密封技术第二章 填料密封

4. 偏摆或振动的影响
某些机器（如压缩机等）或设备（如反应釜等）在工作时， 轴有较大的振动和偏摆，轴与旋转中心之间将会出现较大偏
心。如图所示，若轴的中心与旋转中心不重合，偏心距为e， 则轴与填料之最大间隙就为2e，最小间隙为零。间隙沿圆周
的分布象月牙形。月牙形的间隙位置随着轴的转动而周期性 变化，因此起到了类似容积泵的增压作用，这对密封是非常 不利的。
（二）常用软填料
1. 典型的软填料结构形式
（1）绞合填料
绞合填料是把几股纤维绞合在一起，将其填塞在 填料腔内用压盖压紧，即可起密封作用，常用于低压 蒸汽阀门，很少用于转轴或往复杆的密封。用各种金 属箔卷成束再绞合的填料，涂以石墨，可用于高压、 高温阀门。若与其它填料组合，也可用于动密封。
（2）编织填料 编织填料是软填料密封采用的主要形式，它是将填料
材料进行必要的加工而成丝或线状，然后在专门的编织机 上按需要的方式进行编结而成，有发瓣编织、套层编织、 穿心编织、夹心编织等。
聚四氟乙烯纤维编织
柔性石墨穿心编织填料
黑白四氟编织填料
含油白四氟编织填料
（3）叠层填料
是在石棉或其它纤维编织的布上涂抹黏结剂，然 后将一层层叠合或卷绕，加压硫化后制成填料，并在 热油中浸渍过。最高使用温度可达120130℃,密封性 能良好。可用于120℃以下的低压蒸汽、水和氨液，主 要用作往复泵和阀杆的密封，也可用于低速转轴轴封。 当涂敷硬橡胶时，还可用于水压机的活塞杆。因它含 润滑剂不足，所以在使用时必须另加润滑剂。
（二）压紧载荷与压盖螺栓尺寸
1. 填料的压紧载荷确定
图2-6 填料受力分析图
2. 压盖螺栓尺寸的确定
首先要确定螺栓的载荷F，即取F 、F 中的较大者， 则压盖螺栓的螺纹根径db
db
4F
nπ
三、密封材料的选择
（一）对软填料密封材料的要求
（1）有较好的弹性和塑性。 （2）有一定的强度，使填料不至于在未磨损前先损坏。 （3）化学稳定性高。 （4）不渗透性好。 （5）导热性能好，易于迅速散热，且当摩擦发热后能承 受一定的高温。 （6）自润滑性好，耐磨损，并且摩擦系数低。 （7）填料制造工艺简单，装填方便，价格低廉。
二、主要参数
（一）填料函的主要结构尺寸
填料函结构尺寸主要有填料厚度、填料总长度（或高 度）、填料函总高度等 。
填料函尺寸确定一般有两种方法
1.查表法
以轴（或杆）的直径d按表 2-2直接选取填料的厚度B，见， 再由介质压力按表 2-3 来确定填料的环数。
依据：有关的国家标准或者企业标准。
2.经验公式法
良好的软填料密封即是“轴承效应”和“迷宫效应”的综 合。
适当的压紧力使轴与填料之间保持必要的液体润滑膜，可 减少摩擦磨损，提高使用寿命 。
压紧力过小，泄漏严重，而压紧力过大，则难以形成润滑 液膜，密封面呈干摩擦状态，磨损严重。密封寿命将大大 缩短。
因此如何控制合理的压紧力是保证软填料密封具有良好密 封性的关键。
通常软填料密封主要是根据介质的性质、工作温度和工作压 力、滑动速度以及填料的性质来选择。其中尤以介质的腐蚀 性、压力、滑动速度和使用温度最为重要，此外，取材难易 与价格也应适当考虑。选择时可参考表2-6和表2-7。
四、软填料密封存在的问题与改进
（一）存在的问题
1.受力状态不良
2.散热、冷却能力不够
2. 主要材料
有纤维质材料和非纤维质材料两大类 （1）纤维质材料 1）天然纤维 2）矿物纤维 3）合成纤维 ①聚四氟乙烯纤维 ②碳纤维 ③酚醛纤维 ④芳纶纤维 4）陶瓷和金属纤维
（2）非纤维质材
非纤维质材料中柔性石墨应用较广。 柔性石墨做成板材后模压成密封填料使用。柔性石墨又 称膨胀石墨，它是把天然鳞片石墨中的杂质除去，再经
第二章 填料密封
填料密封 在轴与壳体之间用弹、塑性材料或具有弹性结构的元 件堵塞泄漏通道的密封装置。
填料密封
软填料密封 硬填料密封 成型填料密封 油封
第一节 软填料密封
软填料密封又叫压盖填料密封，俗称盘根。它是一种填塞环 缝的压紧式密封，是世界上使用最早的一种密封装置，在中 国已有上千年的历史。
