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技师专业论文

题目：软填料密封在水泵上的应用

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工种：机修钳工
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软填料密封在水泵上的应用
摘要：
一、传统填料密封方式的不足之处 离心泵填料密封的作用，是防止液体从轴封处泄出泵外和防止空气侵入泵内，盘根填料装入填料腔后，通过盘根压盖对盘根的轴向压力使盘根产生径向的扩张，对轴套产生径向的压力而形成密封。盘根填料表面粗糙，摩擦系数大，它与轴套的摩擦将产生以下几方面的影响：①轴套容易磨损，必须经常更换；②克服轴套与填料的摩擦力必须多损耗10%～15%的轴功率③为了带走摩擦产生的热量和防止空气侵入泵内，在泵填料密封中设有水封结构，将泵高压区的水引入水封环。但这样一来又带来了新的密封问题，一方面来自泵高压区的水本身也需要密封，另一方面，在维修人员更换盘根时，因水封环容易受挤压而错位，导致无法形成自密封冷却。二、分析了水泵常用的填料密封和机械密封轴封装置存在的缺点，介绍了一种新型的填料密封及其在水泵上的应用。
关键词：填料密封；机械密封；水泵

泵的应用十分广泛，其旋转轴用密封是泵中关键的部件。在离心泵的工作过程中，因离心泵的泵轴、叶轮是运动的，而泵壳是静止的。这样，在旋转的叶轮压盖和静止的泵壳内壁会有环形间隙，高压流体便会由此间隙从叶轮出1漏到入2，导致泵的容积效率降低。泵的密封性能是评价泵产品质量的一个主要指标。常用的轴封装置有填料密封和机械密封2种。
1 填料密封
1．1 填料密封原理

图1 离心泵轴封的传统填料密封结构图
填料密封主要由与泵壳连在一起的填料函壳、软填料、填料压盖等组成。常用盘根填料密封是通过盘根压盖施于轴向压力，使得盘根径向产生扩张压力，并紧紧包在轴套上，从而形成密封。在盘根之间有一分水环与泵壳体相通，用于通入冷却水。其作用有：一是冷却盘根和轴套，防止盘根因摩擦发热而烧损；二是一定程度上起到以水润滑的作用。如图1所示为某325H一19型循环水泵轴封系统的传统填料密封结构示意图。
1.2 填料密封的缺点
(1)填料密封的贴紧接触力来源于压盖对填料的轴向压力而使填料产生径向扩张力，造成填料与轴套之间形成较大的摩擦，因而需要经常更换磨损的轴套。
(2)需要损耗10％ ～15％ 的轴功率来克服轴套与填料之间的摩擦力而实现密封。
(3)填料密封的泄漏极易使泄液进入轴承箱，造成轴承的损坏。
(4)填料密封在使用过程中，由于填料经常处于非正常的使用状态，加剧了填料磨损和轴套的损坏，使得填料密封的使用处于恶性循环。
(5)为了将填料与轴或轴套之间的摩擦热带走，必须有定量的泄漏，造成冷却水的流失。总之，填料密封的优点是简单易行，缺点是维修工作量大，功率的损失也较大，且由于它总是有一定的泄漏，故不适用于输送易燃、易爆、有毒和贵重液体。
2 机械密封
机械密封亦称端面密封，是常用的一种密封方式，其有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下，依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合，并相对滑动，从而防止流体泄漏。
2.1 机械密封工作原理
如图2所示为单端面非平衡型大弹簧机械密封的典型结构。

