第四章填料密封

第四章過程機(jī)械密封填料密封——又稱壓蓋填料密封，主要用于過程機(jī)器和設(shè)備運(yùn)動部分的密封，如離心泵、真空泵、攪拌機(jī)、反應(yīng)釜等的轉(zhuǎn)軸和往復(fù)泵、往復(fù)壓縮機(jī)的柱塞或活塞桿，以及做螺旋運(yùn)動閥門的閥桿與固定機(jī)體之間的密封。填料密封依其采用的密封填料的形式分為軟填料密封和硬填料密封，本節(jié)主要介紹軟填料密封。4.1填料密封4.1.1引言1.基本結(jié)構(gòu)與機(jī)械密封相比，軟填料密封——優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、加工方便、裝拆容易和使用范圍很廣。缺點(diǎn)：填料與軸或桿表面摩擦和磨損較大，造成材料和功率消耗大。填料密封要允許一定的泄漏量，為了潤滑摩擦部位并帶走摩擦熱，降低材料磨損，延長使用壽命。2.軟填料的分類、材料和結(jié)構(gòu)a：分類按功能、材料和加工方法等分類。b：材料實(shí)際軟填料由基體材料和輔助材料組成，基體材料用于滿足耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性方面的要求，而輔助材料則滿足潤滑性、致密性或防腐蝕的要求c：編結(jié)填料結(jié)構(gòu)編結(jié)填料按編織方式分為夾心套層式編結(jié)填料、發(fā)辮式編結(jié)填料和穿心式編結(jié)填料等三種。4.1.2軟填料密封的原理（1）應(yīng)力特征在預(yù)裝填料的填料函中，流體可能的泄漏通道主要是穿過軟填料材料本身的滲漏和通過填料與軸外表面，以及填料與填料函內(nèi)壁表面之間的間隙的泄漏。對于填料材料本身的滲漏，可以通過以下解決：一、壓縮時(shí)軟填料被壓實(shí)，二、通過改變填料材料或結(jié)構(gòu)對于填料與填料函內(nèi)壁面的泄漏：無相對運(yùn)動，泄漏量好控制因此，填料與運(yùn)動的軸或桿之間的泄漏或逸散成為填料密封成功的關(guān)鍵。1.

軟填料密封的安裝狀態(tài)，即預(yù)緊壓蓋螺栓，軸是靜止的，沒有密封介質(zhì)壓力存在。螺栓伸長時(shí)產(chǎn)生一軸向力，壓蓋壓力，A為填料函的環(huán)形截面積，。填料具有粗糙的表面，且是可壓縮的材料徑向應(yīng)力，K稱為側(cè)壓系數(shù)，小于零，是填料的軸向應(yīng)力。由于填料與軸和填料函壁之間的摩擦作用，使填料沿填料函軸向長度的壓縮程度從壓蓋向填料函底遞減，所以填料的徑向應(yīng)力也沿填料函軸向長度遞減。假設(shè)所有的填料環(huán)是一樣的，K和壓縮無關(guān)。取一dx微元的填料，則該微元的徑向接觸應(yīng)力為根據(jù)微元填料的軸向的力的平衡：

（4-1）—填料與軸和填料與填料函壁的摩擦系數(shù)—填料與軸和填料與填料函壁的側(cè)壓系數(shù)將上式積分得：—系數(shù)，（4-2）所以，填料與軸和填料函之間任意x處的徑向應(yīng)力：（4-3）上式表明填料與軸和填料函之間的徑向應(yīng)力在壓蓋出最大，并以指數(shù)規(guī)律向填料函底遞減。當(dāng)泄漏流體壓力作用時(shí)，根據(jù)流體壓力與填料之間的相互作用，流體壓力沿軸向的分布出現(xiàn)兩種不同的狀況。一.壓蓋壓力顯著比流體壓力高，壓縮填料與軸表面形成微小的迷宮接觸狀態(tài)，密封間隙中的泄漏流體受到節(jié)流的作用，所以流體壓力（p）沿填料長度呈非線性規(guī)律分布，如圖4-6（a）所示。二.填料與軸表面的徑向接觸應(yīng)力比流體壓力低，于是除了壓蓋附近外，流體壓力將填料推向填料函壁面而脫離軸，所以流體壓力沿填料長度的分布狀況如圖4-6（b）由以上分析可知，填料預(yù)緊后的徑向接觸應(yīng)力與泄漏流體壓力的分布規(guī)律恰恰相反。為了保證填料的密封作用，要求填料與軸和填料與填料函之間的徑向應(yīng)力足以使介質(zhì)不可能沿其流動，即填料函底部的徑向應(yīng)力不小于泄漏流體的壓力P。即：（4-4）

