填料密封机理 - 优诺沃密封件有限公司

填料装入填料腔以后，经压盖对它作轴向压缩（见图29.5-9），当轴与填料有相对运动时，由于填料的塑性，使它产生径向力，并与轴紧密接触。与此同时，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成油膜。由于接触状态并不是特别均匀的，接触部位便出现“边界润滑”状态，称为“轴承效应”；而未接触的凹部形成小油槽，有较厚的油膜，接触部位与非接触部位组成一道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏的作用，此称“迷宫效应”。这就是填料密封的机理。显然，良好的密封在于维持“轴承效应”和“迷宫效应”。也就是说，要保持良好的润滑和适当的压紧。若润滑不良，或压得过紧都会使油膜中断，造成填料与轴之间出现干摩擦，最后导致烧轴和出现严重磨损。
图29.5-9填料的压紧力分布
为此，需要经常对填料的压紧程度进行调整，以便填料中的润滑剂在运行一段时间流失之后，再挤出一些润滑剂，同时补偿填料因体积变化所造成的压紧力松弛。显然，这样经常挤压填料，最终将使浸渍剂枯竭，所以定期更换填料是必要的。此外，为了维持液膜和带走摩擦热，有意让填料处有少量泄漏也是必要的。一般转轴用填料密封的允许泄漏量可参考表29.5-12。

表29.5-12 一般转轴用填料密封的允许泄漏量

允许泄漏量 /mL·min^-1	轴径/mm
允许泄漏量 /mL·min^-1	25	40	50	60
起动30分钟内	24	30	58	60
正常运行	8	10	16	20

注：转速3600r/min，介质压力0.1～0.5MPa。
正常填装并压紧的填料，其径向力的分布如图29.5-9所示，在填料接触的长度方向取填料的微分量dx，作用在此微分量上的轴向压紧力为p_x，径向压紧力为p_r，则有

式中K——填料的柔软系数，小于或等于1（表29.5-13）。

表29.5-13 填料的柔软系数K

	浸润滑脂的填料	石墨编结填料	半金属填料
K	0.6～0.8	0.9～1.0	0.8～0.9

为了保证密封，填料底部的径向压紧力必需大于或等于介质的内压力，即p_r≥p_i，此处p_i为填料腔以内的介质压力。由于填料的塑性，P_X沿着接触长度方向是变化的，变化的规律由微分量dx的平衡条件来求得，即

式中 u_c——填料与轴表面、填料与腔的内壁面之间的摩擦系数。
将（29.5-1）代入式（29.5-2）得

由于密封时在x=L处p_r≥p_i（或Kp_x≥p_i），并把（R-r）用填料的厚度h表示后，积分得
所以

在压盖处x=0，故压盖施加的压力（作用于单位面积上的力）为

    即压盖的压紧力与介质内压成正比。同时，当填料的柔软性系数K越小，接触宽度越大以及填料的厚度很小时，压盖的压紧力也越大。
    以上是填料装填正常时径向力的分布情况。当填料装填不好时，将大大改变此压力的分布状况。同时，在填料运转一段时间后，由于润滑剂流失，填料体积变小，压紧力松弛，径向力的分布曲线会变得平缓。
    截断沿轴及箱壁泄漏通道所需的压紧载荷

另一方面，装填料箱时将填料压实的载荷

式中 D、d——填料箱内壁直径及轴直径（m）；
         Y——软填料压紧压力（MPa）。
    石棉类填料Y=4MPa、天然纤维类填料Y=2.5MPa、膨胀石墨填料Y=3.5MPa。
    取F′或F″中数值较大者作为螺栓载荷F，确定压盖螺栓的螺纹小径

式中 n——螺栓数目，一般2～4个；
     [σ]——螺栓材料的许用应力（MPa）。
    填料环数由介质压力与运动方式选取，见表29.5-14。
    压紧力对填料的密封性有决定性的影响，根据经验，泄漏量q大到有下列关系：

表29.5-14 填料环数与介质压力关系

轴杆运动方式	旋转			往复
介质压力P/MPa	0.1	0.5	1	＜1	1～3.5	3.5～7	7～10	＞10
填料环数Z	4～5	5～7	6～8	3～4	4～5	5～6	6～7	7～8或更多

即泄漏量与压紧力的平方成反比。当压紧力调整至正常以后，通过填料的泄漏量可按下列步骤计算：
当填料与轴的间隙很小，泄漏量不大时，可认为漏液作层流流动，于是泄漏量为

式中   d——轴径（m）；
       C_r——直径间隙（m）；
      η——液体的动力粘性系数（Pa·s）；
      L——填料与轴的接触长度（m）；
      △p——填料两侧的压差（MPa）。