填料平面密封的研制

王洪群， 周国忠， 徐奔驰， 孟绳续， 荆万仓

（浙江长城搅拌设备股份有限公司，浙江温州325028）

0 引言

填料密封是一种最古老的密封方式，在中国已有上千年的历史。而机械密封的出现仅仅100多年[1]。对于旋转轴的密封而言，从填料密封到机械密封可谓是个飞跃。机械密封的优越性远大于填料密封，主要体现在密封效果、能量损耗和产品寿命几个方面。随之而来的弊端是产品的制造和使用及维修要求较高，成本提高很多，价格较贵。

1 填料密封与机械密封的特点

釜用填料密封结构如图1所示。图1中所示的填料密封是现场安装的，安装法兰用于将整体填料密封装置安装到釜口。向填料箱体内装入填料，压盖轴向施压于填料，经过填料的变形产生作用于旋转轴表面的径向力从而实现密封。注油孔的作用是注入润滑剂到填料，以减少填料对轴的磨损和摩擦阻力，有利于实现密封。

图1 填料密封结构示意图

通常填料密封使用在密封要求不高的场合，这种旋转轴动密封的弊端之一是密封效果不理想，当旋转轴存在微小摆动时，填料对轴各处的追随性得不到保证从而出现泄漏；弊端之二是填料对旋转轴的磨损作用；弊端之三是摩擦阻力大引起的能量损耗较高。为了能获得更好的密封效果，填料箱内装入多层填料缠绕在旋转轴上增加了旋转轴的转动阻力和能量损耗。

图2 机械密封结构示意图

釜用机械密封结构如图2所示。图2中所示的机械密封是集装式结构，通过安装法兰将机械密封安装到釜口，轴套通过其附带的紧定螺钉固定在旋转轴上。一对密封环轴向互相接触和摩擦加上其他辅助部件共同作用实现密封。其中上面的密封环可以在一定范围内浮动并在弹簧作用下保持与下面密封环的追随贴合。通过注水孔进入密封箱体的流体用于冷却和润滑2个密封环之间的摩擦面。传动销用来把随旋转轴转动的轴套的动力传递给浮动密封环。

与填料密封相比，首先机械密封的密封效果得到了大幅度提高，填料密封泄漏量是机械密封的成百上千倍，以致于对填料密封无法制定泄漏标准要求；其次是机械密封结构不存在对旋转轴的磨损作用；最后一点是机械密封的密封摩擦阻力或能量损耗也较填料密封减少了很多。填料密封的3个弊端在机械密封这里都得到了改善，代价是制造成本随之提高。机械密封不仅增加了很多零部件，而且对每个部件的材料和加工精度要求都很严格。

2 填料平面密封工作机理分析及特点

新研制的釜用填料平面密封的一种设计结构如图3所示。填料平面密封可以像机械密封那样设计成集装式，只要将图3中的轴套和密封箱体组件与安装法兰之间做成临时连接定位，安装使用前拆卸或解锁就可以实现了，这一点和集装式机械密封安装使用一样方便。在密封方面既不像填料密封那样填料与轴大范围地贴合摩擦，也不像机械密封那样在材料和加工精度要求都很高的密封环之间有限浮动贴合，而是利用少部分填料在弹簧作用下与安装法兰端面轴向贴合摩擦即可。不难看出，这种填料平面密封在密封效果上由于其接近机械密封的弹簧使用和浮动设计，要比填料密封好得多；显然，填料平面密封和机械密封结构一样也不存在对旋转轴的磨损作用；在密封摩擦阻力或能量损耗方面也与机械密封具有类似的数量级。另外值得说明的是因为密封摩擦面的追随性好，贴合密封效果好，不用像填料密封那样装入很多填料，填料过多反而降低弹簧作用效果，只要装入的填料满足要求的更换周期即可。安装法兰上设计有油槽，工作时对摩擦面润滑冷却并提高密封效果。

3 填料平面密封设计要点及性能分析

上面概括介绍了填料平面密封与之前的填料密封和机械密封之间的比较情况和各自的特点。下面再重点探讨一下填料平面密封设计要点及性能分析。

图3 填料平面密封结构示意图

3.1 填料平面密封物美价廉

从结构、材料和加工要求与密封效果看，填料平面密封物美价廉，制造成本和销售价格上与填料密封在一个数量级。

3.2 填料平面密封安装使用维护简单

安装使用，特别是维护调节很简单，不像现场安装填料密封那样难以达到统一合适的压紧力，而且有润滑液流失补充问题；也不像机械密封那么精密和对操作技术人员要求较高。

3.3 填料平面密封的填料和填料箱是设计关键

在图3给出的设计结构中，填料高度应略高于要求的更换周期内磨损的高度。填料品种选择要根据工作温度、工作压力等诸多工况考虑。传动杆与推环是一体，在内弹簧作用下保证填料时刻与安装法兰端面贴合。外弹簧和弹簧调节装置的作用是使填料箱下端与安装法兰端面始终保持同一水平位置。工作过程中填料与填料箱在弹簧作用下保持了良好的浮动性以及对安装法兰端面的追随性。