由上式可得到保證軟填料密封所需要的壓蓋壓力為：（4-5）當(dāng)軸回轉(zhuǎn)時(shí)，填料與軸摩擦的軸向分量為零僅與填料與填料函內(nèi)壁的摩擦并假設(shè)則式4-3、式4-5可簡化為：（4-6）（4-7）

（2）摩擦力和摩擦力矩作用在填料軸向微元上的摩擦力：對上式積分，得到填料與軸的總摩擦力：（4-8）摩擦力矩則為（4-9）（3）泄漏率密封介質(zhì)沿填料與軸之間的環(huán)形間隙的泄漏，可視為流體作層流流動，理想條件下的泄漏量可按下式計(jì)算

調(diào)節(jié)填料軸向壓緊力，使其沿徑向與軸緊密接觸，是保證軟填料達(dá)到密封的關(guān)鍵。（4）磨損與潤滑由于摩擦引起的磨損是軟填料密封中的一個(gè)突出問題。除了填料磨損外，轉(zhuǎn)軸或往復(fù)桿也同樣發(fā)生磨損。正常裝填的填料在壓蓋處磨損較大，向內(nèi)逐漸減小，而裝填不好的填料出現(xiàn)如圖4-7所示的異常磨損狀況。4.1.3軟填料密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軟填料密封結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向：1.填料沿填料函長度方向的徑向應(yīng)力分布均勻，且與泄漏介質(zhì)的壓力分布規(guī)律一致。2.考慮冷卻和潤滑措施3.設(shè)置及時(shí)或自動補(bǔ)償填料磨損的結(jié)構(gòu)；4.在填料函底部設(shè)置底套，以防止填料被擠出；為防止含固體顆粒介質(zhì)的磨蝕和腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，采用中間封液環(huán)，注入封液，起沖洗和提高密封性的作用。5.采用由不同材質(zhì)的填料環(huán)組合的結(jié)構(gòu)。4.1.4填料的安裝、使用與保管4.2往復(fù)密封往復(fù)密封——是指用于過程機(jī)械作往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)處的密封，包括液壓密封、氣動密封、活塞環(huán)密封、柱塞泵密封等。1.對液壓密封的基本要求一般的液壓密封指液壓缸活塞密封和活塞桿密封。當(dāng)范圍更廣、要求更嚴(yán)時(shí)，還包括防止灰塵或外界液體進(jìn)入系統(tǒng)的防塵密封。支撐環(huán)起到類似滑動軸承的作用，支撐側(cè)向載荷，維持液壓密封同心的作用。4.2.1液壓密封對液壓密封的基本要求如圖所示：與純粹的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動密封不同之處：往復(fù)運(yùn)動密封的泄漏率在構(gòu)成一個(gè)循環(huán)的兩個(gè)行程中是彼此不相同的。2.彈性體密封的基本原理以橡膠O形圈密封為代表，介紹彈性體密封的基本原理。（1）自密封機(jī)理彈性體密封的“自動密封”或稱“自密封”是依靠彈性體材料的彈性、并存在初始裝配過盈量或預(yù)加載荷來實(shí)現(xiàn)的。，圖4-13所示密封環(huán)在自由狀態(tài)下的密封表面產(chǎn)生了接觸應(yīng)力圖4-14，操作過程中，流體壓力P作用在密封環(huán)暴露于介質(zhì)的表面，使得密封面的接觸應(yīng)力增加到，此時(shí)大于被密封的流體壓力P，從而實(shí)現(xiàn)了密封。接觸應(yīng)力與介質(zhì)壓力P的關(guān)系可通過分析三維應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得，其表達(dá)式為式中為彈性體材料的泊松比。對于彈性材料，，代入得：這表明只要彈性體材料的泊松比維持在0.5附近，密封的接觸應(yīng)力總比介質(zhì)壓力P高因此具有自動適應(yīng)流體壓力變化的能力。O形圈的自密封機(jī)理與矩形截面的基本原理一樣的。（2）.液壓往復(fù)運(yùn)動用O形密封圈O形圈是液壓活塞和活塞桿常用的密封件，但在應(yīng)用中存在的主要問題：（3）.活塞桿密封當(dāng)往復(fù)運(yùn)動時(shí)，密封是依靠密封件與運(yùn)動活塞桿之間流體膜的彈性流體動壓效果來實(shí)現(xiàn)的。典型的活塞桿密封：（4）.活塞泄漏

