第四章填料密封

1、第四章第四章 過程機械密封過程機械密封填料密封填料密封又稱壓蓋填料密封，主要用于過程機器又稱壓蓋填料密封，主要用于過程機器和設備運動部分的密封，如離心泵、真空泵、攪拌機、和設備運動部分的密封，如離心泵、真空泵、攪拌機、反應釜等的轉軸和往復泵、往復壓縮機的柱塞或活塞反應釜等的轉軸和往復泵、往復壓縮機的柱塞或活塞桿，以及做螺旋運動閥門的閥桿與固定機體之間的密桿，以及做螺旋運動閥門的閥桿與固定機體之間的密封。封。填料密封依其采用的密封填料的形式分為填料密封依其采用的密封填料的形式分為軟軟填料密封填料密封和和硬硬填料密封，本節(jié)主要介紹軟填料密封。填料密封，本節(jié)主要介紹軟填料密封。4.1 填料密封填料密

2、封4.1.1 引言引言1.基本結構基本結構與機械密封相比，軟填與機械密封相比，軟填料密封料密封優(yōu)點優(yōu)點：結構：結構簡單、價格便宜、加工簡單、價格便宜、加工方便、裝拆容易和使用方便、裝拆容易和使用范圍很廣。范圍很廣。缺點缺點：填料：填料與軸或桿表面摩擦和磨與軸或桿表面摩擦和磨損較大，造成材料和功損較大，造成材料和功率消耗大。率消耗大。填料密封要允許一定的填料密封要允許一定的泄漏量泄漏量，為了潤滑摩擦，為了潤滑摩擦部位并帶走摩擦熱，降部位并帶走摩擦熱，降低材料磨損，延長使用低材料磨損，延長使用壽命。壽命。2.軟填料的分類、材料和結構軟填料的分類、材料和結構 a：分類：分類 按功能、材料和加工方法等

3、分類。按功能、材料和加工方法等分類。 b：材料：材料 實際軟填料由基體材料和輔助材料組成，實際軟填料由基體材料和輔助材料組成，基體材基體材料料用于滿足耐熱性、化學穩(wěn)定性方面的要求，而用于滿足耐熱性、化學穩(wěn)定性方面的要求，而輔助材料輔助材料則滿足潤滑性、致密性或防腐蝕的要求則滿足潤滑性、致密性或防腐蝕的要求 c：編結填料結構：編結填料結構 編結填料按編織方式分為夾心套層式編結填料、編結填料按編織方式分為夾心套層式編結填料、發(fā)辮式編結填料和穿心式編結填料等三種。發(fā)辮式編結填料和穿心式編結填料等三種。4.1.2 軟填料密封的原理軟填料密封的原理（1）應力特征）應力特征在在預裝填料的填料函預裝填料的填

4、料函中，流體可能的泄漏通道主要是中，流體可能的泄漏通道主要是穿過軟填料材料本身的穿過軟填料材料本身的滲漏滲漏和通過填料與軸外表面，和通過填料與軸外表面，以及填料與填料函內壁表面之間的以及填料與填料函內壁表面之間的間隙的泄漏。間隙的泄漏。對于填料材料本身的滲漏，可以通過以下解決：對于填料材料本身的滲漏，可以通過以下解決：一一、壓縮時軟填料被壓實，壓縮時軟填料被壓實，二二、通過改變填料材料或結、通過改變填料材料或結構構對于填料與填料函內壁面的泄漏：無相對運動，泄漏對于填料與填料函內壁面的泄漏：無相對運動，泄漏量好控制量好控制因此因此，填料與運動的軸或桿之間的，填料與運動的軸或桿之間的泄漏或逸散泄漏

5、或逸散成為填成為填料密封成功的關鍵。料密封成功的關鍵。1. 軟填料密封的安裝狀態(tài)，即預緊壓蓋螺栓，軸是靜軟填料密封的安裝狀態(tài)，即預緊壓蓋螺栓，軸是靜止的，沒有密封介質壓力存在。止的，沒有密封介質壓力存在。螺栓伸長時產(chǎn)生一軸向力螺栓伸長時產(chǎn)生一軸向力 ，壓蓋壓力，壓蓋壓力 ，A為填料函的環(huán)形截面積，為填料函的環(huán)形截面積， 。填料具有粗糙的表面，且是可壓縮的材料填料具有粗糙的表面，且是可壓縮的材料徑向應力徑向應力 ，K稱為側壓系數(shù)，小于零，稱為側壓系數(shù)，小于零， 是填料的軸向應力。是填料的軸向應力。 由于填料與軸和填料函壁之間的摩擦作用，使填料沿由于填料與軸和填料函壁之間的摩擦作用，使填料沿填料函