3.4 填料平面密封的适用压力、适用温度和泄漏量等性能指标分析

传统填料密封可在30 MPa下使用，工作压力可达到普通型机械密封工作压力的4倍左右。传动机械密封的工作压力通常不高于10 MPa。填料平面密封是利用传统填料密封机理，借鉴机械密封的轴向端面密封结构设计，抗压能力类同机械密封，取决于结构强度设计。填料平面密封的工作温度同机械密封一样，取决于弹性密封圈。关于泄漏量，压紧填料密封可在10～1000 mL/h大范围内动荡，而普通型机械密封通常能达到10 mL/h以下。填料平面密封的泄漏量接近机械密封的水平，极端情况下也许会好于机械密封，这出于以下分析：

第一个直观浅显的分析理由是机械密封一对密封环之间是刚性平面接触，这种情况下多多少少一定会因为接触的两个平面的不平产生缝隙，这也是导致机械密封存在泄漏的根源。而填料平面密封是具有柔性变形的填料环与密封环之间接触密封，合适的弹簧力来确保填料对平面的浮动追随性，密封环面设计了合适的宽度，润滑液得到有效使用，在这些条件下消除泄漏通道是有可能的。

第二个判断填料平面密封泄漏量的根据是借鉴传统填料密封泄漏量经验公式：

式中：Q为泄漏量，m3/s；d为直径，m；Cr为直径间隙，m；η为液体的动力黏度系数，Pa·s；L为填料与轴的接触长度，m；Δp为填料两侧的压差，MPa。

工作时只有Cr作为变量影响泄漏量，其余都是常量。在填料平面密封的设计中正是消除或大大降低了这一泄漏间隙“Cr”才使得新研制的产品具有了突出的优越性，对泄漏量Q的减少会有可观的效果。

我们在最初立项研究时，首先考虑到填料密封和机械密封之间从性能上和价格上都跨距很大，需要一种替代产品填补其间的空白，性能和价格介于二者之间，使得设计者对轴封的选择可以做到更科学更合理，填料平面密封恰到好处地满足这个需要。此外，为了降低转动件质量，设计压力也不宜过大，比如压力上限取0.6 MPa。

3.5 填料平面密封试验和未来研究方向

按照图3所示结构设计轴径为100 mm的填料平面密封装置，在FST釜用机械密封试验台上运行试验，试验压力0.6 MPa，常温运行8 h。跟踪试验过程未发现明显泄漏，本试验仅仅定性地证明填料平面密封的可行性。填料平面密封投产前还有很多定量的试验工作待完成。尽管填料平面密封的一些优越性和设计基本点一目了然，但是因为它是个全新的旋转轴动密封技术方案，很多工作有待于今后较长时间的试验和使用验证。对于机械密封而言，在一定条件下，固体刚性密封环的微量磨损是可以测绘得到的，这便于推算其使用寿命以及一定条件下的泄漏指标。对于填料平面密封，短时间试验过程中填料的磨损消耗难以准确定量，而这种定量还与推环力有关，这些因素又同时对泄漏量产生影响，况且填料密封又不像机械密封那样有明确的性能测试标准[2-3]，因此，填料平面密封作为一种旋转轴动密封的一个技术方案，暂时只能定性地评价其作为填料密封和机械密封大跨度之间的又一种优选方案。目前我们已对“填料平面密封”产品申请了发明专利并获得授权[4]。更多有价值的数据希望在今后的继续试验和使用过程中产生，也许关于填料平面密封的标准不久就会制定，也许填料平面密封未来在很多领域将取代传统填料密封。

4 结语

填料平面密封是一种全新的旋转轴动密封设计技术方案，综合利用了填料密封机理和机械密封结构，形成了物美价廉的旋转轴密封产品，其密封性能要比填料密封好很多，对旋转轴没有磨损，制造和使用维护又比机械密封方便简单，价格低廉。填料平面密封的寿命情况、泄漏情况的定量研究还在继续，有望在很多领域成为取代填料密封的新产品，并在未来形成填料平面密封标准。

[参考文献]

[1] 徐灏.密封[M].北京：冶金工业出版社,2002.

[2] 釜用机械密封试验规范：HG/T 2099-2003[S].

[3] 釜用机械密封技术条件：HG/T 2269-2003[S].

[4] 王洪群,黄志坚,周国忠,等.填料平面密封装置：CN201310684803.9[P].2014-03-19.