魏龍
（南京化工職業技術學院）
摘 要：針對臥式軸流泵傳統軟填料密封的基本結構及密封原理，分析了軟填料密封存在的問題，提出了從提高密封填料性能和改進密封結構來改善密封效果和提高使用壽命的幾種措施。
關鍵詞：軟填料密封；盤根；骨架油封；軸流泵；臥式軸流泵
一、引言
軟填料密封又叫壓蓋填料密封，俗稱盤根(Packing)。它是一種填塞環縫的壓緊式密封，是世界上使用Z早的一種密封裝置。軟填料密封通常用作旋轉或往復運動的元件與軸封箱之間環形空間的密封，如離心泵、轉子泵、往復泵、攪拌機及反應釜的軸封，還有閥門的閥桿密封，管線膨脹節、換熱器浮頭及其他設備的密封。它能適應各種旋轉運動、往復運動、螺旋運動及靜止元件的密封，加之結構簡單，成本低廉，拆裝方便，故至今仍應用較廣。但也存在著密封性能差，功率消耗大，工作壽命短等不足。
二、軟填料密封的基本結構及密封原理
圖1為一典型結構的軟填料密封。軟填料裝在填料箱內，壓蓋通過壓蓋螺栓軸向預緊力的作用使軟填料產生軸向壓縮變形，同時引起填料產生徑向膨脹的趨勢，而填料的膨脹又受到填料箱內壁與軸表面的阻礙作用，使其與兩表面之間產生緊貼，間隙被填塞而達到密封。即，軟填料是在變形時依靠合適的徑向力緊貼軸和填料箱內壁表面，以保證可靠的密封。
填料與運動的軸之間因有相對運動，難免存在微小間隙而造成泄漏，此間隙即為主要泄漏通道。填料裝入填料箱內以后，當擰緊壓蓋螺栓時，柔性軟填料受壓蓋的軸向壓緊力作用產生彈塑性變形而沿徑向擴展，對軸產生壓緊力，并與軸緊密接觸。但由于加工等原因，軸表面總有一定的表面粗糙度，其與填料只能是部分貼合，而部分未接觸，這就形成了無數個不規則的微小迷宮。當有一定壓力的流體介質通過軸表面時，將被多次引起節流降壓作用，這就是所謂的“迷宮效應”，正是憑借這種效應，使流體沿軸向流動受阻而達到密封。填料與軸表面的貼合、摩擦，也類似滑動軸承，故應有足夠的液體進行潤滑，以保證密封有一定的壽命，即所謂的“軸承效應”。
顯然良好的軟填料密封即是“軸承效應”和“迷宮效應”的綜合。適當的壓緊力使軸與填料之間保持必要的液體潤滑膜，可減少摩擦磨損，提高使用壽命。壓緊力過小，泄漏嚴重，而壓緊力過大，則難以形成潤滑液膜，密封面呈干摩擦狀態，磨損嚴重，密封壽命將大大縮短。因此如何控制合理的壓緊力是保證軟填料密封具有良好密封性的關鍵。
三、軟填料密封存在的問題
傳統軟填料密封主要存在以下幾個方面問題。
1.徑向壓力分布不均，摩擦磨損嚴重
由于填料是彈塑性體，當受到軸向壓緊后，產生摩擦力致使壓緊力沿軸向逐漸減少，同時所產生的徑向壓緊力使填料緊貼于軸表面而阻止介質外漏。如圖2所示，徑向壓緊壓力的分布由外端(壓蓋)向內端，先是急劇遞減后趨平緩，被密封介質壓力的分布由內端逐漸向外端遞減，當外端介質壓力為零時，則泄漏很少，大于零時泄漏較大川。由此可見，填料徑向壓力的分布與介質壓力的分布恰恰相反，內端介質壓力Z大，應給予較大的密封力，而此處填料的徑向壓緊力恰是Z小，故壓緊力沒有很好的發揮作用。實際應用中，為了獲得密封性能，往往增加填料的壓緊力，亦即在靠近壓蓋端的2-3圈填料處使徑向壓力Z大(約為平均壓緊力的2-3倍)，當然摩擦力也增大，這就導致填料和軸產生如圖3所示的異常磨損情況，嚴重影響了密封工作的穩定性。填料圈數越多，軸向高度越大，比壓越不均勻。
2.散熱、冷卻能力不夠