6、軸向長度的壓縮程度從壓蓋向填料函底遞減，填料函軸向長度的壓縮程度從壓蓋向填料函底遞減，所以填料的徑向應力也沿填料函軸向長度遞減。所以填料的徑向應力也沿填料函軸向長度遞減。gFggFA220.785ADdraKa假設所有的填料環(huán)是一樣的，假設所有的填料環(huán)是一樣的，K和壓縮無關。取一和壓縮無關。取一dx微微元的填料，則該微元的徑向接觸應力為元的填料，則該微元的徑向接觸應力為 ( )raxKx根據(jù)微元填料的軸向的力的平衡：根據(jù)微元填料的軸向的力的平衡： 221 1224aaDddxK f dK f Dx dx（4-1） 12,ff12,K K填料與軸和填料與填料函壁的摩擦系數(shù)填料與軸和填料與填料函壁

7、的摩擦系數(shù)填料與軸和填料與填料函壁的側壓系數(shù)填料與軸和填料與填料函壁的側壓系數(shù)將上式積分得：將上式積分得：系數(shù)， xagxe（4-2） 1122224 f K df K DDd所以，填料與軸和填料函之間任意所以，填料與軸和填料函之間任意x處的徑向應力：處的徑向應力： 11xriagxKxKe 22xroagxKxKe（4-3） 上式表明填料與軸和填料函之間的徑向應力在上式表明填料與軸和填料函之間的徑向應力在壓蓋壓蓋出最大出最大，并以，并以指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律向填料函底向填料函底遞減。遞減。當泄漏流體壓力作用時，根據(jù)流體壓力與填料之間的當泄漏流體壓力作用時，根據(jù)流體壓力與填料之間的相互作用，流體壓力

8、沿軸向的分布出現(xiàn)相互作用，流體壓力沿軸向的分布出現(xiàn)兩種兩種不同的狀不同的狀況。況。一一. 壓蓋壓力顯著比流體壓力高，壓縮填料與軸表面壓蓋壓力顯著比流體壓力高，壓縮填料與軸表面形成微小的迷宮接觸狀態(tài)，密封間隙中的泄漏流體受形成微小的迷宮接觸狀態(tài)，密封間隙中的泄漏流體受到節(jié)流的作用，所以流體壓力（到節(jié)流的作用，所以流體壓力（p）沿填料長度呈非）沿填料長度呈非線性規(guī)律分布，如圖線性規(guī)律分布，如圖4-6（a）所示。）所示。二二. 填料與軸表面的徑向接觸應力比流體壓力低，填料與軸表面的徑向接觸應力比流體壓力低，于是除了壓蓋附近外，流體壓力將填料推向填料于是除了壓蓋附近外，流體壓力將填料推向填料函壁面而脫

9、離軸，所以流體壓力沿填料長度的分函壁面而脫離軸，所以流體壓力沿填料長度的分布狀況如圖布狀況如圖4-6（b）由以上分析可知，填料由以上分析可知，填料預緊后預緊后的的徑向接觸應力徑向接觸應力與與泄漏流體壓力泄漏流體壓力的分布規(guī)律恰恰的分布規(guī)律恰恰相反相反。為了保證填。為了保證填料的密封作用，要求填料與軸和填料與填料函之料的密封作用，要求填料與軸和填料與填料函之間的徑向應力足以使介質不可能沿其流動，即填間的徑向應力足以使介質不可能沿其流動，即填料函底部的料函底部的徑向應力徑向應力不小于不小于泄漏流體的泄漏流體的壓力壓力P。即：即： 11LriagLKLKep 22LroagLKLKep（4-4） 由

