第四章 填料密封

1.基本结构
与机械密封相比，软填 料密封——优点：结构 简单、价格便宜、加工 方便、装拆容易和使用 范围很广。缺点：填料 与轴或杆表面摩擦和磨 损较大，造成材料和功 率消耗大。 填料密封要允许一定的 泄漏量，为了润滑摩擦 部位并带走摩擦热，降 低材料磨损，延长使用 寿命。
2.软填料的分类、材料和结构
（4-8）
（4-9）
（3）泄漏率
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
下式计算
Q Dph03 12 L
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。
（4）磨损与润滑
由于摩擦引起的磨 损是软填料密封中 的一个突出问题。 除了填料磨损外， 转轴或往复杆也同 样发生磨损。正常 装填的填料在压盖 处磨损较大，向内 逐渐减小，而装填 不好的填料出现如 图4-7所示的异常磨 损状况。
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。
（3）方形圈气动密封
（4）. 无油润滑气动密封
4.2.3 活塞和活塞杆密封
活塞与气缸内表面的密封由活塞环来实现；活塞杆 与缸体的密封一般由填料密封来实现
1. 活塞密封—活塞环
活塞环是依靠阻塞和节流机理工作的接触式动密封。 （1）活塞环密封的基本原理
r x Ka (x)
根据微元填料的轴向的力的平衡：
D2 d 2
4
gda x K1 f1d K2 f2Dga x dx
f1, f2 —填料与轴和填料与填料函壁的摩擦系数 （4-1）
K1, K2 —填料与轴和填料与填料函壁的侧压系数
将上式积分得：
，
代入得：
这表明只要弹性体材料的泊松比维持在0.5附近，密封的 接触应力 总比介质压力P高 因此具有自动适应流 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。
（2）. 液压往复运动用O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 中存在的主要问题：
（3）. 活塞杆密封
3. 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 的表面粗糙度及密封接触面的润滑。
4. 动力密封机理
下图揭示了弹性体唇形密封的动密封能力。“回泵送” 就是唇形密封的“动力密封机理”。
实验过程：
1）稍许干运转，测量干摩擦转矩；2）停止运转，在 空气侧注以一定量的润滑油；3）重新开始运转，摩 擦力矩明显降低，同时油膜被渐渐地泵送到密封的另 一侧；4）最后，当所有的油被送到油侧一边后，摩 擦力矩又突然增加。 结论——如果唇形密封是近似对称的，或者接触面不 能形成必需的微突体或棱脊，那么，唇形密封并不会 产生明显的回泵送现象。
图a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 第一密封面。
当施加系统压力△P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b,构成第二密 封面。 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c.
当气体压力△P起作用时，作用在环外侧的气体压力 增强了一次接触密封。
（3）. 常见气动密封形式及特点
1. O形圈 与液压往复运动O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 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 滑剂，有利于减少摩擦和改善润滑。
2. 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， 只不过气动密封的沟槽深度要大一些，其目的是减少 密封圈的压缩率以降低摩擦。
总接触压力包括环的初始接触压力和气体压力产生 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 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。
（2）活塞环的作用 活塞式压缩机分为油润滑压缩机和无油润滑压缩机。 1. 油润滑活塞环 2.无油润滑活塞环
4.2.3 旋转轴唇形密封
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。
（2）. 气动密封典型唇口结构
图4-30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 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 的增加。
现代气动技术的发展，要求气动密封的润滑持久、 有效和抗腐蚀，能实现无油润滑。
• a：分类 • 按功能、材料和加工方法等分类。 • b：材料 • 实际软填料由基体材料和辅助材料组成，基体材
料用于满足耐热性、化学稳定性方面的要求，而 辅助材料则满足润滑性、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。
由以上分析可知，填料预紧后的径向接触应力与 泄漏流体压力的分布规律恰恰相反。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 间的径向应力足以使介质不可能沿其流动，即填 料函底部的径向应力不小于泄漏流体的压力P。即：
ri L K1a L K1geL p
ro L K2a L K2geL p
图4-28表示了 气动气缸的主 要构件，其密 封构件有：活 塞杆密封、活 塞密封、防尘 密封、冲程终 了刹车系统的 衬垫密封。
4.2.2 气动密封
（1）. 基本要求
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 点。
对于很多场合，不允许对气动设备进行油雾润滑，
唇形密封——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
1 .唇形密封
（1）无压旋转轴唇形密封
1). 基本概念 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
下图为现代弹性Leabharlann Baidu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。
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。 下图分别表示了唇形密封正常安装和反向安装的情况。
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。 典型的活塞杆密封：
（4）. 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， 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 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， 密封唇口在外侧，以实现活塞与液压缸壁的密封。
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。
对液压密封的基本要求如图所示：
2. 弹性体密封的基本原理
以橡胶O形圈密封为代表，介绍弹性体密封的基本 原理。 （1）自密封机理 弹性体密封的“自动密封”或称“自密封”是依靠 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。
径向应力 r

