摘要:本文针对高压30MPa、高水基工况下密封件寿命短的问题, 开发了一种新的棉麻动密封软填料, 其密封寿命超过国内外同等工况下的密封件, 提高了工作效率并能替代进口。
关键词:高压;高水基;棉麻纤维;动密封;软填料
高水基工作液是用5%的化学添加剂与95 %的水配制而成, 在机械传动系统中以水代油作为液压介质具有来源广泛、无污染、节省能源、安全和难燃等特点。高水基工作液的高压动力发生设备如注水泵、乳化液泵、喷雾泵等, 工作压力高达30MPa , 摩擦副运动速度快(2m/s), 被封高水基液体粘度低, 与水相近, 润滑性差, 实现密封难度大, 诸如此类高水基、高压工况下的动密封国内外均采用接触式密封, 国内以成型填料夹布橡胶V 型密封为主, 密封元件磨损快, 易泄漏, 使用寿命(即密封寿命)短, 常用的夹布橡胶密封圈一般使用10 ～ 15d , 更换频繁, 非计划停车次数多。而西方发达国家研发用于此类工况下的编织型软填料, 密封寿命长达三个月(90d)的水平,国内尚没有一种编织型软填料在高压高水基工况下能达到这样高的使用寿命。因此, 解决密封问题是高水基流体动力系统的关键性问题, 研究开发双高参数(高压、高水基)工况下长效密封元件是一项很重要的研究课题。
本项研究受国家自然科学基金资助, 采用混纺纤维设计, 与一种新型的润滑密封性能优异的填充材料相复合并进行后处理, 从而开发出一种新的编织型软填料即高压高水基棉麻动密封软填料(本文简称软填料), 它不但能较好地适应高压高水基工况, 而且能达到长效密封寿命之目的。
1 软填料的材料组成及性能
高压高水基棉麻动密封软填料是由骨架材料和填充材料组成, 骨架是承载和密封的主体材料, 可用人造纤维、合成纤维、无机纤维和天然纤维纺制而成,要适应高水基液体30MPa 以上的工作压力, 各种纤维材料在价格成本、抗摩擦磨损特性和环境污染等方面各有利弊, 例如石棉纤维价格低, 耐热性好, 但强度低而且存在环境污染问题;金属纤维强度高, 耐热,但价格昂贵且适应线速度低;天然的棉纤维和麻纤维来源广泛, 应用历史悠久, 价格也低, 但抗摩擦磨损性较差。而且无论用哪种纤维做骨架还都必须用液体润滑剂或固体润滑剂加以填充, 以便改善致密性和润滑特性等。我们采用常见的麻纤维、玻璃纤维和碳纤维做骨架材料, 填充单一的液体润滑剂或固体润滑剂在往复式乳化液泵上做30MPa 的探索性密封寿命试验, 每种样品三组。
试验结果如图1 所示。平均密封寿命都比较短暂, 不足1d 的时间。单一浸油, 填充性和润滑特性好, 但不耐压, 很快就发生泄漏;单一浸渍固体润滑剂, 填充材料与骨架材料相容性(结合)较差, 填充的固体强度低, 表层片状剥落多, 高压水液依然容易产生泄漏;麻纤维浸脂稍好, 个别样品能达到30 多小时的工作寿命。因此, 密封元件要实现高压、高水基工况下长效寿命, 一方面, 骨架材料可考虑混纺设计, 另一方面, 不要浸渍单一填充材料, 填充工艺可考虑固-液共浸的方式。我们经过反复试验, 最终采用混纺纤维做骨架材料并与高度分散的固液填充材料相复合解决高压长效密封问题。
(1)骨架材料和填充材料
1)骨架材料
采用麻纤维、棉纤维和铜纤维按4∶1∶0.5 的比例混纺并编织成绳状产品, 棉麻纤维能适应-30 ～+120℃的温度范围, 棉纤维适应6m/s 的线速度而麻纤维能适应4m/s , 铜纤维的加入可提高整体强度和导热性。骨架结构松弛, 致密性差, 外形存在编织花纹凹槽, 内部存在大量缝隙, 必须用填充材料浸渍填塞, 改善骨架抗摩擦磨损特性并能形成比较理想的表面, 以便堵塞横贯密封宽度的泄漏通道。
2)填充材料
填充材料由聚合物和液体润滑剂以及其它添加剂组成, 聚合物粒子平均直径为130nm , 液体粘度为40～ 90mm2/s , 经下料-混料-搅拌而制成。
填充性好坏与聚合物粒子大小有很大关系, 粒子越小, 分散性越好, 填充时渗透速度快且与骨架材料相容性好, 表1 为相同体积的聚合物, 当粒子直径不同时, 总表面积的变化情况。