（1）改进径向压紧力的结构 使填料沿填料函长度方向的径向压紧力分布尽可能均匀，并且与泄 漏介质的压力分布趋势尽可能一致。其主要目的是减小轴和填料的 磨损及其不均匀性，同时满足对密封的要求。可采取以下措施： ①采用变截面的阶梯式结构
从压盖起到底环处填料截面逐段 缩小而径向压力逐渐增大接近介 质压力分布。
它最早是以棉、麻等纤维填塞在泄漏通道内来阻止液体泄 漏，主要用作提水机械的密封。国外迟至1782年才使用填 料，当时作为蒸汽机的轴封来密封压力为0.05MPa的蒸汽。 软填料密封结构简单、成本低廉、拆装方便，故至今仍应用 较广，特别是近年来出现了一些新结构和新材料，又有了新 的发展。
软填料密封通常用作旋转或往复运动的元件与壳 体之间环形空间的密封，如离心泵、转子泵、往 复泵、搅拌机及反应釜的轴封，还有阀门的阀杆 密封，管线膨胀节、换热器浮头及其它设备的密 封。
实验表明，组合填料一般比各组分单一填料的密 封性能好。同样填料的组合方式不同，工作寿命也 不同。为得到最佳密封效果，填料组装应符合下列 原则：组合填料各圈由压盖到密封箱底，填料的侧 压系数有增大趋势，填料的摩擦系数依次减小，表 示压力下降速度的填料综合系数呈减小趋势。
（2）对填料预压成型
填料预压成型就是对填料先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，在相同的压盖压力下，抵抗介质压 力的能力增强，变形减少，介质泄漏的阻力增大，密封效果明显改 善。
表2-1 一般转轴用软填料密封的允许泄漏率
轴径/mm
允许泄漏率/
（ml/min）
25
40
50
60
起动30min 内
24
30
58
60
正常运行
8
10
16
20
转速3600r/min，介质压力0.10.5MPa
5.轴作往复运动时填料径向受力状态
由受力分析可知，对于往复运动的密封，要求填 料组织致密或进行预压缩，以提高密封性能。
填料经过预压缩后，与未经预压 缩的相比，装入填料函后其径向压力 分布比较均匀合理，密封效果提高。
预压缩的比压应高于介质压力， 其值可取介质压力的1.2倍。预压后 填料应及时装入填料腔中，以免填料 恢复弹性。如果进行预压缩时，对填 料施加的压力不同，靠近压盖的填料 压力小，离压盖越远则预压缩压力越 大，这样的填料装入填料函压紧后其 径向压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。
泥状混合填料密封的特点是：无泄漏，密封可靠，对轴（或 轴套）无磨损；安装简单，维修时可在线修复，降低了劳动强度； 不需要冲洗和冷却；轴功率损耗小，只有普通软填料密封的22% 左右。目前国内使用较多的泥状混合填料主要有SR900、
CMS2000和BP720、BP920等，其相关参数见表2-8 。
2. 改进密封结构
（4）模压填料
模压填料主要是将软填料材料经过一定形状的模压制成 相应形状的填料环而使用。图2-7（g）所示为由柔性石墨带 材一层层绕在芯模上然后压制而成，根据不同使用要求，将 采用不同的压制压力。这种填料致密，不渗透，自润滑性好， 有一定弹塑性，能耐较高的温度，使用范围广，但柔性石墨 抗拉强度低，使用中应予注意。
填料厚度B
机器 B=(1.52.5)
阀门 B=(1.42.0)
填料函内径D
D=（d=（68）B +h+2B
阀门 H=（58）B +2B
式中 h封液环高度，h=（1.52）B。
填料函内壁的表面粗糙度Ra1.6m，轴（杆）的表面粗 糙度Ra0.4m，除金属填料外，轴（杆）表面的硬度 180HBS。
软填料密封中，滑动接触面较大，摩擦产生的热量较 大，而散热时，热量需通过较厚的填料，且多数软填料的 导热性能都较差。摩擦热不易传出，致使摩擦面温度升高， 摩擦面间的液膜蒸发，形成干摩擦，磨损加剧，密封寿命 会显著降低。
3.自动补偿能力较差 软填料磨损后，填料与轴杆、填料函内壁之间的间隙
加大，而一般软填料密封结构无自动补偿压紧力的能力， 随着间隙增大，泄漏量也逐渐增大。因此，须频繁拧紧压 盖螺栓。
3.密封原理
