【摘要】软填料密封是一种应用广泛的密封, 但在高压和高速情况下, 其密封效果和寿命问题日益明显。文章在分析软填料密封工作特点的基础上, 提出了几种提高其密封效果的方法, 扩大了软填料密封在高压和高速领域应用的可能。
【关键词】软填料;旋转轴;密封效果
0 引言
随着科学技术的发展, 工业技术越来越向着高速、高压化方向发展, 这对密封技术提出了更高的要求, 也促进了密封技术的飞速发展。软填料密封由于价格便宜、维护方便等特点, 仍有着广泛的应用。传统的软填料密封方式由于有着固有的缺陷, 限制了其应用范围。本文的目的在于通过研究软填料密封的工作特点, 找出提高密封效果和寿命的方法, 从而扩大应用范围。
1 传统的软填料密封的工作特点
传统的软填料密封在安装条件下的受力情况如图1 所示。软填料在压盖力作用下形成一密实的连续体。为计算方便, 假定侧压系数k 在预计的应用比压范围(σD ～ σK)内为常数, 同时假定轴向力均匀地作用在填料截面上, 并以两个集中力pax和pix表示。
建立微单元填料轴向方向的力平衡方程
填料仅在压盖作用下的轴向压力分布如图2a 所示。
通过以上的理论分析, 可以得出影响软填料密封的密封效果的“瓶颈” 是:由于填料和填料函之间存在的摩擦力使得填料在压盖压紧力作用下产生的轴向压力沿力传递的方向依次减小, 从而填料的侧向压力也
按相同的规律变化;而泄漏介质的压力沿泄漏通道的压力变化恰好与之相反, 如图2b 所示。这对密封的密封效果会带来以下几个不利的影响:
(1)由于靠近填料函底部的填料对旋转轴的侧向压力小, 而受密封介质的压力大(与外侧填料相比), 因此在工作条件下(即有介质压力作用下)填料与轴之间会形成一个楔形的泄漏通道。这样靠近压盖的填料所承担的负荷比靠近填料函的填料要大。在这种情况下, 靠近压盖的填料的寿命比靠近填料函的填料的寿命小, 从而影响了填料的整体寿命。
(2)由于软填料的回弹性能与其所受的压力有关, 所受压力越大, 回弹性能越差, 反之, 回弹性能越好。回弹性能差的填料由于不能补偿间隙的变化, 因而造成填料与轴之间的接触力剧烈变化, 由于靠近压盖的填料所受的压力又比较大, 因此回弹性能比较差,但它却承担主要的密封作用, 为保证密封效果, 只能将填料压得更紧, 造成填料与轴之间的接触压力过大, 即降低了填料的寿命, 又加剧了轴的磨损。
2 提高软填料密封效果的方法
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 对密封填料进行预处理
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 使用组合填料
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, 见表1 。
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 结构改进
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。见图3a 。
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如图3c 、3b 所示。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 结束语
软填料密封由于其价格便宜、维护方便等特点, 在密封技术飞速发展的今天仍然有着广泛的应用。本文通过对软填料密封工作特点的分析, 提出了几种提高其密封效果和寿命的方法。随着新型密封填料的不断出现和对密封填料工作特点研究的不断深入, 软填料密封一定能适应工业技术的发展, 从而获得更广泛的应用。
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