图2 单端面非平衡型大弹簧机械密封的典型结构
图2中动环和静环是主要密封元件。动环和静环一般由一软一硬不同的耐磨材料组成，如石墨、聚四氟乙烯对硬质合金、陶瓷、碳化钨、氮化硅、铬钢等，动环6套在轴上，动环外径与传动座2内径是花键连接，传动座螺钉1压紧在轴上，这样轴旋转时，带动传动座和动环一起旋转。动环和轴之间有密封圈5，以阻止液体沿轴向外泄漏。静环7和机械密封压盖9(或泵体)之间也有密封圈8防止液体往外泄漏。动环在弹簧力和液体压力的作用下，紧压在静环上达到密封的作用，传动座和动环之间的弹簧推环4用调节螺钉来调节弹簧压力大小。以调节动环与静环之间的密封程度。为防止静环旋转，压盖上有防转销。为防止动环因对静环的相对转动产生摩擦而产生的高温烧坏密封面或使液体汽化而造成动环和静环之间的干摩擦，所以一般都要对端面用液体冲洗冷却。
2.2 机械密封的缺点
机械密封方式虽然泄漏量相当小，无需冷却水，使用周期长，一般可以达到一年以上，但是机械密封机构很复杂，又是环状零件，安装时技术要求很高，稍有偏差对水泵运行影响很大；检修时必须对水泵解体才能进行，使得检修工作量大为增加。机械密封零配件机械制造加工工艺亦因其工艺技术要求非常高而繁琐复杂，使得机械密封的成套造价很高，一套一般都在万元左右。
3 新型填料密封在水泵上的应用
机械密封价格昂贵，在普通水泵上应用成本难以接受，因此人们针对传统填料密封存在的缺点，进行了改进。改进水泵填料密封方式的方法主要针对盘根填料进行改良，其原则是提高填料的密封性能和耐用性，增加填料的润滑性，减少摩擦，改善泵轴运转状况。
1995年美国赤士盾(CHESTRTON)公司推出一种新型的革新填料— —层状剪切式密封填料CMS2000。CMS2000型填料由纯合成的KEVLAR纤维、高纯的石墨、PTFE(聚四氟乙烯)、有机密封剂等材料混合组成，形成一种无规格限制的黑色胶状物。使用时，在填料函的前后端装入编织环或石墨填料，中间用高压注入枪注入CMS2000的胶状物，直至充满。
3．1 工作原理
CMS2000层状剪切式迷宫密封系统可以看作是机械密封、填料密封、间隙和迷宫密封的有机组合。它既有机械密封的“旋转层” 和“静止层”，又有填料密封的编织环、填料调整压盖，还有CMS2000层状剪切式密封材料在使用中形成的间隙迷宫密封结构。

