填料密封機理 - 優諾沃密封件有限公司

填料裝入填料腔以後，經壓蓋對它作軸向壓縮（見圖29.5-9），當軸與填料有相對運動時，由于填料的塑性，使它產生徑向力，並與軸緊密接觸。與此同時，填料中浸漬的潤滑劑被擠出，在接觸面之間形成油膜。由于接觸狀態並不是特別均勻的，接觸部位便出現“邊界潤滑”狀態，稱為“軸承效應”；而未接觸的凹部形成小油槽，有較厚的油膜，接觸部位與非接觸部位組成一道不規則的迷宮，起阻止液流泄漏的作用，此稱“迷宮效應”。這就是填料密封的機理。顯然，良好的密封在于維持“軸承效應”和“迷宮效應”。也就是說，要保持良好的潤滑和適當的壓緊。若潤滑不良，或壓得過緊都會使油膜中斷，造成填料與軸之間出現干摩擦，最後導致燒軸和出現嚴重磨損。
圖29.5-9填料的壓緊力分布
為此，需要經常對填料的壓緊程度進行調整，以便填料中的潤滑劑在運行一段時間流失之後，再擠出一些潤滑劑，同時補償填料因體積變化所造成的壓緊力松弛。顯然，這樣經常擠壓填料，最終將使浸漬劑枯竭，所以定期更換填料是必要的。此外，為了維持液膜和帶走摩擦熱，有意讓填料處有少量泄漏也是必要的。一般轉軸用填料密封的允許泄漏量可參考表29.5-12。

表29.5-12 一般轉軸用填料密封的允許泄漏量

允許泄漏量 /mL‧min^-1	軸徑/mm
允許泄漏量 /mL‧min^-1	25	40	50	60
起動30分鐘內	24	30	58	60
正常運行	8	10	16	20

注︰轉速3600r/min，介質壓力0.1～0.5MPa。
正常填裝並壓緊的填料，其徑向力的分布如圖29.5-9所示，在填料接觸的長度方向取填料的微分量dx，作用在此微分量上的軸向壓緊力為p_x，徑向壓緊力為p_r，則有

式中K——填料的柔軟系數，小于或等于1（表29.5-13）。

表29.5-13 填料的柔軟系數K

	浸潤滑脂的填料	石墨編結填料	半金屬填料
K	0.6～0.8	0.9～1.0	0.8～0.9

為了保證密封，填料底部的徑向壓緊力必需大于或等于介質的內壓力，即p_r≧p_i，此處p_i為填料腔以內的介質壓力。由于填料的塑性，P_X沿著接觸長度方向是變化的，變化的規律由微分量dx的平衡條件來求得，即

式中 u_c——填料與軸表面、填料與腔的內壁面之間的摩擦系數。
將（29.5-1）代入式（29.5-2）得

由于密封時在x=L處p_r≧p_i（或Kp_x≧p_i），並把（R-r）用填料的厚度h表示後，積分得
所以

在壓蓋處x=0，故壓蓋施加的壓力（作用于單位面積上的力）為

    即壓蓋的壓緊力與介質內壓成正比。同時，當填料的柔軟性系數K越小，接觸寬度越大以及填料的厚度很小時，壓蓋的壓緊力也越大。
    以上是填料裝填正常時徑向力的分布情況。當填料裝填不好時，將大大改變此壓力的分布狀況。同時，在填料運轉一段時間後，由于潤滑劑流失，填料體積變小，壓緊力松弛，徑向力的分布曲線會變得平緩。
    截斷沿軸及箱壁泄漏通道所需的壓緊載荷

另一方面，裝填料箱時將填料壓實的載荷

式中 D、d——填料箱內壁直徑及軸直徑（m）；
         Y——軟填料壓緊壓力（MPa）。
    石棉類填料Y=4MPa、天然縴維類填料Y=2.5MPa、膨脹石墨填料Y=3.5MPa。
    取F′或F〞中數值較大者作為螺栓載荷F，確定壓蓋螺栓的螺紋小徑

式中 n——螺栓數目，一般2～4個；
     [σ]——螺栓材料的許用應力（MPa）。
    填料環數由介質壓力與運動方式選取，見表29.5-14。
    壓緊力對填料的密封性有決定性的影響，根據經驗，泄漏量q大到有下列關系︰

表29.5-14 填料環數與介質壓力關系

軸桿運動方式	旋轉			往復
介質壓力P/MPa	0.1	0.5	1	＜1	1～3.5	3.5～7	7～10	＞10
填料環數Z	4～5	5～7	6～8	3～4	4～5	5～6	6～7	7～8或更多

即泄漏量與壓緊力的平方成反比。當壓緊力調整至正常以後，通過填料的泄漏量可按下列步驟計算︰
當填料與軸的間隙很小，泄漏量不大時，可認為漏液作層流流動，于是泄漏量為

式中   d——軸徑（m）；
       C_r——直徑間隙（m）；
      η——液體的動力粘性系數（Pa‧s）；
      L——填料與軸的接觸長度（m）；
      △p——填料兩側的壓差（MPa）。