接触,则该轴每分钟以一定的交变载荷冲击填料3600次,因此在这种工作条件下就难以保证密封填料处于稳定的工作状态,恶化了填料密封的摩擦状态,加剧填料的磨损,因而也就难以保证密封工作的稳定性和可靠性。显然,分析在动态条件下填料密封的工作性能应从旋转轴的振动特性和密封填料的动态特性两个方面来考虑;除机械性能等几个方面的特性外,其粘弹特性也是不容忽视的一个重要方面。其实,前面的几个特性都不同程度地影响着密封填料的粘弹特性,譬如密封填料的摩擦磨损使填料的应力松弛这一粘弹特性的加剧,造成密封的早期失效。一般情况下,允许密封有一定的泄漏,这就应从两个方面来满足泄漏量的限制,即旋转轴的振幅不太大(一般小于0.05mm),密封填料有良好的工作性能,当然包括良好的粘弹特性2泄漏介质的应力分布由以上的分析可以知道,提高软填料密封效果的措施的核心是改变其应力分布,使之与泄漏介质沿泄漏通道的压力分布一致或相近。有以下几种方法:2.1密封介质压力的作用预成型填料就是填料在装入填料函前以一定的压力进行预压缩,然后再装入填料函。填料在经过预压缩后,在相同的轴向压力下,抵抗介质压力的能力增强,因而在介质的压力作用下产生的变形减小,对压力降的产生所做的贡献增强,泄漏介质的压降曲线变得平缓,有效封油长度增加。因而在相同的被密封介质压力下对压盖的压力要求降低,密封效果明显改善。如果进行预成型时对填料施加的压力不同,靠近压盖的填料预成型压力小,离压盖越远则预成型压力越大,这样的填料装入密封函压紧后其应力分布与传统的填料密封应力分布更接近泄漏介质沿泄漏通道的压力分布,密封效果与寿命有很大改善2.2组合填料的密封不同的填料其侧压系数和回弹性能是不同的。通过合理的选择不同的填料进行组合,可以极大的提高其密封效果,可见组合填料的密封效果比单独的填料要好。组合方式不同,密封效果也不同。最佳的组合方式是:组合填料各圈由压盖到密封函底,填料的侧压系数依次增大,磨擦系数依次减小。这与前面的理论分析结果是一致的。2.3磨损量的测定在3种单一填料中,碳纤填料的磨损量最小,石墨填料次之,石棉填料磨损量最大。采用两种或三种填料组合时,组合8、6、15的磨损量较小,分别为:9.14,9.43,9.52mg。它们的组合特点是:耐磨性较好的碳纤填料在压盖附近,耐磨性较差的石棉填料靠近箱底。由于在压盖附近的侧向压力较大,而且润滑条件不好,因此,组合装配时,将耐磨性好的填料(如碳纤填料)放在外侧,耐磨性较差的填料(如石棉填料)放在箱底,可以提高填料的工作寿命2.4阶梯式阶梯式对密封函的结构进行改进,使得填料在装配条件下的应力分布与泄漏介质沿泄漏通道的压力分布一致。(1)阶梯式该结构中,离压盖越近的填料环截面积越大,从而在填料压紧后其应力分布情况是离压盖越近则应力越小,与介质压力分布一致。(2)内压式与外载内压式内压式密封函与外载内压式密封函这两种结构都是通过改变加载方式使填料的应力分布与泄漏介质沿泄漏通道的压力分布一致,从而提高密封的效果和寿命。3对填料进行润滑的控制从上面分析可得出如下结论:(1)理想的轴是不可能密封的,必须具有一定的径向跳动、偏心度、表面粗糙度和表面硬度为润滑膜提供附着力,使其能附着在轴表面;而理想轴会产生粘着和滑动交替出现的现象,由于缺乏合适的润滑,使密封失效。由此可见:通常认为填料必须堵塞泄漏的说法是不完全正确的,密封住流体不使其泄漏的是润滑膜而不是固体填料(2)良好的密封要保持良好的润滑和适度的压紧。若润滑不良或压得过紧,都会使润滑膜中断,造成填料与轴之间出现干摩擦,最后导致轴出现磨损。为此,需要经常对填料的压紧程度进行调整,使填料中的润滑剂在运行一段时间流失之后,再挤出一些润滑剂,同时补偿填料因体积变化所造成的压紧力松弛;重复这种循环直到填料中不存在润滑剂为止,填料由于干燥而失效,因此定期更换填料是必须的。当填料中的润滑剂全部被挤出,填料开始泄漏。并对轴的表面产生擦伤破坏。(3)由于填料压盖所加的力在填料内是按抛物线分布的,因此润滑剂的注入应在最需要润滑的最高压力处,同时密封效果最好的也是最高压力处;通常认为“润滑剂会沿着轴的表面自动地通过填料”的观点是非常错误的。溶剂浸出厂中,密封介质是溶剂,普通润滑油脂很容易溶解于溶剂中,旋转轴填料密相对而言较困难;因此选择合理的润滑剂显然是十分关键的,但合理的填料箱结构也,是十分重要的;应用该结构能明显地提高轴封效果、减少操作失误、提高运行寿命;达到降低轴封泄漏,减少溶剂消耗的目