活塞環(huán)密封的泄漏沒有活塞桿處的泄漏問題嚴(yán)重，因?yàn)樾孤┑囊后w仍處于液壓缸內(nèi)。不過這將導(dǎo)致機(jī)械效率的降低，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致設(shè)備的完全失效，必需引起足夠的重視。對于單作用活塞，一側(cè)高壓流體，一側(cè)低壓流體，密封唇口在外側(cè)，以實(shí)現(xiàn)活塞與液壓缸壁的密封。對于雙作用活塞，兩側(cè)均為高壓流體。要求密封結(jié)構(gòu)對徑向平面對稱。中間空腔內(nèi)會產(chǎn)生足夠的流體動壓力來減輕密封面的接觸壓力，從而減少摩擦。（5）．防塵密封在外行程時(shí)，防塵密封應(yīng)當(dāng)允許殘留的流體潤滑膜通過，而在內(nèi)行程時(shí)該流體膜不能被除掉，允許流體膜通過，維持十分之幾微米的潤滑膜對減少摩擦和磨損是十分必要的。4.2.2氣動密封圖4-28表示了氣動氣缸的主要構(gòu)件，其密封構(gòu)件有：活塞桿密封、活塞密封、防塵密封、沖程終了剎車系統(tǒng)的襯墊密封。（1）.基本要求