图3 CMS2000层状剪切式迷宫密封系统安装图
在轴旋转运动过程中，CMS2000填料中的KEV．LAR纤维会缠绕在轴(或轴套)上并随轴同步旋转，形成一个“旋转层”。在填料函内壁附近，CMS2000填料粘附其上，形成一个“不动层”。这样，泵轴的转动使填料的处在中间的填料层作剪切运动，这是因为填料间吸引力极小。其层间摩擦因数很小。图3为CMS2000层状剪切式迷宫密封系统示意图。
3.2 CMS2000填料的特点
3.2.1 可实现零泄漏
CMS2000作为一种新型的密封产品，填料内外层分别粘附在轴和填料函腔，泵送介质必须击穿填料才可能外漏，在填料的许用范围内达到完全无泄漏的效果，且使用寿命较长。泵在停止运行后，由于CMS2000填料的内部磨损、消耗以及层状剪切式迷宫密封面之间存在间隙，可能会发生一定的泄漏，此时只需加注少量的CMS2000填料即可。
3.2.2 不会对轴造成磨损
CMS2000填料的“旋转层” 紧紧缠绕在轴套上，与轴套保持相对静止，对轴套起到了保护作用，不会产生磨损现象。即使轴套有一些磨损，由于是环状磨损，而CMS2000具有很强的可塑性，使得“旋转层”始终能紧紧包在轴套上，从而达到密封效果。这是前传统填料密封和机械密封无法做到的。
3.2.3 节能降耗效果十分显著
CMS2000填料是一种胶泥状物质，分子间作用力很小，其摩擦力很小，因此对轴功率损耗很小，只有盘根密封的22％左右，即是轴功率的2％ ～3％ ，大大降低了电耗，提高了水泵的效率。另外CMS2000填料所消耗的轴功率极小，产品的摩擦热也很少，不需要像机械密封和传统填料密封那样需要冲洗和冷却，可以大大节约水资源。
3.2.4 可在线修复、维修
当CMS2000有泄漏需要维修时，可以直接从安装注入口向填料腔中注入一部分新的CMS2000即可，这样大大降低了维修工作量，实现了在线修复。
3.2.5 安装简单，应用范围广
由传统填料密封改为CMS2000系列层状剪切式迷宫密封系统，安装改造工作简单。只需要取出原填料密封结构中的水封环，安装好前、后编织端环，加装CMS2000注入丝头和阀门，并在二个编织端环间充满该产品即可。CMS2000层状剪切式迷宫密封系统适用于温度为一40～750 qc，压力小于1．5 MPa，转轴线速度小于18 m／s的除强酸、强氧化性以及对该产品有分解或损坏作用外的一切介质，特别适合在电厂、炼化装置、供排水公司等单位的大流量、低压力的水泵中应用。
3.3 经济效益分析
以某型号32SH一19水泵为例，该泵基本参数为：功率630 kw；泵入口压力0．02 MPa；泵出口压力0．3MPa；额定流量4 700～6 010 t／h；转(下转第188页)类型及调整几何参数的情况下，通常也不会(或很少)改变切削液用量。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量最少，与切削液有关的费用也降至最低。他们在福特公司所做的实验中，对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与研究，并对工件表面粗糙度、积屑瘤和切削力等作了分析，通过实验得出了最适当的切削液用量。美国Thyssen制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术，使切削液液流或气雾通过刀具作用于加工区域，切削液的流量由CNC程序控制，效果十分理想。既减少了切削液的使用量，降低了成本，又减少了废液排放，有利于环境保护。
4 切削液的发展趋势
4 1 高性能水性产品的开发应用由于有效的水溶性极压添加剂的缺乏，水溶性切削液产品在加工精度较高的场合的应用受到了一定程度的限制，许多精密机床进行的高精密度的加工都使用非水溶性切削液。近期，由于原油价格的不断上涨，油性切削液产品的价格也随之高涨，许多机械加工业厂家的生产成本相应增加。为了减少生产成本，提高产品的市场竞争力，大量的机械加工厂商希望用性能优良的水溶性切削液代替非水溶性切削液。如何开发性能优良的水溶性切削液产品已成为各大小切削液生产厂商关注的问题。
4.2 绿色切削液的开发
大力开发对生态环境和人类健康负作用小、加工性能优越的切削液，朝着对人和环境完全无害的绿色切削液方向发展；同时，努力改进供液方法，优化供液参数和加强使用管理，以延长切削液的使用寿命，减少废液的排放量；此外，还应进一步研究废液的回收利用和无害化处理技术。此外，为了达到环境保护的目的，非水溶性切削液还需要尽可能地对环境不产生污染。目前仍在使用的极压润滑剂主要是含有硫、磷、氯类的化合物，如硫化烯烃、硫化动植物油、硫脲、磷酸酯、氯化石蜡等，它们在高温下与金属表面发生化学反应生成化学反应膜， 在切削中起极压润滑作用。它们的润滑性能很好，但对环境有污染，对操作者有害。随着人们环保意识的加强，现在对此类添加剂有了一定的限制。国内外正在着手研究其替代物。近年来，无毒无害的硼酸盐(酯)类添加剂受到了广泛的重视。目前研究开发的重点是：
(1)矿物油逐渐被生物降解性好的植物油和合成酯所代替。
(2)非水溶性切削液逐渐被水溶性切削液所代替。
(3)开发性能优良且对人体无害和对环境无污染的添加剂。
4.3 切削液的绿色使用
(1)推广集中冷却润滑系统，即把机械加工设备各自独立的冷却润滑装置合并为一个冷却润滑系统，使切削液维护管理上水平上台阶。
(2)研究干切削和最少量润滑切削，以减少切削液的使用量和废液的排放。
(3)研究和推广切削液废液处理新工艺、新技术，以确保排放的废液对环境无污染。(上接第186页)速985 r／rain；介质温度：20—5O℃，原用密封为浸油盘根；盘根规格：20 mln×20mm；盘根数量：8层x 2(侧)；轴套外径130 mm。该填料泵每2年要大修一次，泵的盘根每3个月需更换一次，该泵每年的盘根维护费用为4次／年X200 次=800元；每3年需要更换轴套2件，费用为400 套。因此使用传统填料每年相关的维护费用为1 067元。
现在按每年加注CMS2000填料4次，每次加注30 mL计算，约需要4 X 30×2．8元／mL=336元。即与使用传统填料相比，每年可降低维修费用731元。另外，使用CMS2000填料后，还可以节省功率消耗；可以降低密封材料的库存；泵的运行操作和维修工作量大大减少，可以将更多的人员从繁重的设备运行和维护中解脱出来。
5 结束语
分析了水泵常用的填料密封和机械密封轴封装置存在的缺点，介绍了一种新型的填料CMS2000及其在水泵上的应用。CMS2000填料密封可明显降低电耗、水耗、备件损耗、设备损耗，降低了检修维护劳动强度，也因此降低了事故发生率，在实际生产中较为经济实用，具有广泛的推广价值和应用前景。

参考文献
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【3】顾永泉．流体动密封[M]．北京：石油大学出版社，1990．

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