泵軸的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)填料產(chǎn)生的不平衡振動(dòng)和劇烈摩擦，使填料與動(dòng)軸之間產(chǎn)生偏心間隙并加劇了填料的磨損，形成了密封流體的間隙泄漏，導(dǎo)致密封失效。本文針對(duì)泵軸轉(zhuǎn)速n、流體介質(zhì)壓力P 對(duì)填料動(dòng)密封性能及變化特征的影響，選取4 種編織填料產(chǎn)品在填料動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了動(dòng)密封性能試驗(yàn)研究。

1、前言

　　工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，通常將泵、閥設(shè)備的填料密封分屬為2 種不同特性的密封技術(shù)。閥門(mén)填料密封基本屬靜態(tài)和微動(dòng)態(tài)密封，按傳統(tǒng)密封設(shè)計(jì)理論，只要軟填料的壓縮柔彈側(cè)應(yīng)力大于密封流體壓力就能保證其密封的可靠性^[1]。泵用填料密封雖具有靜態(tài)軟填料壓縮柔彈側(cè)應(yīng)力密封這一共性特征，但高速旋轉(zhuǎn)的泵軸對(duì)填料產(chǎn)生的不平衡振動(dòng)和劇烈摩擦，使填料與動(dòng)軸之間產(chǎn)生偏心間隙并加劇了填料的磨損，從而形成了密封流體的間隙泄漏，最終導(dǎo)致密封失效。影響填料動(dòng)密封性能因素很多，其中設(shè)備的動(dòng)態(tài)因素對(duì)填料動(dòng)密封性能的影響尤為顯著，但此方面實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道尚少。因此，為探討動(dòng)泵軸轉(zhuǎn)速n、流體介質(zhì)壓力P 對(duì)填料動(dòng)密封性能( 摩擦力矩、磨損量、泄漏率) 及變化特征的影響，本文選取4 種編織填料產(chǎn)品在填料動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)密封性能試驗(yàn)研究。

2、動(dòng)密封試驗(yàn)

2.1、試驗(yàn)裝置

　　按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ^[2] ，參照填料動(dòng)密封的實(shí)際使用要求設(shè)計(jì)了填料動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1 所示。

圖1 填料動(dòng)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

　　由可控硅直流調(diào)速裝置調(diào)控動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。由壓力控制系統(tǒng)( 高壓氮?dú)馄俊⒌獨(dú)鉁p壓閥及穩(wěn)壓罐) 控制流體壓力。由JW - 1A 扭矩儀讀出總摩擦力矩M總，然后用密封的大套筒換下填料密封部分，再測(cè)出與前工況相同的軸承和機(jī)械密封的摩擦力矩M機(jī)，則填料動(dòng)密封的摩擦力矩:

M = M總 - M機(jī)

　　填料的磨損量G 是由裝填前的填料總量G總減去動(dòng)密封試驗(yàn)1h 后的填料總量G磨后，即:

G = G總 - G磨后

　　填料動(dòng)密封的泄漏量用10ml 量筒度量，電子表計(jì)時(shí)。

2.2、試驗(yàn)參數(shù)

　　試驗(yàn)介質(zhì)為水，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2.3、試驗(yàn)試件及填料裝填結(jié)構(gòu)

　　試件尺寸: 直徑55 mm ×直徑 35 mm × 10mm，試件編號(hào): C1為浸聚四氟乙烯乳液碳纖維編織填料;C2為浸聚四氟乙烯乳液予氧絲碳纖維編織填料;F1為膨體聚四氟乙烯編織填料; F2為填充石墨四氟生料帶編織填料。

　　填料裝填結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。其中裝填填料為同種填料，裝填圈數(shù)為5 圈。

圖2 填料裝填結(jié)構(gòu)示意

3、試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1、摩擦磨損性能

　　試驗(yàn)在流體壓力為1.2MPa、動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為2950r /min 的條件下，測(cè)定了4 種編織填料動(dòng)密封摩擦力矩和磨損量。填料動(dòng)密封摩擦力矩變化曲線如圖3，填料的磨損量對(duì)比結(jié)果如圖4。

圖3 編織填料動(dòng)密封摩擦力矩變化曲線

圖4 編織填料磨耗量對(duì)比

3.2、動(dòng)密封性能

　　動(dòng)密封性能試驗(yàn)是在流體壓力P、動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n 二因素條件下，測(cè)定4 種編織填料動(dòng)密封流體泄漏率。

　　(1) 流體壓力與動(dòng)密封泄漏率關(guān)系相同轉(zhuǎn)速( 1450r /min) 、不同流體壓力條件下，填料動(dòng)密封泄漏率與流體壓力關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 填料動(dòng)密封泄漏率- 流體壓力曲線

　　(2) 動(dòng)軸轉(zhuǎn)速與動(dòng)密封泄漏率關(guān)系相同流體壓力( 1.2MPa) 、不同轉(zhuǎn)速條件下，填料動(dòng)密封泄漏率與動(dòng)軸轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 填料動(dòng)密封泄漏率- 動(dòng)軸轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

