立式长轴泵新型填料密封箱的设计计算

宋 彬 李英堂 朱宁宁

（1.中国石油化工研究院兰州化工研究中心；2.兰州理工大学计算机与通信学院）

填料密封［1］是世界上应用最早的密封形式之一，因其结构简单、成本较低，被广泛应用于各种机械设备中。 其基本原理为：在轴和填料箱之间填充弹性材料或弹性元件，压紧填料压盖会使填料发生变形产生径向压应力，从而使填料与填料箱内壁和轴之间紧密接触，起到密封作用。 在运行过程中，常出现主轴磨损严重、填料变硬等问题， 人们认为这些故障主要与填料的材质有关，因此相关课题的研究主要集中在材料研发与性能测试［2］上，忽视了填料箱结构对使用效果的影响。 笔者将借助具体案例从填料密封结构出发进行分析，找到一种可以明显提高填料密封效率和使用寿命的新方法，用于指导实际工作。

1 设备概况

某石化公司动力厂供水车间负责对全厂各套装置提供循环水，LC/X600-62T-8001型立式长轴泵是主力水泵，在动力厂共有16台。 立式长轴泵由上海凯泉泵业有限公司生产， 重量11.5t、长度10.8m，工作参数如下：

介质 冷却水

转速 992r/min

流量 2 500m3/h

温度 不高于26℃

入口压力 常压

出口压力 710kPa

功率 800kW

立式长轴泵最常见的故障是填料泄漏，因为机泵体积巨大，加上原填料压盖为整体结构（图1），更换填料和填料压盖时常需要100t吊车和50t吊车配合操作，存在吊装风险；加之机泵配件昂贵，导致每年检修费用高昂。

图1 传统填料箱结构示意图

在平时检修中发现，石棉盘根（浸牛油）的密封效果会越来越差； 靠近电机端的轴套磨损严重，运行一段时间后就需要更换；原厂配置的填料压盖为铸铁材料，使用过程中腐蚀严重［3］。 另外， 长轴立式泵的填料箱与轴承箱距离较近，填料泄漏后若没及时发现，漏液很容易窜入轴承箱损坏相近的两套滚动轴承，当这两套滚动轴承损伤严重时就会发生摆动， 进一步损坏主轴和第3套滑动轴承。

2 填料密封机理的理论分析

长轴立式泵的填料密封为径向接触式密封，通过填料压盖的挤压作用，填料发生形变，并与主轴和填料箱内壁紧密接触，将轴向力变为径向力。 如图2所示，理想状态下，可以认为填料充满了填料箱（即不可压缩），那么局部径向接触应力σr等于局部轴向接触应力σx，即σr=σx；但在实际情况下，考虑到填料受摩擦力影响，会发生一定塑形变形，故σr＜σx，引入影响因子K，则σr=Kσx。

图2 填料密封的微单元受力示意图

如果给填料压盖施加一个力Fg， 那么填料压盖轴向压力pg=Fg/A，其中A为填料箱的环状面积，A=π（R2-r2），R为填料箱内腔直径，r为轴径。 在填料上找到一个微单元，建立它在轴向方向上的力平衡方程［4］：

式中 dFR——微单元对外经面的摩擦力，dFR=2πRμ2dxσr，N；

dFr——微单元对内经面的摩擦力，dFr=2πrμ1dxσr，N；

dxσr——局部径向接触应力在微单元dx上的应力变化，MPa。

又因为σr=Kσx，所以有：

进行σx到pg和x到L的积分：

假设μ1=μ2=μ，h=R-r，代入式（1），积分简化为：

对σx求导得：

由式（2）可知，在［0，L］之间各密封处应该满足σx≥pg，才能获得密封效果。 轴向接触应力σx在［0，L］之间为减函数，并按指数关系向填料箱底部衰减，宏观上表现为填料压盖产生的压紧力越向填料箱底部越小，造成填料的变形量也会越来越小，由此产生的径向压应力也呈指数关系不断变小。