軟填料密封中，滑動接觸面較大，摩擦產生的熱量較大，而散熱時，熱量需通過較厚的填料，且多數軟填料的導熱性能都較差。摩擦熱不易傳出，致使摩擦面溫度升高，摩擦面間的液膜蒸發，形成干摩擦，磨損加劇，密封壽命會顯著降低。
3.應力松弛現象嚴重，密封工作的穩定性差
由密封填料的勃彈性分析可知，在恒定應變作用下，密封填料產生明顯的應力松弛，嚴重的應力松弛必然導致軟填料密封的早期失效。傳統的軟填料密封，螺栓所施加給填料的預緊力是恒定的，由于磨損引起填料的壓縮變形量稍有減少，就會加劇填料的應力松弛，從而降低了密封工作的穩定性和可靠性。
4.自動補償能力較差
軟填料磨損后，填料與軸桿、填料箱內壁之間的間隙加大，而傳統軟填料密封結構無自動補償壓緊力的能力，隨著間隙增大，泄漏量也逐漸增大。因此，須頻繁地擰緊壓蓋螺栓。
5.偏擺或振動的影響
某些機器(如壓縮機等)或設備(如反應釜等)在工作時，軸有較大的振動和偏擺，軸與旋轉中心之間將會出現較大偏心。如圖4所示，若軸的中心與旋轉中心不重合，偏心距為e，則軸與填料之Z大間隙就為2e，Z小間隙為零。間隙沿圓周的分布像月牙形。月牙形的間隙位置隨著軸的轉動而周期性變化，因此起到了類似容積泵的增壓作用，這對密封是非常不利的。
四、改進措施
1.提高密封填料性能
(1)采用填料的組合使用
即采用不同種類密封填料分段混合配置。不同的填料其側壓系數和回彈性能不同，通過合理選擇不同的填料進行組合，可以極大地提高其密封效果。例如，對于膨脹石墨由于其抗拉及抗剪切能力較低，所以一般將膨脹石墨填料與石棉填料或碳纖維填料組合使用，這樣既可防止膨脹石墨填料被擠人軸隙，強烈磨損而引起介質泄漏，又可使填料徑向壓力分布均勻，增進密封效果。
實驗表明，組合填料一般比各組分單一填料的密封性能好。同樣，填料的組合方式不同，工作壽命也不同。為得到Z佳密封效果，填料組裝應符合下列原則：組合填料各圈由壓蓋到密封箱底，填料的側壓系數有增大趨勢，填料的摩擦因數依次減小，表示壓力下降速度的填料綜合系數呈減小趨勢。
(2)對填料預壓成形
填料預壓成形就是對填料先以一定的壓力進行預壓縮，然后再裝入填料箱。填料在經過預壓縮后，在相同的壓蓋壓力下，抵抗介質壓力的能力增強，變形減少，介質泄漏的阻力增大，密封效果明顯改善。
填料經過預壓縮后，與未經預壓縮的相比，裝入填料箱后其徑向壓力分布比較均勻合理，密封效果提高。預壓縮的比壓應高于介質壓力，其值可取介質壓力的1.2倍。預壓后填料應及時裝入填料腔中，以免填料恢復彈性。如果進行預壓縮時，對填料施加的壓力不同，靠近壓蓋的填料壓力小，離壓蓋越遠則預壓縮壓力越大，這樣的填料裝入填料箱壓緊后其徑向壓力分布更接近泄漏介質沿泄漏通道的壓力分布，密封效果與壽命有很大改善。
(3)采用新型密封填料
泥狀混合填料是一種新型的密封填料，它由純合成纖維、高純度石墨或高分子硅脂、聚四氟乙烯、有機密封劑進行混合，形成一種無規格限制的膠泥狀物質。泥狀混合填料密封結構如圖5所示，在軸的運轉過程中，泥狀混合填料由于分子間吸引力極小，具有很強的可塑性，可以緊緊纏繞在軸上，并隨軸同步旋轉，形成一個“旋轉層”;隨著“旋轉層”的直徑逐步增大，軸對纖維的纏繞能力逐步減小，沒有與軸纏繞的填料則與填料箱保持相對靜止，形成一個“不動層”，如圖6所示。這樣在泥狀混合填料中間形成一個剪切分層面，而不是填料與軸之間。
