填料密封的摩擦.doc

填料密封的摩擦、磨损与润滑填料密封是一种接触式密封，与其他密封比较，它的接触面积大，且必需施加压紧力，因之它的摩擦、磨损问题较为突出。3.1 摩擦填料密封的摩擦与压盖压力、运行时间、根数和轴表面的粗糙有关。此外，摩擦还与填料种类有关，这可以通过它们的摩擦系数明显地反映出来。聚四氟乙烯填料与钢的摩擦系数仅为0.04，棉填料对钢的摩擦系数为0.60.7，给它们相差近20倍，见表29.5-15。从摩擦的角度看，填料圈数越少越好。但从密封性考虑，则要求有足够的数量。 表29.5-15 各种填料与轴的摩擦系数对偶材料摩擦系数对偶材料摩擦系数橡胶钢硬橡胶硬钢聚四氟乙烯钢聚乙烯钢0.90.350.040.15铅软钢铝软钢铝合金软钢银钢青铜钢0.40.360.300.300.15轴表面的粗糙度越高，摩擦损失越大，通常轴密封面的Ra=1.63.2m，最好达到Ra=0.40.8m，还希望轴表面有足够的硬度，以便耐磨和长时间维持正常运行。3.2 磨损磨损是填料密封中的一个突出问题。几乎每一种采用填料密封的机械都为此配有备件，图29.5-10为试验条件完全相同的几种填料的对比试验结果，由图可以看出，碳纤维填料的耐磨性能最好，石棉填料对轴的磨损最大，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。 图29-5-10 各种填料的磨损对比试验结果（运转1000h 后）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，见图29.5-11b，装填不好的填料，压盖附近在短时间内即出现很大的磨损，耐填料深处却毫无磨损现象，见图29.5-11c。 图29.5-11 填料的磨损a）良好装填b）正常磨损c）异常磨损磨损也与轴表面是否发生腐蚀密切相关。当不锈钢轴采用石墨润滑的填料时，将会发生严重的腐蚀现象。这是因为在导电介质中，石墨成为阴极，不锈钢轴成为阳极，产生电化学腐蚀。轴表面的金属被溶解，变成非常粗糙的表面，加速轴与填料的磨损。由于这一原因，常常在填料内有意加进所谓的“牺牲金属”，如铜、铝、锌和镁等，使它们与石墨之间产生电化作用，以保护轴表面。3.3 润滑填料的润滑对填料的寿命和密封性有极大的影响。例如，用来抽送汽油的泵，如其密封用的是油浸石棉填料，其中的浸渍剂是滑脂和石墨，滑脂很容易溶解于汽油，这样润滑剂溶解后，就会出现大量泄漏。接着，轴也很快被磨损。假使泵用来抽水，不是抽汽油，就不会发生上述情况，由此可见润滑剂的合理选择很重要。一般填料润滑剂的要求：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，最好具有绝缘性。总之，原则上应使用自润滑性好又耐温的材料，这就是常用的石墨、二硫化钼、云母和聚四乙烯的原因。但同时为了防止渗透泄漏，润滑脂也总是必不可少的。当然，有的填料所含润滑剂极少（如积层填料），使用中必需从外部经常供给润滑油。当介质有润滑性时，则用介质本身润。常用的填料润滑剂见表29.5-16。 表29.5-16 填料用润滑剂润滑剂名称特点与适用范围动物脂肪用于冷水，特别适合于纤维填料，但解出脂肪酸腐蚀轴蓖麻油适用于水、酸盐类介质，但今对石油系矿物油能溶解棕榈蜡不溶于石油系矿物油，与蓖麻油混合后可适用于多种介质甘油不溶于石油系矿物油，特别适用于石油产品，特别是汽油用填料。此外，对蒸汽用橡胶填料也适用矿物油或石蜡最适合作汽缸密封的编结填料石墨化学性能稳定，润滑性能良好，是最常用的固体润滑剂，几乎每种填料都有使用，但应特别注意密封面的电化学腐蚀，因为它是良导体。