第四章填料密封

1、第四章第四章 过程机械密封过程机械密封填料密封填料密封又称压盖填料密封，主要用于过程机器又称压盖填料密封，主要用于过程机器和设备运动部分的密封，如离心泵、真空泵、搅拌机、和设备运动部分的密封，如离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜等的转轴和往复泵、往复压缩机的柱塞或活塞反应釜等的转轴和往复泵、往复压缩机的柱塞或活塞杆，以及做螺旋运动阀门的阀杆与固定机体之间的密杆，以及做螺旋运动阀门的阀杆与固定机体之间的密封。封。填料密封依其采用的密封填料的形式分为填料密封依其采用的密封填料的形式分为软软填料密封填料密封和和硬硬填料密封，本节主要介绍软填料密封。填料密封，本节主要介绍软填料密封。4.1 填料密封填料密

2、封4.1.1 引言引言1.基本结构基本结构与机械密封相比，软填与机械密封相比，软填料密封料密封优点优点：结构：结构简单、价格便宜、加工简单、价格便宜、加工方便、装拆容易和使用方便、装拆容易和使用范围很广。范围很广。缺点缺点：填料：填料与轴或杆表面摩擦和磨与轴或杆表面摩擦和磨损较大，造成材料和功损较大，造成材料和功率消耗大。率消耗大。填料密封要允许一定的填料密封要允许一定的泄漏量泄漏量，为了润滑摩擦，为了润滑摩擦部位并带走摩擦热，降部位并带走摩擦热，降低材料磨损，延长使用低材料磨损，延长使用寿命。寿命。2.软填料的分类、材料和结构软填料的分类、材料和结构 a：分类：分类 按功能、材料和加工方法等

3、分类。按功能、材料和加工方法等分类。 b：材料：材料 实际软填料由基体材料和辅助材料组成，实际软填料由基体材料和辅助材料组成，基体材基体材料料用于满足耐热性、化学稳定性方面的要求，而用于满足耐热性、化学稳定性方面的要求，而辅助材料辅助材料则满足润滑性、致密性或防腐蚀的要求则满足润滑性、致密性或防腐蚀的要求 c：编结填料结构：编结填料结构 编结填料按编织方式分为夹心套层式编结填料、编结填料按编织方式分为夹心套层式编结填料、发辫式编结填料和穿心式编结填料等三种。发辫式编结填料和穿心式编结填料等三种。4.1.2 软填料密封的原理软填料密封的原理（1）应力特征）应力特征在在预装填料的填料函预装填料的填

4、料函中，流体可能的泄漏通道主要是中，流体可能的泄漏通道主要是穿过软填料材料本身的穿过软填料材料本身的渗漏渗漏和通过填料与轴外表面，和通过填料与轴外表面，以及填料与填料函内壁表面之间的以及填料与填料函内壁表面之间的间隙的泄漏。间隙的泄漏。对于填料材料本身的渗漏，可以通过以下解决：对于填料材料本身的渗漏，可以通过以下解决：一一、压缩时软填料被压实，压缩时软填料被压实，二二、通过改变填料材料或结、通过改变填料材料或结构构对于填料与填料函内壁面的泄漏：无相对运动，泄漏对于填料与填料函内壁面的泄漏：无相对运动，泄漏量好控制量好控制因此因此，填料与运动的轴或杆之间的，填料与运动的轴或杆之间的泄漏或逸散泄漏

5、或逸散成为填成为填料密封成功的关键。料密封成功的关键。1. 软填料密封的安装状态，即预紧压盖螺栓，轴是静软填料密封的安装状态，即预紧压盖螺栓，轴是静止的，没有密封介质压力存在。止的，没有密封介质压力存在。螺栓伸长时产生一轴向力螺栓伸长时产生一轴向力 ，压盖压力，压盖压力 ，A为填料函的环形截面积，为填料函的环形截面积， 。填料具有粗糙的表面，且是可压缩的材料填料具有粗糙的表面，且是可压缩的材料径向应力径向应力 ，K称为侧压系数，小于零，称为侧压系数，小于零， 是填料的轴向应力。是填料的轴向应力。 由于填料与轴和填料函壁之间的摩擦作用，使填料沿由于填料与轴和填料函壁之间的摩擦作用，使填料沿填料函

