魏龍

（南京化工職業技術學院）

摘　要：針對臥式軸流泵（bèng）傳統軟填料密封的基本結構及密封原理（lǐ），分析了軟填料密封存在的問題，提出了從提高密封填料性（xìng）能和改進密封結構來改善密（mì）封效果和提高使用壽命的幾種（zhǒng）措施。

關鍵詞：軟填料密封；盤根；骨架油封；軸流泵（bèng）；臥式軸（zhóu）流泵

一、引言（yán）

軟填料密（mì）封（fēng）又叫壓蓋填料密封，俗稱（chēng）盤根(Packing)。它是一種填塞環縫（féng）的（de）壓緊式（shì）密封，是世界上使（shǐ）用Z早的一種密封裝置。軟填料密（mì）封（fēng）通常用作旋轉或往複運動的元件與軸封箱之間環形空間的密封，如離心（xīn）泵、轉子泵、往複（fù）泵（bèng）、攪拌機及（jí）反應釜的軸封，還有閥門的（de）閥杆（gǎn）密封，管線膨脹節、換熱器浮頭及其（qí）他設備的密封（fēng）。它能適應各種旋轉運動、往複運動、螺旋運動及靜止元件的密封（fēng），加之結構簡單，成本低廉，拆裝方便，故（gù）至今仍應用較廣。但也存在著密封性能差，功率消耗大，工作壽命短等（děng）不足。

二（èr）、軟填料密封的基本結構及密封原理

圖1為一典型結構的軟填料密封。軟填料裝在填料箱內，壓蓋通過壓蓋螺栓軸向（xiàng）預緊力的（de）作用使軟填料產生軸向（xiàng）壓縮變形（xíng），同（tóng）時引（yǐn）起填料產生徑向膨脹的趨勢，而填料（liào）的膨脹又受到填料箱內壁與軸表麵的阻礙作用，使其與（yǔ）兩表麵之間產生緊貼（tiē），間（jiān）隙被填塞而達到密封（fēng）。即，軟填料是（shì）在變（biàn）形時（shí）依靠合適的（de）徑向力緊貼軸（zhóu）和填料箱內壁表麵，以保證可（kě）靠（kào）的密（mì）封。

填料與運動的軸之間因有（yǒu）相對運動，難免存在微小間隙而造成泄（xiè）漏，此間隙即（jí）為主要泄漏通道。填料裝入填料箱內以後（hòu），當擰緊壓蓋螺栓（shuān）時，柔性軟填料受壓蓋的軸向壓（yā）緊力作用產生彈塑性變形而沿徑向擴展（zhǎn），對軸產生壓緊力，並與軸緊密（mì）接觸。但由於加工等原因，軸（zhóu）表（biǎo）麵總有一定的表麵（miàn）粗（cū）糙度，其（qí）與填料隻能是部分貼合（hé），而部分未接觸，這就形成了無數個（gè）不（bú）規則的微小迷宮。當有一定壓力的（de）流體介質通過軸（zhóu）表麵時，將被（bèi）多次引起節流降壓作用，這就是所謂的（de）“迷宮效應”，正是憑借這種效應，使流體沿軸向流動受阻而達到密封。填料與軸表麵的貼合（hé）、摩擦，也（yě）類（lèi）似滑（huá）動軸承，故應有足夠的液體進行潤滑，以（yǐ）保證密封有一定的壽命，即所謂的“軸承效應”。

顯然良（liáng）好的軟填料密封即是（shì）“軸（zhóu）承效應”和（hé）“迷宮效應”的綜合。適當的壓緊力使軸與填料之間保持必要的（de）液（yè）體潤滑膜，可減少摩擦（cā）磨損，提高使用壽命。壓緊力過（guò）小，泄漏嚴重，而壓緊力（lì）過大，則難以（yǐ）形成潤滑液膜，密封麵呈幹摩擦（cā）狀態（tài），磨損嚴重，密封壽（shòu）命將大大縮短。因此如何控製合理的壓緊力是（shì）保證軟填（tián）料密封具有良好密封性的關鍵。