10、上式可得到保證軟填料密封所需要的壓蓋壓力為：由上式可得到保證軟填料密封所需要的壓蓋壓力為：1/LgpeK（4-5）當軸回轉時，填料與軸摩擦的軸向分量為零當軸回轉時，填料與軸摩擦的軸向分量為零 10f 僅與填料與填料函內壁的摩擦僅與填料與填料函內壁的摩擦 2ff并假設并假設 12,/ 2,KKKDdD則式則式4-3、式、式4-5可簡化為：可簡化為： fKL trrorigxxxKe（4-6）2/fKL tgpeK（4-7） （2）摩擦力和摩擦力矩）摩擦力和摩擦力矩作用在填料軸向微元上的摩擦力：作用在填料軸向微元上的摩擦力： /fKx ttcrcgdFf dx dxf dKedx對上式積分，得到填

11、料與軸的總摩擦力：對上式積分，得到填料與軸的總摩擦力：/0LfKx ttcgFf Kdedx（4-8） 摩擦力矩則為摩擦力矩則為（4-9） （3）泄漏率）泄漏率 密封介質沿填料與軸之間的環(huán)形間隙的泄漏，可密封介質沿填料與軸之間的環(huán)形間隙的泄漏，可視為流體作層流流動，理想條件下的泄漏量可按視為流體作層流流動，理想條件下的泄漏量可按下式計算下式計算 3012D phQL調節(jié)填料軸向壓緊力，使其沿徑向與軸緊密接觸，調節(jié)填料軸向壓緊力，使其沿徑向與軸緊密接觸，是保證軟填料達到密封的關鍵。是保證軟填料達到密封的關鍵。（4）磨損與潤滑）磨損與潤滑由于由于摩擦引起的磨摩擦引起的磨損損是軟填料密封中是軟填料密

12、封中的一個突出問題。的一個突出問題。除了填料磨損外，除了填料磨損外，轉軸或往復桿也同轉軸或往復桿也同樣發(fā)生磨損。正常樣發(fā)生磨損。正常裝填的填料在裝填的填料在壓蓋壓蓋處磨損較大處磨損較大，向內，向內逐漸減小，而裝填逐漸減小，而裝填不好的填料出現(xiàn)如不好的填料出現(xiàn)如圖圖4-7所示的異常磨所示的異常磨損狀況。損狀況。4.1.3 軟填料密封結構的設計軟填料密封結構的設計軟填料密封結構的發(fā)展方向：軟填料密封結構的發(fā)展方向：1. 填料沿填料函長度方向的徑向應力分布均勻，填料沿填料函長度方向的徑向應力分布均勻，且與泄漏介質的壓力分布規(guī)律一致。且與泄漏介質的壓力分布規(guī)律一致。2. 考慮冷卻和潤滑措施考慮冷卻和潤

13、滑措施3. 設置及時或自動補償填料磨損的結構；設置及時或自動補償填料磨損的結構；4. 在填料函底部設置底套，以防止填料被擠出；在填料函底部設置底套，以防止填料被擠出；為防止含固體顆粒介質的磨蝕和腐蝕性介質的腐蝕，為防止含固體顆粒介質的磨蝕和腐蝕性介質的腐蝕，采用中間封液環(huán)，注入封液，起沖洗和提高密封性采用中間封液環(huán)，注入封液，起沖洗和提高密封性的作用。的作用。5. 采用由不同材質的填料環(huán)組合的結構。采用由不同材質的填料環(huán)組合的結構。4.1.4 填料的安裝、使用與保管填料的安裝、使用與保管4.2 往復密封往復密封往復密封往復密封是指用于過程機械作是指用于過程機械作往復運動機構往復運動機構處的密封

14、，包括液壓密封、氣動密封、活塞環(huán)處的密封，包括液壓密封、氣動密封、活塞環(huán)密封、柱塞泵密封等。密封、柱塞泵密封等。 1. 對液壓密封的基對液壓密封的基本要求本要求 一般的液壓密封一般的液壓密封指液壓缸指液壓缸活塞密封活塞密封和和活塞桿密封活塞桿密封。當范圍。當范圍更廣、要求更嚴時，更廣、要求更嚴時，還包括防止灰塵或外還包括防止灰塵或外界液體進入系統(tǒng)的界液體進入系統(tǒng)的防防塵密封塵密封。支撐環(huán)支撐環(huán)起到起到類似滑動軸承的作用，類似滑動軸承的作用，支撐側向載荷，維持支撐側向載荷，維持液壓密封同心的作用。液壓密封同心的作用。4.2.1 液壓密封液壓密封對液壓密封的基本要求如圖所示：對液壓密封的基本要求如