6、轴向长度的压缩程度从压盖向填料函底递减，填料函轴向长度的压缩程度从压盖向填料函底递减，所以填料的径向应力也沿填料函轴向长度递减。所以填料的径向应力也沿填料函轴向长度递减。gFggFA220.785ADdraKa假设所有的填料环是一样的，假设所有的填料环是一样的，K和压缩无关。取一和压缩无关。取一dx微微元的填料，则该微元的径向接触应力为元的填料，则该微元的径向接触应力为 ( )raxKx根据微元填料的轴向的力的平衡：根据微元填料的轴向的力的平衡： 221 1224aaDddxK f dK f Dx dx（4-1） 12,ff12,K K填料与轴和填料与填料函壁的摩擦系数填料与轴和填料与填料函壁

7、的摩擦系数填料与轴和填料与填料函壁的侧压系数填料与轴和填料与填料函壁的侧压系数将上式积分得：将上式积分得：系数， xagxe（4-2） 1122224 f K df K DDd所以，填料与轴和填料函之间任意所以，填料与轴和填料函之间任意x处的径向应力：处的径向应力： 11xriagxKxKe 22xroagxKxKe（4-3） 上式表明填料与轴和填料函之间的径向应力在上式表明填料与轴和填料函之间的径向应力在压盖压盖出最大出最大，并以，并以指数规律指数规律向填料函底向填料函底递减。递减。当泄漏流体压力作用时，根据流体压力与填料之间的当泄漏流体压力作用时，根据流体压力与填料之间的相互作用，流体压力

8、沿轴向的分布出现相互作用，流体压力沿轴向的分布出现两种两种不同的状不同的状况。况。一一. 压盖压力显著比流体压力高，压缩填料与轴表面压盖压力显著比流体压力高，压缩填料与轴表面形成微小的迷宫接触状态，密封间隙中的泄漏流体受形成微小的迷宫接触状态，密封间隙中的泄漏流体受到节流的作用，所以流体压力（到节流的作用，所以流体压力（p）沿填料长度呈非）沿填料长度呈非线性规律分布，如图线性规律分布，如图4-6（a）所示。）所示。二二. 填料与轴表面的径向接触应力比流体压力低，填料与轴表面的径向接触应力比流体压力低，于是除了压盖附近外，流体压力将填料推向填料于是除了压盖附近外，流体压力将填料推向填料函壁面而脱

9、离轴，所以流体压力沿填料长度的分函壁面而脱离轴，所以流体压力沿填料长度的分布状况如图布状况如图4-6（b）由以上分析可知，填料由以上分析可知，填料预紧后预紧后的的径向接触应力径向接触应力与与泄漏流体压力泄漏流体压力的分布规律恰恰的分布规律恰恰相反相反。为了保证填。为了保证填料的密封作用，要求填料与轴和填料与填料函之料的密封作用，要求填料与轴和填料与填料函之间的径向应力足以使介质不可能沿其流动，即填间的径向应力足以使介质不可能沿其流动，即填料函底部的料函底部的径向应力径向应力不小于不小于泄漏流体的泄漏流体的压力压力P。即：即： 11LriagLKLKep 22LroagLKLKep（4-4） 由

10、上式可得到保证软填料密封所需要的压盖压力为：由上式可得到保证软填料密封所需要的压盖压力为：1/LgpeK（4-5）当轴回转时，填料与轴摩擦的轴向分量为零当轴回转时，填料与轴摩擦的轴向分量为零 10f 仅与填料与填料函内壁的摩擦仅与填料与填料函内壁的摩擦 2ff并假设并假设 12,/ 2,KKKDdD则式则式4-3、式、式4-5可简化为：可简化为： fKL trrorigxxxKe（4-6）2/fKL tgpeK（4-7） （2）摩擦力和摩擦力矩）摩擦力和摩擦力矩作用在填料轴向微元上的摩擦力：作用在填料轴向微元上的摩擦力： /fKx ttcrcgdFf dx dxf dKedx对上式积分，得到填

11、料与轴的总摩擦力：对上式积分，得到填料与轴的总摩擦力：/0LfKx ttcgFf Kdedx（4-8） 摩擦力矩则为摩擦力矩则为（4-9） （3）泄漏率）泄漏率 密封介质沿填料与轴之间的环形间隙的泄漏，可密封介质沿填料与轴之间的环形间隙的泄漏，可视为流体作层流流动，理想条件下的泄漏量可按视为流体作层流流动，理想条件下的泄漏量可按下式计算下式计算 3012D phQL调节填料轴向压紧力，使其沿径向与轴紧密接触，调节填料轴向压紧力，使其沿径向与轴紧密接触，是保证软填料达到密封的关键。是保证软填料达到密封的关键。（4）磨损与润滑）磨损与润滑由于由于摩擦引起的磨摩擦引起的磨损损是软填料密封中是软填料密