三、軟填料密（mì）封（fēng）存在的問題

傳統軟（ruǎn）填料密封主要存（cún）在以下幾個方麵問題。

1.徑向（xiàng）壓力分（fèn）布不均，摩擦磨損（sǔn）嚴重

由（yóu）於填料是彈塑性體，當受到軸向壓緊（jǐn）後，產生摩擦力致使壓緊力沿軸（zhóu）向逐漸減少，同時所（suǒ）產生的徑向壓（yā）緊力使填料緊貼於軸表麵而（ér）阻止介質外漏。如圖2所示，徑向壓緊壓力的分布由外端(壓蓋)向內端，先（xiān）是急劇遞減後趨平緩，被（bèi）密封（fēng）介質壓力的分布由（yóu）內端逐漸（jiàn）向外端遞減，當外端介質壓力（lì）為零時，則泄漏很少，大於零（líng）時泄漏較大川。由此可見，填料徑向壓力的分布與介質壓力的分布恰恰相（xiàng）反，內（nèi）端介質壓力（lì）Z大，應給予較（jiào）大的密封力，而此處填料的徑向壓緊力恰是Z小（xiǎo），故壓緊力沒（méi）有（yǒu）很好的發揮作用。實際應用（yòng）中（zhōng），為了獲得密封性能，往往增加（jiā）填料的（de）壓緊力，亦即在靠近壓蓋端的2-3圈填（tián）料（liào）處（chù）使徑（jìng）向壓力Z大(約為平均壓緊力的2-3倍)，當然摩擦力也增大，這就導致填料和軸產生如圖3所示的異常磨損情況，嚴重影響了密封工作的穩定性。填料圈數越多，軸向高度越大，比壓（yā）越不均勻。

2.散（sàn）熱、冷卻能力不夠

軟填料（liào）密封中，滑（huá）動接觸麵較大，摩擦產（chǎn）生的熱量較（jiào）大，而散熱時，熱量需（xū）通過較厚的填（tián）料，且多數軟填料的（de）導熱性能都較差。摩擦（cā）熱（rè）不易傳出，致使摩擦麵溫度升高，摩擦麵間的液膜蒸發，形成幹摩擦，磨損加劇，密封壽命會顯著降低。

3.應力（lì）鬆弛現象嚴重，密封工作的（de）穩定性差

由密封填料的勃（bó）彈性分析可知，在恒定（dìng）應變作用下，密（mì）封填料產生明顯的應力鬆弛，嚴重的應力鬆弛（chí）必然導致軟（ruǎn）填（tián）料密封的早期失效。傳統（tǒng）的軟填料密封，螺栓所（suǒ）施（shī）加給填料的預緊力是恒定的，由於磨損引起填料的壓縮變形量稍有減少，就會加劇填料的應力鬆弛，從而降低了密封工作的穩定性和可靠性。

4.自（zì）動補償能力較差

軟填料（liào）磨損後，填料與軸杆、填料箱內壁之間的間隙加大，而傳統軟填料密封結構無自動補償（cháng）壓緊力的能力，隨著間隙增大，泄漏量（liàng）也逐漸增大。因此，須頻繁地擰緊壓蓋（gài）螺栓。

5.偏擺或振動的影響（xiǎng）

某些機器(如壓（yā）縮機等)或設（shè）備(如反應釜等)在工作（zuò）時，軸有較大的振動和偏擺，軸與（yǔ）旋轉中心之間將會出現較大偏心。如（rú）圖4所示，若軸的中（zhōng）心與旋轉中心不重合，偏心距為e，則軸與填料之Z大間隙就為2e，Z小間隙為零。間隙沿圓周的分布像月牙形。月牙形的（de）間隙位置隨著軸（zhóu）的轉動而周期性變化，因此起到了類似（sì）容積泵的增壓作用，這（zhè）對密封是非常不（bú）利的。

四、改進措施

1.提（tí）高密（mì）封填料（liào）性能

(1)采用填料（liào）的組合使用

即采用不同種類（lèi）密封填料分段混合配置。不同的填料其側壓係數和回彈（dàn）性能（néng）不同，通過合理選擇不同的填料進行組合，可以極大地提高（gāo）其密封效果（guǒ）。例如，對於膨脹石墨由於（yú）其抗拉及抗剪切能力較低，所（suǒ）以一般將膨脹石（shí）墨填料（liào）與石棉填料或碳纖維填（tián）料（liào）組合使用，這樣既可防止膨脹石墨填料被擠人軸隙，強烈磨損而引起（qǐ）介質泄漏（lòu），又可使填料徑（jìng）向壓力（lì）分布均勻（yún），增進密封效果。