二硫化钼以固体粉末与油、脂混和使用，适用于高pv值，且它为非良导体，不产生电化学腐蚀。但分解温度在300左右，所以适用温度不得超过此值，价格比石墨略高云母与滑石粉耐高温，有良好的润滑性能，用在不允许石墨染色的填料，但摩擦系数比石墨大聚四氟乙烯它既是填充剂，又是润滑剂。其低温性能良好，可在-200250范围内使用，润滑性良好，但不及石墨。有绝缘性，不产生电化学腐蚀，耐各种化学填料的合理装填与使用填料的合理装填与使用6.1填料的合理装填填料合理装填的步骤为：1）清理填料腔，并检查轴表面是否有划伤、毛刺等现象。填料腔应作到洁净，轴表面应光滑。2）用百分表检查轴在密封部位的径向圆跳动量，其公差应在允许范围内。3）填料腔内和轴表面应涂密封剂或与介质相适应的润滑剂。4）对成卷包装的填料，使用时应先取一根与轴径同尺寸的木棒，将填料缠绕在其上，再用刀切断，切口可以是平的，但最好呈45斜面。对切断后的每一节填料，不应当让它松散，更不应将它拉直，而应取与填料同宽度的纸带把每节填料呈圆环形包扎好（纸带接口应粘接起来），置于洁净处。成批的填料应装成一箱。5）装填时应一根根装填，不得一次装填几根。方法是取一根填料，将纸带撕去，涂以润滑剂，再用双手各持填料接口的一端，沿轴向拉开使之呈螺旋形，再从切口处套入轴径。注意不得沿径向拉开，以免接口不齐。6）取一只与填料腔同尺寸的木质两半轴套，合于轴上，将填料推入腔的深部，并用压盖对木轴套施加一定的压力使填料得到预压缩。预压缩量约为5%10%，最大到20%。再将轴转动一周，取出木轴套。7）以同样的方法装填第二根、第三根。但需注意，当填料根数为48根时，装填时应使接口相互错开90；两根填料错开180；36根错开120以防通过接口泄漏。对于金属带缠绕填料，应使缠绕方向顺着轴的转向。8）最后一根填料装填完毕后，应用压盖压紧，但压紧力不宜过大。同时用手转动主轴，使装配后的压紧力趋于抛物线分布。然后再略为放松一下压盖，装填即算完毕。9）进行运转试验，以检查是否达到密封要求和验证发热程度。若不能密封，可再将填料压紧一些；若发热过大，将它放松一些。如此调整到只呈滴状泄漏和发热不大时为止（填料部位的温升只能比环境温度高3040），才可正式投入使用。6.2 填料的合理使用1）应经常检查泄漏情况。如发现泄漏量超过允许值时，应及时压紧调整。2）轴的磨损、弯曲或是偏心严重是造成泄漏的主要原因。故应定期检查轴承是否损坏，并尽可能将填料腔设在轴承不远处。轴的允许径向圆跳动量最好在 /100mm以下。3）转动机械，转子的不平衡量应在允许范围内，以免振动过大。4）软硬不同的填料组合使用，有良好的密封效果，但装填时硬填料应在深部，软填料应在压盖附近，且软。5）液封环的两侧（包括外加注油孔的两则）应装同硬度的填料。6）填料应定期更新。拆卸填料时，注意不得划伤填料腔内壁和轴表面。7）当填料宽度与填料腔的宽度不符时，严禁用锤子敲扁。8）当从外部注入润滑轴和对填料腔进行冷却时，应保证油路、水路畅通。注入的压力只需略大于填料腔内的压力即可。通常取其压差为0.050.10MPa。 填料腔的结构设计填料腔除设有装填料的空间外，还应设计相应的冷却（包括散热）、润滑、液封或冲洗结构。其设计原则是：容易加工；散热有效，接通冷却液比较方便；留有液封孔口，且位置要恰当，便于与高压封液相联通；转轴应与机械密封互换等。表29.5-19为填料腔的结构型式。表29.5-20表示填料腔的润滑、冲洗和冷却方式。 