为了能更好地显示σr的变化趋势， 采用相关的数学模型［5］，通过计算机模拟得到填料径向压应力变化趋势（图3）。

图3 填料径向压应力变化趋势

由图3可知，传统填料箱的介质压应力和填料径向压应力分布趋势正好相反， 直接影响填料密封的密封效果。传统填料箱在使用过程中，外圈填料被压紧时内圈填料却未被压紧， 造成轴套与外圈填料接触处容易磨损， 而且填料组数也不能增加过多，因达到一定组数后，外圈的填料已被压紧至极限， 内圈的填料有可能丝毫未被压到， 这也是传统填料箱亟待重点解决的问题。

3 新型设计结构

针对立式长轴泵原有的设计缺陷重新设计：将填料箱压盖由整体式改为分体式（图4），并将材料由铸铁换成不锈钢。 这种新型分体式填料压盖，在不拆卸对轮的情况下就可进行更换，省去了吊装的环节，且扩大了检修空间，可大幅降低劳动强度和检修费用。 此外，更换填料时，因能及时地将填料压盖拆卸下来，就能自如地进行内层填料的拆卸和安装，明显提高检修质量，延长了设备的运行周期。

图4 新型填料压盖结构示意图

设计新型填料箱时将普通轴套改为锥形轴套（图5），可以解决传统填料箱内圈填料压不紧的问题，提高了填料的密封效率；防止外圈填料和轴套磨损过大，从而延长填料的使用寿命。 此外，在填料压盖上，笔者还设计了弹簧自紧机构（弹力根据不同工况计算得到）。 旋转压盖螺栓可将弹簧压缩到一个固定位置，从而满足填料需要的压紧力。 当填料磨损后，填料的轴向摩擦力就会减小，此时压盖被弹簧压入填料箱内，起到填料密封自紧的作用，解决了填料需要被不断紧固的问题，减轻了维护人员的劳动强度。

图5 新型填料箱结构示意图

新型立式长轴泵填料密封箱，不仅可以解决内圈填料无法被压紧的问题，而且还能在填料磨损后进行自动补偿［6］，具有较高的技术价值，可在其他相关设备上推广使用。

4 锥形轴套的径向压应力

采用圆锥形填料的密封机理与圆柱形填料的相同，区别在于填料腔内部形状不同。 取距离填料腔底部x的微元填料（图6）建立方程，从而得到锥形轴套的径向压应力数学表达式。

查阅相关资料，根据弹性力学原理，建立微元轴向力平衡方程［7］：

式（3）中D为变量，D=d+2（1+x）tanα，略去高阶微元量并且化简整理可得：

根据微元填料“中心圆”力矩平衡原理可知，dm的微元填料“中心圆”力矩平衡方程：

图6 装配条件下微元填料的受力分析

代入式（4）中可得：

化简整理可得圆锥形填料侧压因数的理论表达式：

假定填料对主轴的侧压因数不变，可得填料对轴套的径向压应力表达式为：

为了直观反映出填料对锥形轴套的径向压应力变化趋势，可将表达式输入计算机进行图形绘制［8］，得到该变化趋势如图7所示。

由图7可看出， 新型填料箱的锥形轴套设计可以明显减缓径向压应力向机泵内部的衰减速度和衰减幅度，从而使填料压盖用一个较小的压力就可以将内圈填料压紧，避免了因为填料压盖施力过大，造成外圈填料和轴套磨损过快的问题，从而提高了新型填料箱的密封效率，延长了其使用寿命。

图7 填料对锥形轴套的径向压应力变化趋势

5 结束语

通过对填料内部微单元的受力分析发现，传统填料箱在介质压应力和填料径向接触应力分布上处于相反的趋势，从而造成外圈填料已被压紧，而内圈填料却无法被压紧；外圈填料和轴套磨损过大。 对此，笔者提出了新型填料箱的设计方案，并计算了其中的关键参数，对于指导同类设备的检维修和技术改造有参考价值。

此次技术改造，成功地解决了动力厂循环水装置立式长轴泵运行周期短、吊装困难及检修费用高等问题，对于提高全厂循环水供应质量起到了保障作用，并获得2017年度中国石油兰州石化公司“合理化建议”成果金奖。 另外，新型填料箱设计已取得国家实用新型专利授权 （专利号：ZL 201720355263.3）。