(1)迷宫效应 由于加工等原因，轴表面总有些粗糙度，其与填料只能是部 分贴合，而部分未接触，这就形成了无数个不规则的微小迷 宫。当有一定压力的流体介质通过轴表面时，将被多次引起 节流降压作用，这就是所谓的“迷宫效应”，正是凭借这种 效应，使流体沿轴向流动受阻而达到密封。
(2)轴承效应 填料与轴表面的贴合、摩擦，也类似滑动轴承，故应有足够 的液体进行润滑，以保证密封有一定的寿命，即所谓的“轴 承效应” 。
②双填料函分段式压紧结构
如图(b)所示，两个填料函轴向叠加，使后箱体底端 兼作前箱体压盖，当填料环总数较多时，将其分段 装入前后箱体内，使压紧力较为均匀，可适当提高 其密封能力。
（3）采用新型密封填料-泥状混合填料
泥状混合填料是一种新型的密封填料，它由纯合成纤维、 高纯度石墨或高分子硅脂、聚四氟乙烯、有机密封剂进行混 合，形成一种无规格限制的胶泥状物质。
在轴的运转过程中，泥 状混合填料由于分子间吸引 力极小，具有很强的可塑性， 可以紧紧缠绕在轴上，并随 轴同步旋转，形成一个“旋 转层”；随着“旋转层”的 直径逐步增大，轴对纤维的 缠绕能力逐步减小，没有与 轴缠绕的填料则与填料函保 持相对静止，形成一个“不 动层”，如上图所示。这样 在泥状混合填料中间形成一 个剪切分层面，而不是填料 与轴之间。
需要强调：填料环数过多和填料厚度过大，都会使填料对 轴或轴套表面产生过大的压紧力，并引起散热效果的降低， 从而使密封面之间产生过大的摩擦和过高的温度，并且其 作用力沿轴向的分布也会越不均匀，导致摩擦面特别是轴 或轴套表面的不均匀磨损，同时填料也可能烧损，如果密 封面间的润滑液膜也因此而被破坏，磨损就会随之加速， 最后造成密封的过早失效，也会给后面的检修、安装、调 整等工作带来很大的不便。
4.软填料密封的压力分布
由外端（压盖） 向内端，先是急 剧递减后趋平缓
由内端逐渐 向外端递减
填料径向压力的分布与介质压 力的分布恰恰相反，内端介质 压力最大，应给予较大的密封 力，而此时填料的径向压紧力 恰是最小，故压紧力没有很好 的发挥作用。
实际应用中，为了获得密封性 能，往往增加填料的压紧力， 亦即在靠近压盖端的23圈填 料处使径向压力最大，当然摩 擦力也增大，这就导致填料和 轴产生异常磨损。
能适应各种旋转运动、往复运动和螺旋运动的元 件密封。
一、基本结构及密封原理
1.基本结构
无封液环
有封液环
4. 轴封装置
软填料是在变形 时依靠合适的径 向力紧贴轴和填 料函内壁表面， 以保证可靠的密 封。
2.泄漏的途径
A:流体穿透纤维材料编织的软填料本身的缝隙而出现渗漏 B:流体通过软填料与填料函内壁之间的缝隙而泄漏 C:流体通过软填料与运动的轴（转动或往复）之间的缝隙 而泄漏
强氧化混合酸处理后成为氧化石墨。氧化石墨受热分
解放出CO2，体积急剧膨胀，变成了质地疏松、柔软而 又有韧性的柔性石墨。 特点 ： ①有优异的耐热性的耐寒性 ②有优异的耐化学腐蚀性 ③有良好的自润滑性 ④回弹率高
（三）软填料密封材料的选择
首先应当指出的是，由于操作条件的复杂，特别是不存在能 适应所有工艺条件的通用的填料类型，也就是说填料材料的 选择是没有特定规律的，但材料的正确选用是保证密封装置 密封性能的最基本条件之一。
（二）改进措施
1.提高密封填料性能
（1）采用填料的组合使用 即采用不同种类密封填料分段混合配置。不同的填料其侧压系数
和回弹性能不同，通过合理的选择不同的填料进行组合，可以极大 地提高其密封效果。例如，对于柔性石墨由于其抗拉及抗剪切能力 较低，所以一般将柔性石墨填料与石棉填料或碳纤维填料组合使用， 这样既可防止柔性石墨填料被挤入轴隙，强烈磨损而引起介质泄漏， 又可使填料径向压力分布均匀，增进密封效果。
填料的异常磨损
填料密封的受力状况很不合理。
另外，整个密封面较长，摩擦面积大，发热量大， 摩擦功耗也大，如散热不良，则易加快填料和轴 表面的磨损。因此，为了改善摩擦性能，使软填 料密封有足够的使用寿命，则允许介质有一定的 泄漏量，保证摩擦面上的冷却与润滑。
一般转轴用软填料密封的允许泄漏率如表2-1所示。