表29.5-19填料腔的结构形式类型简图特点和应用简单填料箱结构简单紧凑，未采用改善填料箱工况的辅助措施，仅用于低参范围或不允许外接辅助管线的场合，常用于阀门等封液填料箱引入封液改善润滑，扩大工作参数范围。机械泵类产品常用，亦可用于气相介质填料旋转式填料箱填料处于旋转状态，摩擦面位于填料外圆面，散热效果良好，可用于高效旋转设备，不磨损轴双填料箱两个填料箱叠加，外箱体底部兼做内箱体压盖。在此处可引入液体冲洗，冷却或收集漏液。可用于易燃，易爆或有毒介质的密封锥面填料箱锥面填料箱与离心锤组成离心式停车密封，作为动力型密封装置的辅助密封内圆调心式填料箱装有柔性材料对中环，轴套或外套可调心对中。用于轴有较大振动和偏摆的场合。不磨损轴外圆调心式填料箱表29.5-20填料腔的润滑、冲洗和冷却方式简图特点和应用封液润滑在封液环处引入封液（每分钟数滴）进行润滑贯通冲洗在封液环处有进口和出口管线进行贯通冲洗。漏液在封液环处被稀释带走。可用于易燃，易爆和有毒介质底部或压盖冲洗在填料箱底部封液环处，引入压力较介质压力高约0.05MPa的清洁液体，阻止工作介质中的磨蚀性颗粒进入填料摩擦面。在压盖处冲洗，能带走漏液，冷却轴杆，并阻止尘污进入摩擦面夹套冷却降低填料工作温度。用于高温介质填料腔结构设计中的尺寸没有固定的公式可以表达，主要靠长期使用经验来决定。通常腔的深度由环数来决定。宽度由轴径的大小来决定。填料腔中填料环数z与介质压力p的关系可参用表29.5-14中提供的数值决定。填料的宽度w根据与轴径的关系来选取，可参考图29.5-13。 图29.5-13填料腔的尺寸选择图29.5-14填料腔尺寸当填料的环数和宽度决定以后，再决定填料腔总体尺寸，若使用液封环，则填料腔深度应加上其宽度。总深度还应加上压盖填入填料腔的深度，一般取510mm，往复运动轴配合应深一些。图29.5-14所示的填料腔深度：无液封环时L1=zw+（510）或L1=1.2zw；有液封环时L1=（z+2）w+（510）。这里z为填料环数。填料腔内壁的表面粗糙度取Ra=3.21.6m，与压盖的配合一般取H11/d11，要求较高时，取H8/f9，填料腔的内端面可以是垂直于轴线的平面，也可以是斜面。填料填料密封最早是以棉麻等纤维塞在泄漏通道内来阻止液流泄漏，主要用作提水机械的轴封。由于填料来源广泛，加工容易，价格低廉，密封可靠，操作简单，所以沿用至今。填料主要作动密封件，它广泛用作离心泵、压缩机、真空泵、搅拌机和船舶螺旋桨的转轴密封，活塞泵、往复式压缩机、制冷机的往复运动轴封，以及各种阀门阀杆的旋动密封等。填料必需具备下列条件：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。轴存在少量偏心的，填料应有足够的浮动弹性。制造简单、装填方便。填料密封机理填料装入填料腔以后，经压盖对它作轴向压缩（见图29.5-9），当轴与填料有相对运动时，由于填料的塑性，使它产生径向力，并与轴紧密接触。与此同时，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成油膜。由于接触状态并不是特别均匀的，接触部位便出现“边界润滑”状态，称为“轴承效应”；而未接触的凹部形成小油槽，有较厚的油膜，接触部位与非接触部位组成一道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏的作用，此称“迷宫效应”。这就是填料密封的机理。显然，良好的密封在于维持“轴承效应”和“迷宫效应”。也就是说，要保持良好的润滑和适当的压紧。若润滑不良，或压得过紧都会使油膜中断，造成填料与轴之间出现干摩擦，最后导致烧轴和出现严重磨损。