由表1 可知, 当粒子直径由1mm 变化到100nm时, 总表面积增大1 万倍, 由热力学可知, 聚合物的分散度越大, 总表面积越大, 表面自由焓也越大, 这不但使高度分散的填充材料渗透性好而且与骨架材料容易吸附在一起, 不易脱吸剥落。同时需要指出的是, 聚合物粒子越小, 越易团聚成球, 并要求混料工艺充分可靠。
(2)软填料制备工艺过程
将绳状骨架材料和填充材料在浸胶器、焙烘炉中按一定速度进行浸渍烘干和表面后处理, 根据需要下料模压成环, 其工艺过程:纤维混纺-预处理-浸渍复合-后处理-下料模压-样品。
(3)软填料的性能
1)主要力学性能指标如表2
2)填充材料的析油性和整体软填料的给油性填充材料由固液材料所构成, 经焙烘和后处理后, 成为固相, 具有良好的含油轴承特点, 温度升高, 能自动向外析油。将填充材料做成若干外径为10mm 、长30mm 的圆柱体并称重, 用一层棉纸包覆,放入干燥箱中, 在100 ℃以下分别加热, 取出用天平称重, 其失重量即为析油量, 测量结果是30 ℃以下析油量较少, 30 ℃以上随温度升高析油量增大。
整体软填料具有自带油壶的特征, 密封工作中无需中途加油, 体内纤维束中含有丰富的润滑油, 在载荷作用下可向动密封界面的微间隙给油, 截取软填料10mm ×10mm ×40mm 三段, 测量重量, 平行紧靠摆在不锈钢板上, 加载, 卸载后用天平称重并计算失重(给油量), 结果是随载荷增加给油量增大。
2 软填料的密封寿命试验
(1)试验条件
试验机型:MRB125/31.5, 往复式曲轴连杆柱塞式乳化液泵, 柱塞平均线速度:V =1.5 ～ 2m/ s;
压力:31.5MPa ;
高水基工作液性能:密度(g/ cm3):0.9 ～ 0.99 粘度(mm2/s):1.2, pH 值:7 ～ 9.5, 含水量:>95%。
(2)柱塞泵填料箱密封结构
填料箱结构如图2 所示, 拧紧螺套或压盖螺栓,轴向压紧, 填料产生径向弹塑性变形而填塞密封间隙并向动密封界面的微间隙给油, 从而实现固液润滑和密封。径向产生的压力为接触应力, 接触应力由外侧向内腔(高压腔)一侧, 呈递减分布, 柱塞往复运动使内腔高水基液体产生高压, 高压由内侧向外侧呈减递分布, 当软填料的密封界面接触应力大于内腔压力时就能实现密封。泵从开始工作直至泄漏这一段时间为一个周期, 然后再次拧紧螺套或压盖, 又进入下一个周期, 不断循环下去直到填料失效, 使用(密封)寿命就是由许多个周期累积而成。为改善接触应力的分布可在支承环处增设补偿弹簧。更换压环和支承环可实现填料之间的代换。
(3)软填料的密封寿命试验
经1500h 台架试验和煤矿井下工业性密封寿命试验, 使用寿命长达6 个月(180d)。国内外密封元件使用寿命平行对比试验如图3 所示, 高压高水基棉麻动密封软填料的密封寿命是国外同类产品的2 倍以上, 是原先采用的夹布橡胶密封圈的15 倍以上。
3 结束语
高压高水基棉麻动密封软填料的密封寿命远超过国内外同等工况下所使用密封件的寿命, 同时具有安装使用方便, 自润滑, 中途无需加注润滑油等特点,降低了成本, 大大提高了工作效率。这种新材料在高压高水基工况下之所以具有如此之高的密封寿命, 与它所具有的独特的密封机理和磨损特性有关, 其详细论述另行成文。
参考文献
[ 1] 张向钊, 寿震东, 密封垫片与填料, 北京:机械工业出版社, 1994。
[ 2] 机械工程手册第五卷, 北京:机械工业出版社, 1982.3。
[ 3] 设备润滑基础, 北京:冶金工业出版社, 1982.9。
[ 4] 潘仁度, 微观密封学概论, 润滑与密封, 1994 (5)。
[ 5] 候友夫, 柱塞泵V形往复密封结构的分析研究, 液压气动与密封, 1998 (3)。
更多软填料信息欢迎访问进口密封件公司奥赛罗密封，咨询电话：0311-87316999。奥赛罗密封诚招代理商。othello密封