12、封中的一个突出问题。的一个突出问题。除了填料磨损外，除了填料磨损外，转轴或往复杆也同转轴或往复杆也同样发生磨损。正常样发生磨损。正常装填的填料在装填的填料在压盖压盖处磨损较大处磨损较大，向内，向内逐渐减小，而装填逐渐减小，而装填不好的填料出现如不好的填料出现如图图4-7所示的异常磨所示的异常磨损状况。损状况。4.1.3 软填料密封结构的设计软填料密封结构的设计软填料密封结构的发展方向：软填料密封结构的发展方向：1. 填料沿填料函长度方向的径向应力分布均匀，填料沿填料函长度方向的径向应力分布均匀，且与泄漏介质的压力分布规律一致。且与泄漏介质的压力分布规律一致。2. 考虑冷却和润滑措施考虑冷却和润

13、滑措施3. 设置及时或自动补偿填料磨损的结构；设置及时或自动补偿填料磨损的结构；4. 在填料函底部设置底套，以防止填料被挤出；在填料函底部设置底套，以防止填料被挤出；为防止含固体颗粒介质的磨蚀和腐蚀性介质的腐蚀，为防止含固体颗粒介质的磨蚀和腐蚀性介质的腐蚀，采用中间封液环，注入封液，起冲洗和提高密封性采用中间封液环，注入封液，起冲洗和提高密封性的作用。的作用。5. 采用由不同材质的填料环组合的结构。采用由不同材质的填料环组合的结构。4.1.4 填料的安装、使用与保管填料的安装、使用与保管4.2 往复密封往复密封往复密封往复密封是指用于过程机械作是指用于过程机械作往复运动机构往复运动机构处的密封

14、，包括液压密封、气动密封、活塞环处的密封，包括液压密封、气动密封、活塞环密封、柱塞泵密封等。密封、柱塞泵密封等。 1. 对液压密封的基对液压密封的基本要求本要求 一般的液压密封一般的液压密封指液压缸指液压缸活塞密封活塞密封和和活塞杆密封活塞杆密封。当范围。当范围更广、要求更严时，更广、要求更严时，还包括防止灰尘或外还包括防止灰尘或外界液体进入系统的界液体进入系统的防防尘密封尘密封。支撑环支撑环起到起到类似滑动轴承的作用，类似滑动轴承的作用，支撑侧向载荷，维持支撑侧向载荷，维持液压密封同心的作用。液压密封同心的作用。4.2.1 液压密封液压密封对液压密封的基本要求如图所示：对液压密封的基本要求如

15、图所示：与纯粹的旋转运动密封不同之处：往复运动密封的泄漏率在构成一个循环的两个行程中是彼此不相同的。2. 弹性体密封的基本原理弹性体密封的基本原理以橡胶以橡胶O形圈密封为代表，介绍弹性体密封的基本形圈密封为代表，介绍弹性体密封的基本原理。原理。（1）自密封机理）自密封机理弹性体密封的弹性体密封的“自动密封自动密封”或称或称“自密封自密封”是依靠是依靠弹性体材料的弹性、并存在初始装配过盈量或预加弹性体材料的弹性、并存在初始装配过盈量或预加载荷来实现的。载荷来实现的。，图图4-13所示密封环在自由状态下的密封表面产生了所示密封环在自由状态下的密封表面产生了接触应力接触应力图图4-14，操作过程中，

16、流体压力，操作过程中，流体压力P作用在密封环暴作用在密封环暴露于介质的表面，使得密封面的接触应力增加到，露于介质的表面，使得密封面的接触应力增加到，此时此时 大于被密封的流体压力大于被密封的流体压力P，从而实现了密，从而实现了密封。封。接触应力接触应力 与介质压力与介质压力P的关系可通过分析三维应的关系可通过分析三维应力应变关系获得，其表达式为力应变关系获得，其表达式为式中式中 为弹性体材料的泊松比。对于弹性材料为弹性体材料的泊松比。对于弹性材料 ，代入得：代入得：这表明只要弹性体材料的泊松比维持在这表明只要弹性体材料的泊松比维持在0.5附近，密封的附近，密封的接触应力接触应力 总比介质压力总