泥狀混合填料密封的特點是：無泄漏，密封可靠，對軸(或軸套)無磨損;安裝簡單，維修時可在線修復，降低了勞動強度;不需要沖洗和冷卻;軸功率損耗小，只有普通軟填料密封的22%左右。目前國內使用較多的泥狀混合填料主要有CMS2000和BP720兩種，其相關參數如表1所示。
2.改進密封結構
(1)改進徑向壓緊力的結構
使填料沿填料箱長度方向的徑向壓緊力分布盡可能均勻，并且與泄漏介質的壓力分布趨勢盡可能一致。其主要目的是減小軸和填料的磨損及其不均勻性，同時滿足對密封的要求。可采取以下措施。
a.采用變截面的階梯式結構
如圖7a所示，從壓蓋起到底環處填料截面逐段縮小而徑向壓力逐漸增大，接近介質壓力分布。
b.雙填料箱分段式壓緊結構
如圖b7所示，兩個填料箱軸向疊加，使后箱體底端兼作前箱體壓蓋，當填料環總數較多時，將其分段裝人前后箱體內，使壓緊力較為均勻，可適當提高其密封能力。
c.填料壓蓋自緊式結構
如圖7c所示，利用流體介質壓力直接作用于填料壓蓋前端面上，以提高在介質端部的填料受的壓緊力，也使壓緊力沿軸向的分布更趨于合理，當介質壓力增高時，這種作用將更強。
d.集裝式結構圈
如圖7d所示，由一組軟填料環裝填在一個可以沿軸向移動的金屬套筒之中，填料和套筒預緊力由壓蓋螺栓(螺母）有彈簧進行調?。工作時由于介質壓力作用在套筒底上，進一步壓縮軟填料，增加了套筒內底部軟填料對軸的壓緊作用，從而使徑向壓緊力的分布沿軸向與密封介質的壓力分布相配合。
e.采用分級軟填料密封結構
如圖7e所示，由軟填料環、金屬環、圓柱形彈簧交替安裝組合而成。它通過彈簧分別調節各層填料環的壓緊力，使之得到Z佳的徑向壓緊力分布，同時，彈簧還可以對徑向壓緊力的松弛起到補償作用。
f.采用徑向加載軟填料密封結構
如圖7f所示，此密封是通過油嘴將潤滑脂擠人彈性套，從填料外圍均勻加壓，使填料沿軸方向的徑向壓緊力分布均勻。
(2)自動補償的軟填料密封結構
設置補償結構，目的是對填料的磨損進行及時的或自動的補償;而且拆裝、檢修方便，以縮短因此而引起的停工時間。采用液壓加載和彈簧加載可以自動補償(如圖7c、d、e)。
a.變截面階梯結構b.雙填料箱分段式壓緊結構c.填料壓蓋自緊式結構d.集裝式結構e.分級軟填料密封結構f.徑向加載軟填料密封結構
圖8所示為自動補償徑向壓緊軟填料密封結構，具有以下優點：
①其徑向壓力和間隙中介質的壓力在數值上很接近，符合軟填料密封機理。
②和傳統軟填料密封結構相比，摩擦功耗低。
③各圈填料受壓套徑向壓力的作用，可始終緊壓軸表面，可保證有效密封。
④自動補償機構可連續補償徑向壓力，提高了密封的可靠性。
⑤在同樣的密封條件下，減輕了軸與填料的磨損，可延長軸和填料的使用壽命。
(3)采用浮動填料箱的結構
圖9a、b分別為內圓和外圓可浮動的填料箱結構，該結構適用于軸和殼體不同心或在轉動時擺動、跳動較大的場合。結構中利用彈性或柔軟性良好的材料(如橡膠)作過渡體，起吸振作用，使填料箱或軸處于浮動狀態，補償殼體和軸的偏心。
五、結語
軟填料密封由于結構簡單，成本低廉，拆裝方便，而且能適應各種旋轉運動、往復運動、螺旋運動及靜止元件的密封，因此，目前仍被廣泛使用。但傳統的軟填料密封也存在著許多不足之處。本文針對傳統軟填料密封的基本結構及密封原理，分析了軟填料密封存在的問題，提出了從提高密封填料性能和改進密封結構來改善密封效果和提高使用壽命的幾種措施。隨著新型密封填料的不斷出現和對軟填料密封結構及機理研究的不斷深入，軟填料密封的適用工況范圍必將不斷擴大，密封性能及壽命也將大幅提高。
（來源：通用機械）