15、圖所示：與純粹的旋轉運動密封不同之處：往復運動密封的泄漏率在構成一個循環(huán)的兩個行程中是彼此不相同的。2. 彈性體密封的基本原理彈性體密封的基本原理以橡膠以橡膠O形圈密封為代表，介紹彈性體密封的基本形圈密封為代表，介紹彈性體密封的基本原理。原理。（1）自密封機理）自密封機理彈性體密封的彈性體密封的“自動密封自動密封”或稱或稱“自密封自密封”是依靠是依靠彈性體材料的彈性、并存在初始裝配過盈量或預加彈性體材料的彈性、并存在初始裝配過盈量或預加載荷來實現(xiàn)的。載荷來實現(xiàn)的。，圖圖4-13所示密封環(huán)在自由狀態(tài)下的密封表面產(chǎn)生了所示密封環(huán)在自由狀態(tài)下的密封表面產(chǎn)生了接觸應力接觸應力圖圖4-14，操作過程中，

16、流體壓力，操作過程中，流體壓力P作用在密封環(huán)暴作用在密封環(huán)暴露于介質的表面，使得密封面的接觸應力增加到，露于介質的表面，使得密封面的接觸應力增加到，此時此時 大于被密封的流體壓力大于被密封的流體壓力P，從而實現(xiàn)了密，從而實現(xiàn)了密封。封。接觸應力接觸應力 與介質壓力與介質壓力P的關系可通過分析三維應的關系可通過分析三維應力應變關系獲得，其表達式為力應變關系獲得，其表達式為式中式中 為彈性體材料的泊松比。對于彈性材料為彈性體材料的泊松比。對于彈性材料 ，代入得：代入得：這表明只要彈性體材料的泊松比維持在這表明只要彈性體材料的泊松比維持在0.5附近，密封的附近，密封的接觸應力接觸應力 總比介質壓力總

17、比介質壓力P高高 因此具有自動適應流因此具有自動適應流體壓力變化的能力。體壓力變化的能力。 O形圈的自密封機理與矩形截面的基本原理一樣的。形圈的自密封機理與矩形截面的基本原理一樣的。（2）. 液壓往復運動用液壓往復運動用O形密封圈形密封圈O形圈是液壓活塞和活塞桿常用的密封件，但在應用形圈是液壓活塞和活塞桿常用的密封件，但在應用中存在的主要問題：中存在的主要問題：（3）. 活塞桿密封活塞桿密封當往復運動時，密封是依靠密封件與運動活塞桿之當往復運動時，密封是依靠密封件與運動活塞桿之間流體膜的彈性流體動壓效果來實現(xiàn)的。間流體膜的彈性流體動壓效果來實現(xiàn)的。典型的活塞桿密封：典型的活塞桿密封：（4）.

18、活塞泄漏活塞泄漏 活塞環(huán)密封的泄漏沒有活塞桿處的泄漏問題嚴重，活塞環(huán)密封的泄漏沒有活塞桿處的泄漏問題嚴重，因為泄漏的液體仍處于液壓缸內。不過這將導致機械因為泄漏的液體仍處于液壓缸內。不過這將導致機械效率的降低，嚴重時會導致設備的完全失效，必需引效率的降低，嚴重時會導致設備的完全失效，必需引起足夠的重視。起足夠的重視。 對于單作用活塞，一側高壓流體，一側低壓流體，對于單作用活塞，一側高壓流體，一側低壓流體，密封唇口在外側，以實現(xiàn)活塞與液壓缸壁的密封。密封唇口在外側，以實現(xiàn)活塞與液壓缸壁的密封。 對于雙作用活塞，兩側均為高壓流體。要求密封對于雙作用活塞，兩側均為高壓流體。要求密封結構對徑向平面對稱