對于氣動氣缸，摩擦問題是最重要的，氣體的泄漏降為其次。密封件的潤滑問題是氣動密封的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對于很多場合，不允許對氣動設(shè)備進(jìn)行油霧潤滑，解決方案是采用無油空氣。在整個(gè)設(shè)備周期內(nèi)，潤滑膜均存在而無需維護(hù)。（2）.氣動密封典型唇口結(jié)構(gòu)圖4-30為典型彈性體氣動密封唇口部位的兩種結(jié)構(gòu)，其初始接觸應(yīng)力決定于密封與其偶合密封面的過盈量。密封的接觸應(yīng)力隨氣體壓力的增加而增加，即具有自緊作用，不過這也將導(dǎo)致摩擦力的增加?，F(xiàn)代氣動技術(shù)的發(fā)展，要求氣動密封的潤滑持久、有效和抗腐蝕，能實(shí)現(xiàn)無油潤滑。（3）.常見氣動密封形式及特點(diǎn)1.O形圈與液壓往復(fù)運(yùn)動O形圈密封相比，相同斷面尺寸的O形圈，氣動密封的溝槽尺寸要窄、要深，其目的是減少對密封圈的壓縮作用，以降低摩擦阻力。X形密封圈減少了接觸面，并在兩接觸角間可儲存潤滑劑，有利于減少摩擦和改善潤滑。2.唇形氣動密封用于液壓的唇形密封圈，也可以用于氣動往復(fù)密封，只不過氣動密封的溝槽深度要大一些，其目的是減少密封圈的壓縮率以降低摩擦。氣動專用的唇形密封圈，與液壓密封圈相比，唇口較薄，接觸部位隆起。（3）方形圈氣動密封（4）.無油潤滑氣動密封4.2.3活塞和活塞桿密封活塞與氣缸內(nèi)表面的密封由活塞環(huán)來實(shí)現(xiàn)；活塞桿與缸體的密封一般由填料密封來實(shí)現(xiàn)1.活塞密封—活塞環(huán)活塞環(huán)是依靠阻塞和節(jié)流機(jī)理工作的接觸式動密封。（1）活塞環(huán)密封的基本原理圖a表示自由狀態(tài)的活塞環(huán)。由于環(huán)本身的張力，迫使環(huán)的開口端向外擴(kuò)張而使環(huán)的外側(cè)貼緊缸壁，形成第一密封面。當(dāng)施加系統(tǒng)壓力△P后，環(huán)被推向泄漏的方向，與活塞環(huán)槽的側(cè)面形成第二次接觸密封，如圖b,構(gòu)成第二密封面。如果活塞環(huán)處于中間位置，不與槽的側(cè)壁形成第二密封面，則發(fā)生泄漏，如圖c.當(dāng)氣體壓力△P起作用時(shí)，作用在環(huán)外側(cè)的氣體壓力增強(qiáng)了一次接觸密封?？偨佑|壓力包括環(huán)的初始接觸壓力和氣體壓力產(chǎn)生的接觸壓力。通常氣體壓力產(chǎn)生的接觸壓力較大，是形成軸向和徑向密封阻力的主要原因。但當(dāng)氣體壓力較小時(shí)，則環(huán)的張力可能是主要的。（2）活塞環(huán)的作用活塞式壓縮機(jī)分為油潤滑壓縮機(jī)和無油潤滑壓縮機(jī)。1.油潤滑活塞環(huán)2.無油潤滑活塞環(huán)4.2.3旋轉(zhuǎn)軸唇形密封唇形密封——結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、摩擦阻力小，對無壓或低壓環(huán)境的旋轉(zhuǎn)軸密封可靠1.唇形密封（1）無壓旋轉(zhuǎn)軸唇形密封1).基本概念下圖給出了從填料密封到唇形密封的發(fā)展過程。2.密封唇的幾何形狀下圖為現(xiàn)代彈性體徑向唇形密封的機(jī)構(gòu)圖，柔性環(huán)狀隔膜的一端為密封唇口，另一端與金屬骨架固聯(lián)。密封面由兩個(gè)相交的錐面形成。油側(cè)的接觸角要明顯大于空氣側(cè)的接觸角。下圖分別表示了唇形密封正常安裝和反向安裝的情況。3.密封界面的特征主要有密封界面接觸載荷、彈性體的初始磨損、軸的表面粗糙度及密封接觸面的潤滑。4.動力密封機(jī)理下圖揭示了彈性體唇形密封的動密封能力?！盎乇盟汀本褪谴叫蚊芊獾摹皠恿γ芊鈾C(jī)理”。實(shí)驗(yàn)過程：

1）稍許干運(yùn)轉(zhuǎn)，測量干摩擦轉(zhuǎn)矩；2）停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在空氣側(cè)注以一定量的潤滑油；3）重新開始運(yùn)轉(zhuǎn)，摩擦力矩明顯降低，同時(shí)油膜被漸漸地泵送到密封的另一側(cè)；4）最后，當(dāng)所有的油被送到油側(cè)一邊后，摩擦力矩又突然增加。結(jié)論——如果唇形密封是近似對稱的，或者接觸面不能形成必需的微突體或棱脊，那么，唇形密封并不會產(chǎn)生明顯的回泵送現(xiàn)象。（2）耐壓旋轉(zhuǎn)軸唇形密封1