K a
，K称为侧压系数，小于零，
是
a
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 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。
假设所有的填料环是一样的，K和压缩无关。取一dx微 元的填料，则该微元的径向接触应力为
g pe2 fKL/t / K （4-7）
（2）摩擦力和摩擦力矩
作用在填料轴向微元上的摩擦力：
dFt fcdr x dx fcdK ge fKx/tdx
对上式积分，得到填料与轴的总摩擦力：
Ft
fcKd
L 0

g
e
fKx
/t

dx
摩擦力矩则为
4.1.3 软填料密封结构的设计 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， 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 3. 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； 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 的作用。 5. 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
4.2 往复密封
往复密封——是指用于过程机械作往复运动机构 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。
4.2.1 液压密封
1. 对液压密封的基 本要求
一般的液压密封 指液压缸活塞密封和 活塞杆密封。当范围 更广、要求更严时， 还包括防止灰尘或外 界液体进入系统的防 尘密封。支撑环起到 类似滑动轴承的作用， 支撑侧向载荷，维持 液压密封同心的作用。
a x gex
（4-2）

—系数，

4
f1K1d D2
f2K2D
d2
所以，填料与轴和填料函之间任意x处的径向应力：
ri x K1a x K1gex ro x K2a x K2gex （4-3）
上式表明填料与轴和填料函之间的径向应力在压盖 出最大，并以指数规律向填料函底递减。
4.1.2 软填料密封的原理
（1）应力特征
在预装填料的填料函中，流体可能的泄漏通道主要是 穿过软填料材料本身的渗漏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间隙的泄漏。
对于填料材料本身的渗漏，可以通过以下解决：一、 压缩时软填料被压实，二、通过改变填料材料或结 构
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
图4-13所示密封环在自由状态下的密封表面产生了 接触应力
图4-14，操作过程中，流体压力P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， 此时 大于被密封的流体压力P，从而实现了密 封。
接触应力 与介质压力P的关系可通过分析三维应 力应变关系获得，其表达式为
，
式中 为弹性体材料的泊松比。对于弹性材料
（4-4）
由上式可得到保证软填料密封所需要的压盖压力为：
g peL / K1 （4-5）
当轴回转时，填料与轴摩擦的轴向分量为零 f1 0 仅与填料与填料函内壁的摩擦 f f2
并假设 K K1 K2,D d / 2 D,
则式4-3、式4-5可简化为：
r x ro x ri x Kge fKL t （4-6）
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。
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。
（5）．防尘密封
在外行程时， 防尘密封应当 允许残留的流 体润滑膜通过， 而在内行程时 该流体膜不能 被除掉，允许 流体膜通过， 维持十分之几 微米的润滑膜 对减少摩擦和 磨损是十分必 要的。
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，流体压力沿轴向的分布出现两种不同的状 况。 一. 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 到节流的作用，所以流体压力（p）沿填料长度呈非 线性规律分布，如图4-6（a）所示。
二. 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 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4-6（b）
第四章 过程机械密封
4.1.1 引言
4.1 填料密封
填料密封——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、 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 封。 填料密封依其采用的密封填料的形式分为软填料密封 和硬填料密封，本节主要介绍软填料密封。
因此，填料与运动的轴或杆之间的泄漏或逸散成为填 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 止的，没有密封介质压力存在。
螺栓伸长时产生一轴向力 Fg ，压盖压力 g Fg A，
A为填料函的环形截面积，A 0.785 D2 d 2 。
填料具有粗糙的表面，且是可压缩的材料