3.3、結(jié)果分析

　　(1) 摩擦磨損性能試驗(yàn)結(jié)果表明填料動(dòng)密封的摩擦行為基本符合摩擦學(xué)規(guī)律^[3]。由圖3 可見(jiàn)編織填料在動(dòng)密封啟動(dòng)初始時(shí)，填料摩擦處于潤(rùn)滑不良狀態(tài)，呈現(xiàn)出高摩擦啟動(dòng)力矩。隨著動(dòng)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)，填料中的潤(rùn)滑材料如聚四氟乙烯及浸漬乳液，迅速發(fā)生了氟分子轉(zhuǎn)移并在動(dòng)軸表面形成氟分子轉(zhuǎn)移膜，填料與動(dòng)軸的摩擦得以改善，摩擦力矩逐漸降低并趨于平穩(wěn)。

　　圖3 同時(shí)給出不同材質(zhì)的填料的不同潤(rùn)滑特性。F1、F2為氟材料材質(zhì)的填料，表現(xiàn)出其具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性。以浸漬氟材料的C1、C2碳纖維類(lèi)填料，因其膜轉(zhuǎn)移量有限，潤(rùn)滑性能隨時(shí)間延長(zhǎng)而變差，并逐漸呈現(xiàn)出本體材料的較高摩擦性，其動(dòng)密封摩擦曲線高于F1、F2曲線。

　　(2) 磨損試驗(yàn)結(jié)果如圖4。高強(qiáng)度的碳纖維填料C1和高彈性能的膨體聚四氟乙烯填料F1都表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性能。四氟生料帶編織填料F2材質(zhì)強(qiáng)度極低，其磨損量高達(dá)7.9g /h，表現(xiàn)出低的密封磨損壽命。

　　(3) 填料動(dòng)密封性能與密封的動(dòng)態(tài)特性因素即流體壓力、動(dòng)軸轉(zhuǎn)速等密切相關(guān)。圖5 表明，填料動(dòng)密封的泄漏率L 與流體壓力P、動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系。在動(dòng)軸轉(zhuǎn)速不變的條件下，流體壓力的變化對(duì)填料動(dòng)密封影響較小，密封泄漏曲線變化幅度較為平緩，表現(xiàn)了編織填料對(duì)流體壓力有較好的承載能力^[4]。圖6 表明，在流體壓力不變的條件下，動(dòng)軸速度的變化對(duì)填料動(dòng)密封性能具有強(qiáng)烈的影響，動(dòng)軸高轉(zhuǎn)速時(shí)的流體泄漏率是動(dòng)軸低轉(zhuǎn)速時(shí)的流體泄漏率的5 倍之多。試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證填料在高速密封狀態(tài)中，動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)速度所形成的偏心間隙和磨損間隙是導(dǎo)致填料動(dòng)密封的流體泄漏和密封失效的關(guān)鍵因素。

　　(4) 圖3 ～6 結(jié)果表明，不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)性能的編織填料其動(dòng)密封效果有明顯的差別。編織填料C1、F1具有的高強(qiáng)度、高彈性結(jié)構(gòu)性能對(duì)于動(dòng)軸的振動(dòng)和摩擦具有一定的減緩作用，從而降低了填料動(dòng)密封的間隙泄漏。

4、結(jié)論

　　(1) 泵軸運(yùn)動(dòng)特性對(duì)編織填料的動(dòng)密封性能起著決定性作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，編織填料較適合用于低轉(zhuǎn)速動(dòng)設(shè)備密封;

　　(2) 合理選用優(yōu)異的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)性能的編織填料可以改善填料的動(dòng)密封性能;

　　(3) 建議在工程應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)和使用組合密封結(jié)構(gòu)填料，提升軟填料的動(dòng)密封綜合性能，保證填料動(dòng)密封的可靠性和穩(wěn)定性^{[5 ～9]}。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 郝木明，顧永泉. 填料密封可靠性和穩(wěn)定性的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 流體工程，1991，(8) : 6-13，65.

　　 [2] 聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2010.

　　 [3] 薛群基，趙家政. 摩擦學(xué)研究中的固體表面[J]. 固體潤(rùn)滑， 1981，(1) : 38-45.

　　 [4] 孟劍，葛京鵬，郝木明. 內(nèi)壓自緊式軟填料密封組件的特性分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 水泵技術(shù)，2000，(4) :9-12， 25.

　　 [5] 張向釗. 提高密封性能的新型密封填料[J]. 流體機(jī)械， 1999，(7) : 30-31， 37.

　　 [6] 楊書(shū)益，李振環(huán)，汪衛(wèi)國(guó)，等. 組合式密封填料的性能研究及應(yīng)用[J]. 流體工程， 1989，(10) : 6-11.

　　 [7] 李小甌，盛業(yè)濤，邢金龍，等. 一種變壓力機(jī)械密封的研制[J]. 流體機(jī)械， 2010， 38(12) : 30-32， 55.

　　 [8] 俞樹(shù)榮，曹興巖，丁雪興，等. 非接觸動(dòng)密封螺旋槽氣膜剛度數(shù)值模擬與分析[J]. 流體機(jī)械，2012，39(4) : 24-28.

　　 [9] 王和慧，盧均臣，關(guān)凱書(shū)，等. 帶接管組合法蘭的強(qiáng)度和密封有限元分析[J]. 壓力容器，2012，39(2) :26-33.