17、比介质压力P高高 因此具有自动适应流因此具有自动适应流体压力变化的能力。体压力变化的能力。 O形圈的自密封机理与矩形截面的基本原理一样的。形圈的自密封机理与矩形截面的基本原理一样的。（2）. 液压往复运动用液压往复运动用O形密封圈形密封圈O形圈是液压活塞和活塞杆常用的密封件，但在应用形圈是液压活塞和活塞杆常用的密封件，但在应用中存在的主要问题：中存在的主要问题：（3）. 活塞杆密封活塞杆密封当往复运动时，密封是依靠密封件与运动活塞杆之当往复运动时，密封是依靠密封件与运动活塞杆之间流体膜的弹性流体动压效果来实现的。间流体膜的弹性流体动压效果来实现的。典型的活塞杆密封：典型的活塞杆密封：（4）.

18、活塞泄漏活塞泄漏 活塞环密封的泄漏没有活塞杆处的泄漏问题严重，活塞环密封的泄漏没有活塞杆处的泄漏问题严重，因为泄漏的液体仍处于液压缸内。不过这将导致机械因为泄漏的液体仍处于液压缸内。不过这将导致机械效率的降低，严重时会导致设备的完全失效，必需引效率的降低，严重时会导致设备的完全失效，必需引起足够的重视。起足够的重视。 对于单作用活塞，一侧高压流体，一侧低压流体，对于单作用活塞，一侧高压流体，一侧低压流体，密封唇口在外侧，以实现活塞与液压缸壁的密封。密封唇口在外侧，以实现活塞与液压缸壁的密封。 对于双作用活塞，两侧均为高压流体。要求密封对于双作用活塞，两侧均为高压流体。要求密封结构对径向平面对称

19、。结构对径向平面对称。中间空腔内会产生足够的流体动压力来减轻密封面中间空腔内会产生足够的流体动压力来减轻密封面的接触压力，从而减少摩擦。的接触压力，从而减少摩擦。（5）防尘密封）防尘密封在在外行程外行程时，时，防尘密封应当防尘密封应当允许残留的流允许残留的流体润滑膜通过，体润滑膜通过，而在而在内行程内行程时时该流体膜不能该流体膜不能被除掉，允许被除掉，允许流体膜通过，流体膜通过，维持十分之几维持十分之几微米的润滑膜微米的润滑膜对减少摩擦和对减少摩擦和磨损是十分必磨损是十分必要的。要的。4.2.2 气动密封气动密封图图4-28表示了表示了气动气缸的主气动气缸的主要构件，其密要构件，其密封构件有：

20、活封构件有：活塞杆密封、活塞杆密封、活塞密封、防尘塞密封、防尘密封、冲程终密封、冲程终了刹车系统的了刹车系统的衬垫密封。衬垫密封。（1）. 基本要求基本要求 对于气动气缸，摩擦问题是最重要的，气体的泄对于气动气缸，摩擦问题是最重要的，气体的泄漏降为其次。密封件的润滑问题是气动密封的设计要漏降为其次。密封件的润滑问题是气动密封的设计要点。点。 对于很多场合，不允许对气动设备进行油雾润滑，对于很多场合，不允许对气动设备进行油雾润滑，解决方案是采用无油空气。在整个设备周期内，润滑解决方案是采用无油空气。在整个设备周期内，润滑膜均存在而无需维护。膜均存在而无需维护。（2）. 气动密封典型唇口结构气动密

21、封典型唇口结构图图4-30为典型弹性体气动密封唇口部位的两种结为典型弹性体气动密封唇口部位的两种结构，其初始接触应力决定于密封与其偶合密封面构，其初始接触应力决定于密封与其偶合密封面的过盈量。密封的接触应力随气体压力的增加而的过盈量。密封的接触应力随气体压力的增加而增加，即具有自紧作用，不过这也将导致摩擦力增加，即具有自紧作用，不过这也将导致摩擦力的增加。的增加。现代气动技术的发展，要求气动密封的现代气动技术的发展，要求气动密封的润滑持久润滑持久、有效和抗腐蚀有效和抗腐蚀，能实现，能实现无油润滑无油润滑。（3）. 常见气动密封形式及特点常见气动密封形式及特点1. O形圈形圈与液压往复运动与液压