實驗表明，組合（hé）填料一（yī）般比各組分單一填料的密封性能好。同樣，填（tián）料的組合方式不同，工作壽命也（yě）不同。為得到Z佳密（mì）封效果，填料組裝應符合下列原則：組合填料各圈由壓蓋到密封箱底，填料的側壓係數有增大趨勢，填料的摩擦因數依次減小，表示壓力下降速度的填（tián）料綜合係數呈（chéng）減小趨勢。

(2)對填料預壓成形

填料（liào）預壓成形就是對填（tián）料先以一定的壓力進行（háng）預壓縮，然後再裝入（rù）填料箱。填料在經過預壓縮（suō）後，在相同的壓蓋壓（yā）力下，抵抗介質壓力的能力（lì）增（zēng）強，變形（xíng）減少，介（jiè）質泄漏的（de）阻力增大，密封效（xiào）果明顯改善。

填料（liào）經過預壓縮後（hòu），與未經預壓縮的相比，裝入填料箱後其徑向壓力分（fèn）布比較均勻合理，密封效果（guǒ）提高。預壓縮的比壓（yā）應高於介質（zhì）壓力，其值可（kě）取介質壓（yā）力的1.2倍。預壓後填料應及（jí）時裝入填料腔中，以免填料恢（huī）複彈性。如果進行預壓縮時，對（duì）填料施加的壓（yā）力不同（tóng），靠近壓蓋的填料壓力小，離（lí）壓（yā）蓋越遠則預壓縮壓力越（yuè）大，這樣的填料裝入填料箱（xiāng）壓緊後其徑向壓力分（fèn）布更接近泄漏介質沿泄漏通道的壓力分布，密封效果與壽命有很大改善。

(3)采用新型密封填料

泥狀混合填料是一種新型的密封填料，它由純合成纖維、高純度石墨或高分子矽脂、聚四氟乙烯、有機密封（fēng）劑進行（háng）混（hún）合，形成一種無規格限製的膠泥狀（zhuàng）物質。泥狀混合填料（liào）密封結（jié）構如圖5所示，在軸的運轉過程中，泥狀混合填料由於分子間吸引（yǐn）力極小，具有很強的可塑性，可以（yǐ）緊緊纏繞在軸上，並隨軸同步旋（xuán）轉，形成一個“旋轉層”;隨著“旋轉層”的（de）直（zhí）徑（jìng）逐步增大，軸對纖維的纏繞能力（lì）逐步減小，沒有與（yǔ）軸纏繞的填料則與（yǔ）填料箱保持相（xiàng）對靜止，形成一個“不動層”，如圖6所示。這樣（yàng）在泥狀混合填料中間形成一個剪切分層麵，而不是填料與軸之間。

泥狀混合（hé）填（tián）料密封（fēng）的特點是：無泄（xiè）漏，密封可（kě）靠（kào），對軸(或軸套)無磨損（sǔn）;安裝簡單（dān），維修時可在（zài）線修（xiū）複，降低了勞動強度;不需要衝洗和冷卻;軸功率損耗小，隻有普通軟填（tián）料密封的22%左右。目前（qián）國內（nèi）使用較多的泥（ní）狀混合填料主（zhǔ）要有CMS2000和BP720兩種，其（qí）相關參數如表（biǎo）1所示。

2.改進密封結構

(1)改進徑向（xiàng）壓緊力的結（jié）構

使填料沿填料箱長度方向的徑向壓緊力分布盡可能均勻（yún），並（bìng）且與泄漏介質的壓力分布趨勢盡可能一致。其主要目的（de）是減小軸和填料的磨（mó）損及其不均勻性，同時滿（mǎn）足對密封（fēng）的（de）要求。可（kě）采（cǎi）取以下措施。

a.采用變截麵的階梯式結構

如圖7a所示，從壓蓋起到底環處填料截麵逐段縮小而徑向壓力逐漸（jiàn）增大，接近介質（zhì）壓力分布。

b.雙填料箱（xiāng）分（fèn）段式壓緊（jǐn）結構

如圖b7所示，兩個填料箱軸向（xiàng）疊加，使後箱體底（dǐ）端兼作前箱體壓蓋，當填料環總數較多時，將其分段裝人前後箱體內，使壓緊力較為均（jun1）勻，可適（shì）當提高其密封能力。

