自动补偿径向压紧软填料密封结构设计

  摘要:通过理论分析和试验研究,总结了轴向内压紧软填料密封结构的优缺点。在此基础上,提出并设计了 1 种性能比轴向内压紧软填料密封结构性能更好的自动补偿径向压紧软填料密封结构。

  软填料密封成本低廉、结构简单、使用方便,被广泛应用于多种流体机械的动密封部位。文中通过理论分析和试验研究,总结了轴向压紧结构的优缺点,根据其存在的问题,设计了 1 种自动补偿径向压紧软填料密封结构。

  为保证密封,填料对旋转轴任意一点产生的径向压力必须大于或等于该点的介质压力, 即 pri≥pj[ 1]。由于软填料的塑性, 径向压力 pri沿轴向是变化的,其变化规律可由微元体的轴向平衡条件求得。在填料上取一微元体进行受力分析,见图 1。

  填料被压紧时,微元体左侧环面上受 pxi作用,右侧环面上受 pxi +dpxi作用及轴的外圆表面和填料函内圆表面对它的摩擦力 Fx 作用, F x =pri2π ( R +r ) f1dx ,沿 x 轴的正方向有力的平衡方程式

  填料所受的轴向压力 pxi和径向压力 pri间存在的比例关系 [ 1] :

  从式( 11)可见,轴向内压紧密封结构的摩擦功耗比轴向外压紧密封结构的摩擦功耗小 ,一般密封结构中,轴向内压紧结构的摩擦功耗仅为轴向外压紧结构中的 1/7 ~ 1/3[ 2 ]。

  由磨损定律知,轴的磨损量与填料对轴的径向压紧力成正比,与摩擦滑动行程成正比。由此可推出轴磨损部位的母线形状应是指数曲线形状。为验证这一理论的分析结果, 在 3 台型号为 8AS-7 的离心泵上做了试验。密封结构为轴向压紧软填料密封结构, 填料为浸油石棉编织填料, 轴套材质为HT250,为了消除封液压力对磨损量的影响 ,未采用封液。经过 60 d 运行后,观察到轴磨损部位的母线形状和理论分析出的母线形状不一致。磨损表面出现了几道环形沟槽, 各道沟槽深浅不一且分布没有规律。分析认为, 该结果主要是由于转子的回转效应和转子受冲蚀后的不平衡影响而出现偏磨造成的[2 ,3]。偏磨时径向压力增大, 摩擦力增大,摩擦表面温度上升,润滑剂的性能下降,导致轴套表面加速破坏[ 4] ,沟槽便逐渐形成并不断加深。与沟槽相接触的填料发生如图 3 所示的径向膨胀和轴向紧缩,径向膨胀后,部分填料嵌入到沟槽中,这些填料轴向紧缩后,如果轴向压紧力得不到及时有效的补偿,填料整体密封能力下降。当人为补紧填料时,嵌入沟槽中填料的轴向移动因沟槽的阻止受到限制,致使其后面填料的径向压紧力几乎得不到补偿,使得这些填料的密封性能得不到充分发挥。为达到密封效果,只能不断压紧填料压盖和沟槽之间的填料,这就加快了这部分填料的压实和发硬速度。

  ①在不发生偏磨的情况下,填料对轴或轴套的径向压力和间隙中介质的压力在数值上很接近。②摩擦功耗小。③在发生偏磨时,轴或轴套表面的沟槽会阻止轴向力的传递,使沟槽后面的填料因难以获得径向力的补偿而不能充分发挥它们的密封性能 ,从而阻碍了各种新型填料优良性能的发挥[ 2]。

  2 自动补偿径向压紧软填料密封结构基于上述试验和分析,我们提出了既能发挥轴向压紧软填料密封结构的优点又能克服其缺点的自动补偿径向压紧填料密封结构,见图4。

  只有保证填料和轴的各接触点上都遵守 pri ≥pj 才能保证该结构应有的密封性能[ 5] 。密封所需的径向力是由压套的内柱面沿径向预压紧填料产生的。当填料和轴磨损后 , 弹簧会拉动压套向外移动,柱面母线的形状决定了当压套由内向外移动后, 填料和轴表面间各接触点上的径向力会得到及时有效补偿,从而提高了密封的可靠性。

  压套内柱面的母线形状和弹簧的安装载荷直接影响填料对轴表面的径向压力的轴向分布,故合理设计母线形状和弹簧的安装载荷是结构设计的重点。

  虽然径向压力的分布规律和间隙中介质压力的分布规律不同 ,但二者在数值上比较接近,这一设计原则较符合工程实际[ 1] 。该结构中,填料的周向应变 ε t 和轴向应变 ε z 均很小,可近似取为 0,填料可简化为只受单向应力 pri作用的受力体来计算,建立如图 4 所示的坐标。依虎克定律有:

  联立式( 12) 和式( 13) ,解得压套内柱面的母线 弹簧的安装载荷

  按机械设计手册中的步骤结合本结构的特点设计弹簧。为使该结构既能保证良好的密封又不致使径向摩擦力太大, 建议弹簧的安装载荷应满足下式 :

  自动补偿径向压紧软填料密封结构具有以下优点: ①其径向压力和间隙中介质的压力在数值上很接近,符合软填料密封机理。②和轴向外压紧密封结构相比,摩擦功耗低。③各圈填料受压套径向压力的作用, 可始终紧压轴表面 , 能保证有效密封。④自动补偿机构可连续补紧径向压力, 提高了密封的可靠性。⑤在同样的密封条件下, 减轻了轴与填料的磨损 ,可延长轴和填料的使用寿命。因此, 该结构具有良好的应用前景。

  [ 5] 阀门管件设备编译组 . 美国阀门管件设计手册[ M] . 北京 : 机械

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