22、往复运动O形圈密封相比，相同断面尺寸的形圈密封相比，相同断面尺寸的O形圈，气动密封的沟槽尺寸要窄、要深，其目的是减形圈，气动密封的沟槽尺寸要窄、要深，其目的是减少对密封圈的压缩作用，以降低摩擦阻力。少对密封圈的压缩作用，以降低摩擦阻力。X形密封圈减少了接触面，并在两接触角间可储存润形密封圈减少了接触面，并在两接触角间可储存润滑剂，有利于减少摩擦和改善润滑。滑剂，有利于减少摩擦和改善润滑。2. 唇形气动密封唇形气动密封用于液压的唇形密封圈，也可以用于气动往复密封，用于液压的唇形密封圈，也可以用于气动往复密封，只不过气动密封的沟槽深度要大一些，其目的是减少只不过气动密封的沟槽深度要大一些，其目的是

23、减少密封圈的压缩率以降低摩擦。密封圈的压缩率以降低摩擦。气动专用的唇形密封圈，与液压密封圈相比，唇口较气动专用的唇形密封圈，与液压密封圈相比，唇口较薄，接触部位隆起。薄，接触部位隆起。（3）方形圈气动密封）方形圈气动密封 （4）. 无油润滑气动密封无油润滑气动密封4.2.3 活塞和活塞杆密封活塞和活塞杆密封活塞与气缸内表面活塞与气缸内表面的密封由活塞环来实现；的密封由活塞环来实现；活塞杆活塞杆与缸体与缸体的密封一般由填料密封来实现的密封一般由填料密封来实现1. 活塞密封活塞密封活塞环活塞环活塞环是依靠活塞环是依靠阻塞阻塞和和节流机理节流机理工作的接触式动密封。工作的接触式动密封。（1）活塞环密

24、封的基本原理）活塞环密封的基本原理图图a表示自由状态的活塞环。由于环本身的张力，迫表示自由状态的活塞环。由于环本身的张力，迫使环的开口端向外扩张而使环的外侧贴紧缸壁，形成使环的开口端向外扩张而使环的外侧贴紧缸壁，形成第一密封面第一密封面。当施加系统压力当施加系统压力P后，环被推向泄漏的方向，与活塞后，环被推向泄漏的方向，与活塞环槽的侧面形成第二次接触密封，如图环槽的侧面形成第二次接触密封，如图b,构成构成第二密第二密封面。封面。如果活塞环处于中间位置，不与槽的侧壁形成第二如果活塞环处于中间位置，不与槽的侧壁形成第二密封面，则发生泄漏，如图密封面，则发生泄漏，如图c.当气体压力当气体压力P起作用

25、时，作用在环外侧的气体压力起作用时，作用在环外侧的气体压力增强了一次接触密封。增强了一次接触密封。总接触压力包括环的总接触压力包括环的初始接触压力初始接触压力和和气体压力产生气体压力产生的接触压力。的接触压力。通常气体压力产生的接触压力较大，是形成轴向和通常气体压力产生的接触压力较大，是形成轴向和径向密封阻力的主要原因。径向密封阻力的主要原因。但当气体压力较小时，则环的张力可能是主要的。但当气体压力较小时，则环的张力可能是主要的。（2）活塞环的作用）活塞环的作用活塞式压缩机分为活塞式压缩机分为油润滑油润滑压缩机和压缩机和无油润滑无油润滑压缩机。压缩机。1. 油润滑活塞环油润滑活塞环2.无油润滑

26、活塞环无油润滑活塞环4.2.3 旋转轴唇形密封旋转轴唇形密封唇形密封唇形密封结构简单、紧凑、摩擦阻力小，对无结构简单、紧凑、摩擦阻力小，对无压或低压环境的旋转轴密封可靠压或低压环境的旋转轴密封可靠1 .唇形密封唇形密封（1）无压旋转轴唇形密封）无压旋转轴唇形密封1). 基本概念基本概念下图给出了从填料密封到唇形密封的发展过程。下图给出了从填料密封到唇形密封的发展过程。2. 密封唇的几何形状密封唇的几何形状下图为现代弹性体径向唇形密封的机构图，柔性环状下图为现代弹性体径向唇形密封的机构图，柔性环状隔膜的一端为密封唇口，另一端与金属骨架固联。隔膜的一端为密封唇口，另一端与金属骨架固联。密封面由两个相交的锥面形成。油侧的接触角要明显密封面由两个相交的锥面形成。油侧的接触角要明显大于空气侧的接触角。大于空气侧的接触角。下图分别表示了唇形密封正常安装和反向安装的情况。下图分别表示了唇形密封正常安装和反向安装的情况。3. 密封界面的特征密封界面的特征主要有密封界面接触载荷、弹性体的初始磨损、轴主要有密封界面接触载荷、弹性体的初始磨损、轴的表面粗糙度及密封接