c.填料壓蓋自緊式結構

如圖7c所示，利用流體介質壓力直接（jiē）作用於填料壓蓋前端（duān）麵上（shàng），以提（tí）高在介質端部的填料受（shòu）的壓緊力，也使壓緊（jǐn）力沿軸向的分布更趨於合理，當介質壓力增高時，這種作用將更強。

d.集裝式結構圈（quān）

如圖7d所示，由一組軟（ruǎn）填料（liào）環（huán）裝填在（zài）一個可以沿軸向移動的金屬套筒之中，填料（liào）和套筒預緊力由壓蓋螺栓(螺母）有彈（dàn）簧（huáng）進行調?。工作時由於介質壓力作（zuò）用在套筒底上，進一步壓縮軟（ruǎn）填料，增加了套筒內底部軟填料對軸的壓緊（jǐn）作用，從而使徑向壓（yā）緊力的分布沿軸向與密封介質的壓力分布相配（pèi）合。

e.采用分級軟填料密封結構

如圖7e所示，由軟（ruǎn）填料環、金屬環、圓柱形彈簧交替安裝組（zǔ）合而成。它通過彈簧分別調節各層填料環的（de）壓緊力，使之（zhī）得到（dào）Z佳的徑向壓緊力分布，同（tóng）時，彈簧（huáng）還可（kě）以對徑向壓緊力的鬆弛起到補償作用。

f.采用徑向加載軟填料密封結構

如圖7f所示，此密封是通過油嘴將潤滑脂擠人彈性套，從填料外圍均勻加壓，使填料沿軸方向的徑向壓緊力（lì）分布均勻。

(2)自動補（bǔ）償的軟填料密封結（jié）構

設置（zhì）補償結構，目的（de）是對填料的磨損進行及時的或自動的補償;而且拆裝（zhuāng）、檢修（xiū）方便，以縮短因此而引起的停工時間。采用液壓加載和彈（dàn）簧加載可以自動補償(如圖7c、d、e)。

a.變截麵階（jiē）梯（tī）結（jié）構（gòu）b.雙填料箱分段式壓緊結構c.填料壓蓋自緊式結構d.集裝式結構e.分級軟填料密封結構f.徑向加載軟填料（liào）密封結構

圖8所示為自動補償徑向壓緊軟填料密封（fēng）結構，具（jù）有以下優點：

①其徑向（xiàng）壓力和間隙中（zhōng）介質的壓力在數值上很接近，符合軟填料（liào）密封機理。

②和傳統軟填料密封結構相比，摩擦功耗（hào）低（dī）。

③各圈填料受壓套徑向壓力（lì）的作（zuò）用，可始終（zhōng）緊壓軸表麵，可保證有（yǒu）效密封。

④自動補償機構可連續補償（cháng）徑向壓力，提高了密封的可靠性。

⑤在同樣的密（mì）封條件下，減輕了軸與填料的磨損（sǔn），可延長軸和填料的使用（yòng）壽命。

(3)采用浮動填料箱（xiāng）的結構

圖（tú）9a、b分別為內圓和外圓可（kě）浮動（dòng）的填料箱結構，該結構適用於（yú）軸和殼體不同心或在轉動時擺動、跳動較大的場合。結構中利（lì）用彈性或柔軟性良（liáng）好的材料(如橡膠)作過渡體，起吸振作用，使（shǐ）填料箱或軸處於浮動狀態，補償殼體和軸的偏心。

五、結語

軟填料（liào）密封由於結構簡單（dān），成本低廉，拆裝方便，而且（qiě）能適應各種旋轉運（yùn）動、往複運動、螺旋（xuán）運動及靜止（zhǐ）元件的密封（fēng），因此，目前仍被廣泛使用。但傳統的軟填料密封（fēng）也（yě）存在著許多不足之（zhī）處。本文針對傳統軟填料密封的基本結構及密封原理，分析（xī）了軟填料密封存在的問題，提出了從提高密封（fēng）填料性能和改進密封結構來改善密封效果和提（tí）高使用壽命的幾種措施。隨著新型密封填料的（de）不（bú）斷出現和對軟填料密封結構及機理研究的不斷深入，軟填料密封的適用工況範圍必將（jiāng）不斷擴大（dà），密封性能及壽命（mìng）也將大幅提高。

（來（lái）源：通用機械（xiè））