19、。結構對徑向平面對稱。中間空腔內會產(chǎn)生足夠的流體動壓力來減輕密封面中間空腔內會產(chǎn)生足夠的流體動壓力來減輕密封面的接觸壓力，從而減少摩擦。的接觸壓力，從而減少摩擦。（5）防塵密封）防塵密封在在外行程外行程時，時，防塵密封應當防塵密封應當允許殘留的流允許殘留的流體潤滑膜通過，體潤滑膜通過，而在而在內行程內行程時時該流體膜不能該流體膜不能被除掉，允許被除掉，允許流體膜通過，流體膜通過，維持十分之幾維持十分之幾微米的潤滑膜微米的潤滑膜對減少摩擦和對減少摩擦和磨損是十分必磨損是十分必要的。要的。4.2.2 氣動密封氣動密封圖圖4-28表示了表示了氣動氣缸的主氣動氣缸的主要構件，其密要構件，其密封構件有：

20、活封構件有：活塞桿密封、活塞桿密封、活塞密封、防塵塞密封、防塵密封、沖程終密封、沖程終了剎車系統(tǒng)的了剎車系統(tǒng)的襯墊密封。襯墊密封。（1）. 基本要求基本要求 對于氣動氣缸，摩擦問題是最重要的，氣體的泄對于氣動氣缸，摩擦問題是最重要的，氣體的泄漏降為其次。密封件的潤滑問題是氣動密封的設計要漏降為其次。密封件的潤滑問題是氣動密封的設計要點。點。 對于很多場合，不允許對氣動設備進行油霧潤滑，對于很多場合，不允許對氣動設備進行油霧潤滑，解決方案是采用無油空氣。在整個設備周期內，潤滑解決方案是采用無油空氣。在整個設備周期內，潤滑膜均存在而無需維護。膜均存在而無需維護。（2）. 氣動密封典型唇口結構氣動密

21、封典型唇口結構圖圖4-30為典型彈性體氣動密封唇口部位的兩種結為典型彈性體氣動密封唇口部位的兩種結構，其初始接觸應力決定于密封與其偶合密封面構，其初始接觸應力決定于密封與其偶合密封面的過盈量。密封的接觸應力隨氣體壓力的增加而的過盈量。密封的接觸應力隨氣體壓力的增加而增加，即具有自緊作用，不過這也將導致摩擦力增加，即具有自緊作用，不過這也將導致摩擦力的增加。的增加?，F(xiàn)代氣動技術的發(fā)展，要求氣動密封的現(xiàn)代氣動技術的發(fā)展，要求氣動密封的潤滑持久潤滑持久、有效和抗腐蝕有效和抗腐蝕，能實現(xiàn)，能實現(xiàn)無油潤滑無油潤滑。（3）. 常見氣動密封形式及特點常見氣動密封形式及特點1. O形圈形圈與液壓往復運動與液壓

22、往復運動O形圈密封相比，相同斷面尺寸的形圈密封相比，相同斷面尺寸的O形圈，氣動密封的溝槽尺寸要窄、要深，其目的是減形圈，氣動密封的溝槽尺寸要窄、要深，其目的是減少對密封圈的壓縮作用，以降低摩擦阻力。少對密封圈的壓縮作用，以降低摩擦阻力。X形密封圈減少了接觸面，并在兩接觸角間可儲存潤形密封圈減少了接觸面，并在兩接觸角間可儲存潤滑劑，有利于減少摩擦和改善潤滑?；瑒?，有利于減少摩擦和改善潤滑。2. 唇形氣動密封唇形氣動密封用于液壓的唇形密封圈，也可以用于氣動往復密封，用于液壓的唇形密封圈，也可以用于氣動往復密封，只不過氣動密封的溝槽深度要大一些，其目的是減少只不過氣動密封的溝槽深度要大一些，其目的是

23、減少密封圈的壓縮率以降低摩擦。密封圈的壓縮率以降低摩擦。氣動專用的唇形密封圈，與液壓密封圈相比，唇口較氣動專用的唇形密封圈，與液壓密封圈相比，唇口較薄，接觸部位隆起。薄，接觸部位隆起。（3）方形圈氣動密封）方形圈氣動密封 （4）. 無油潤滑氣動密封無油潤滑氣動密封4.2.3 活塞和活塞桿密封活塞和活塞桿密封活塞與氣缸內表面活塞與氣缸內表面的密封由活塞環(huán)來實現(xiàn)；的密封由活塞環(huán)來實現(xiàn)；活塞桿活塞桿與缸體與缸體的密封一般由填料密封來實現(xiàn)的密封一般由填料密封來實現(xiàn)1. 活塞密封活塞密封活塞環(huán)活塞環(huán)活塞環(huán)是依靠活塞環(huán)是依靠阻塞阻塞和和節(jié)流機理節(jié)流機理工作的接觸式動密封。工作的接觸式動密封。（1）活塞環(huán)密

