填料密封

填料密封
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：①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。

②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。

③自润滑性能良好。

耐磨、摩擦系数小。

④轴存在少量偏心的，填料应有足够的浮动弹性。

⑤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/mL·min-1轴径/mm
25 40 50 60
起动30分钟内24 30 58 60
正常运行8 10 16 20
注：转速3600r/min，介质压力0.1～0.5MPa。

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p x，径向压紧力为p r，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
K 0.6～0.8 0.9～1.0 0.8～0.9
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p r≥p i，此处p i为填料腔以内的介质压力。

由于填料的塑性，P X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 u c——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p r≥p i（或Kp x≥p i），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2～4个；
[σ]——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/MPa 0.1 0.5 1 ＜1
1～
3.5
3.5～
7
7～10 ＞10
填料环数Z 4～5 5～7 6～8 3～4 4～5 5～6 6～7
7～8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）；
C r——直径间隙（m）；
η——液体的动力粘性系数（Pa·s）；
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克当量，所以Ph≈7表示中性介质；小于7的介质是酸性的；大于7
的介质是碱性的。

从填料的工作压力和运动速度选择填料可参考表29.5-18和图
29.5-12，通常软填料的压紧力小，pv值太大时容易发生烧轴现象；
硬质的金属填料可适用于较大的pv值。

图29.5-12 填料选用平面图
表29.5-17 填料的耐化学品性能
1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 棉○○
麻○○
塑性填料
白石棉○○○○
蓝石棉○○
聚四氟乙烯浸渍白石
○○○○○○
棉
聚四氟乙烯浸渍蓝石○○
表29.5-18 根据pH值选择填料
①取ф50mm的轴，计算周速υ（m/s），p为填料腔中的压力（MPa）（一般以出口压力的2/3计算）。

②可工作在常*的温度范围的填料亦可满足1.5MPa，3600r/min 和260℃以上的使用条件。

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4～8根时，装填时应使接口相互错开90°；两根填料错开180°；3～6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30～40℃），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0.05～0.10MPa。

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0.6～0.7，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
轴表面的粗糙度越高，摩擦损失越大，通常轴密封面的R a=1.6～3.2μm，最好达到R a=0.4～0.8μm，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：①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。

②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。

③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
石蜡
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-200～250℃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：①容易加工；②散热有效，接通冷却液比较方便；③留有液封孔口，且位置要恰当，便于与高压封液相联通；④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5～10mm，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=z·w+（5～10）或L1=1.2z·w；有液封环时L1=（z+2）w+（5～10）。

这里z为填料环数。

填料腔内壁的表面粗糙度取Ra=3.2～1.6μm，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。