自适应回弹填料密封结构设计及有限元分析

　　针对传统填料密封结构刚性不足和径向力与压盖距离呈指数规律递减的现象，开发了一种自适应回弹填料密封，即在填料中增加开口空心金属环作为支撑件。通过有限元分析得出此密封结构弥补了传统填料密封的缺点，增加了石墨填料密封耐高压的效果，同时可以增加径向力，降低预紧力，在某些工况下可以取代机械密封。

　　1、前言

　　填料密封是在轴与壳体之间用弹塑性材料或具有弹性结构的元件堵塞流体泄漏通道的轴封装置。因其加工简单、成本低、使用操作方便等优点，广泛地应用于各类泵、搅拌机、管线膨胀节、换热器浮头等设备的轴封和阀杆的密封。但是随着现代工业的发展进步，高参数工况成为主流，传统的填料密封难以达到需要的密封要求，而机械密封结构较复杂，安装技术水平要求较高，且制造加工要求和成本高，在使用时受到限制，所以开发一种自适应性回弹填料密封。

　　2、密封结构及原理

　　现在普遍采用的填料密封，需施加较大的预紧力才能达到密封效果，这样就增大了填料圈对轴的摩擦力和反向扭矩，影响了轴的正常运转，同时对应的填料腔尺寸较大，难以适用于结构要求紧凑的场所。自适应回弹填料密封结构，通过在石墨填料圈中增加开口环来产生收缩、扩张形变，通过改变填料密封的结构，增强石墨填料圈的回弹性能，改善填料密封的径向压力分布，降低预紧力，减小轴与填料之间的摩擦力，提高软填料密封使用寿命。

　　2.1、密封结构

　　自适应回弹填料密封结构如图1 所示，外部是石墨填料圈，在填料圈的内部设有环槽，环槽内有开口金属环。使用时，自适应回弹填料密封置于密封腔内并套装在轴上，由于其上的开口金属环具有良好的回弹能力和抗老化的性能，能承受高压，加上填料圈的作用，可对轴的外圆面和密封腔的内圆面进行有效地密封，填料圈的数量可大大减少，只需施加较小的预紧力，就能达到密封效果，减小了对轴的摩擦力和反向扭矩，并能减小填料腔的尺寸，适用于结构要求紧凑和高压的工况场所，本文重点对自适应回弹填料密封的受力进行分析。

图1 自适应回弹填料密封基本结构

　　2.2、结构原理

　　工作时，内置有开口环的石墨填料圈套装于轴上，通过密封压盖压紧。压紧过程中，作用在石墨填料圈上的力传递到开口环之上，开口环向内进行收缩，产生形变并产生反向作用力。随着压紧力的增加此反作用力也增加，特别是由于开口环的开口方向背离轴方面，所产生的反作用力使石墨填料向径向及轴向分布，使得径向压紧力增加，加强了密封效果。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为由于采用了此结构使得在较小的预紧力就能产生较大的密封压紧力，减小了石墨填料对轴的摩擦力和反向扭矩，使得相应驱动装置的驱动力矩减小，降低了驱动能耗。

　　5、结论

　　(1) 开口金属环具有良好的回弹能力，增强了石墨填料密封的整体机械性能；

　　(2) 通过增加开口环，可以增加径向力，降低了预紧力，减小了对轴的摩擦力和反向扭矩，并能减小填料腔的尺寸，可适用于结构要求紧凑和高压的工况场所。