24、封的基本原理）活塞環(huán)密封的基本原理圖圖a表示自由狀態(tài)的活塞環(huán)。由于環(huán)本身的張力，迫表示自由狀態(tài)的活塞環(huán)。由于環(huán)本身的張力，迫使環(huán)的開口端向外擴張而使環(huán)的外側貼緊缸壁，形成使環(huán)的開口端向外擴張而使環(huán)的外側貼緊缸壁，形成第一密封面第一密封面。當施加系統(tǒng)壓力當施加系統(tǒng)壓力P后，環(huán)被推向泄漏的方向，與活塞后，環(huán)被推向泄漏的方向，與活塞環(huán)槽的側面形成第二次接觸密封，如圖環(huán)槽的側面形成第二次接觸密封，如圖b,構成構成第二密第二密封面。封面。如果活塞環(huán)處于中間位置，不與槽的側壁形成第二如果活塞環(huán)處于中間位置，不與槽的側壁形成第二密封面，則發(fā)生泄漏，如圖密封面，則發(fā)生泄漏，如圖c.當氣體壓力當氣體壓力P起作用

25、時，作用在環(huán)外側的氣體壓力起作用時，作用在環(huán)外側的氣體壓力增強了一次接觸密封。增強了一次接觸密封?？偨佑|壓力包括環(huán)的總接觸壓力包括環(huán)的初始接觸壓力初始接觸壓力和和氣體壓力產(chǎn)生氣體壓力產(chǎn)生的接觸壓力。的接觸壓力。通常氣體壓力產(chǎn)生的接觸壓力較大，是形成軸向和通常氣體壓力產(chǎn)生的接觸壓力較大，是形成軸向和徑向密封阻力的主要原因。徑向密封阻力的主要原因。但當氣體壓力較小時，則環(huán)的張力可能是主要的。但當氣體壓力較小時，則環(huán)的張力可能是主要的。（2）活塞環(huán)的作用）活塞環(huán)的作用活塞式壓縮機分為活塞式壓縮機分為油潤滑油潤滑壓縮機和壓縮機和無油潤滑無油潤滑壓縮機。壓縮機。1. 油潤滑活塞環(huán)油潤滑活塞環(huán)2.無油潤滑

26、活塞環(huán)無油潤滑活塞環(huán)4.2.3 旋轉軸唇形密封旋轉軸唇形密封唇形密封唇形密封結構簡單、緊湊、摩擦阻力小，對無結構簡單、緊湊、摩擦阻力小，對無壓或低壓環(huán)境的旋轉軸密封可靠壓或低壓環(huán)境的旋轉軸密封可靠1 .唇形密封唇形密封（1）無壓旋轉軸唇形密封）無壓旋轉軸唇形密封1). 基本概念基本概念下圖給出了從填料密封到唇形密封的發(fā)展過程。下圖給出了從填料密封到唇形密封的發(fā)展過程。2. 密封唇的幾何形狀密封唇的幾何形狀下圖為現(xiàn)代彈性體徑向唇形密封的機構圖，柔性環(huán)狀下圖為現(xiàn)代彈性體徑向唇形密封的機構圖，柔性環(huán)狀隔膜的一端為密封唇口，另一端與金屬骨架固聯(lián)。隔膜的一端為密封唇口，另一端與金屬骨架固聯(lián)。密封面由兩個相交的錐面形成。油側的接觸角要明顯密封面由兩個相交的錐面形成。油側的接觸角要明顯大于空氣側的接觸角。大于空氣側的接觸角。下圖分別表示了唇形密封正常安裝和反向安裝的情況。下圖分別表示了唇形密封正常安裝和反向安裝的情況。3. 密封界面的特征密封界面的特征主要有密封界面接觸載荷、彈性體的初始磨損、軸主要有密封界面接觸載荷、彈性體的初始磨損、軸的表面粗糙度及密封接