图29.5-9填料的压紧力分布为此，需要经常对填料的压紧程度进行调整，以便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。显然，这样经常挤压填料，最终将使浸渍剂枯竭，所以定期更换填料是必要的。此外，为了维持液膜和带走摩擦热，有意让填料处有少量泄漏也是必要的。一般转轴用填料密封的允许泄漏量可参考表29.5-12。 表29.5-12 一般转轴用填料密封的允许泄漏量允许泄漏量 /mLmin-1轴径/mm25405060起动30分钟内24305860正常运行8101620注：转速3600r/min，介质压力0.10.5MPa。正常填装并压紧的填料，其径向力的分布如图29.5-9所示，在填料接触的长度方向取填料的微分量dx，作用在此微分量上的轴向压紧力为px，径向压紧力为pr，则有 式中K填料的柔软系数，小于或等于1（表29.5-13）。 表29.5-13 填料的柔软系数K浸润滑脂的填料石墨编结填料半金属填料K0.60.80.91.00.80.9为了保证密封，填料底部的径向压紧力必需大于或等于介质的内压力，即prpi，此处pi为填料腔以内的介质压力。由于填料的塑性，PX沿着接触长度方向是变化的，变化的规律由微分量dx的平衡条件来求得，即 式中 uc填料与轴表面、填料与腔的内壁面之间的摩擦系数。将（29.5-1）代入式（29.5-2）得 由于密封时在x=L处prpi（或Kpxpi），并把（R-r）用填料的厚度h表示后，积分得所以 在压盖处x=0，故压盖施加的压力（作用于单位面积上的力）为 即压盖的压紧力与介质内压成正比。同时，当填料的柔软性系数K越小，接触宽度越大以及填料的厚度很小时，压盖的压紧力也越大。以上是填料装填正常时径向力的分布情况。当填料装填不好时，将大大改变此压力的分布状况。同时，在填料运转一段时间后，由于润滑剂流失，填料体积变小，压紧力松弛，径向力的分布曲线会变得平缓。截断沿轴及箱壁泄漏通道所需的压紧载荷 另一方面，装填料箱时将填料压实的载荷 式中 D、d填料箱内壁直径及轴直径（m）； Y软填料压紧压力（MPa）。石棉类填料Y=4MPa、天然纤维类填料Y=2.5MPa、膨胀石墨填料Y=3.5MPa。取F或F中数值较大者作为螺栓载荷F，确定压盖螺栓的螺纹小径 式中 n螺栓数目，一般24个； 螺栓材料的许用应力（MPa）。填料环数由介质压力与运动方式选取，见表29.5-14。压紧力对填料的密封性有决定性的影响，根据经验，泄漏量q大到有下列关系： 表29.5-14 填料环数与介质压力关系 轴杆运动方式旋转往复介质压力P/MPa0.10.51113.53.5771010填料环数Z4557683445566778或更多即泄漏量与压紧力的平方成反比。当压紧力调整至正常以后，通过填料的泄漏量可按下列步骤计算：当填料与轴的间隙很小，泄漏量不大时，可认为漏液作层流流动，于是泄漏量为 式中 d轴径（m）； Cr直径间隙（m）； 液体的动力粘性系数（Pas）； L填料与轴的接触长度（m）； p填料两侧的压差（MPa）。填料的选择选择填料时，通常考虑的因素有：机器的种类，介质的物理、化学特性，工作温度和工作压力，以及运动速度等。其中，尤以介质的腐蚀性（以pH值标志）、pv值及使用温度最重要。填料的价格与来源也应兼顾。从填料与介质的适应性选择填料可参考表29.5-17。表中所列pH值是表征介质酸碱度的一个特征值，它表示介质溶液中所包含的氢离子或羟基离子的浓度。在1L中性水中，所含氢离子和羟基离子大约相等，约为1/107克