泵用编织填料动密封性能试验研究
泵轴的高速旋转对填料产生的不平衡振动和剧烈摩擦，使填料与动轴之间产生偏心间隙并加剧了填料的磨损，形成了密封流体的间隙泄漏，导致密封失效。本文针对泵轴转速n、流体介质压力P 对填料动密封性能及变化特征的影响，选取4 种编织填料产品在填料动密封实验台上进行了动密封性能试验研究。
1、前言
工程设计与应用中，通常将泵、阀设备的填料密封分属为2 种不同特性的密封技术。阀门填料密封基本属静态和微动态密封，按传统密封设计理论，只要软填料的压缩柔弹侧应力大于密封流体压力就能保证其密封的可靠性[1]。泵用填料密封虽具有静态软填料压缩柔弹侧应力密封这一共性特征，但高速旋转的泵轴对填料产生的不平衡振动和剧烈摩擦，使填料与动轴之间产生偏心间隙并加剧了填料的磨损，从而形成了密封流体的间隙泄漏，最终导致密封失效。影响填料动密封性能因素很多，其中设备的动态因素对填料动密封性能的影响尤为显著，但此方面实验研究报道尚少。因此，为探讨动泵轴转速n、流体介质压力P 对填料动密封性能( 摩擦力矩、磨损量、泄漏率) 及变化特征的影响，本文选取4 种编织填料产品在填料动密封实验台上进行动密封性能试验研究。
2、动密封试验
2.1、试验装置
按《机械设计手册》 [2] ，参照填料动密封的实际使用要求设计了填料动密封实验台，如图1 所示。
图1 填料动密封实验台示意图
由可控硅直流调速装置调控动轴的转速。由压力控制系统( 高压氮气瓶、氮气减压阀及稳压罐) 控制流体压力。由JW - 1A 扭矩仪读出总摩擦力矩M总，然后用密封的大套筒换下填料密封部分，再测出与前工况相同的轴承和机械密封的摩擦力矩M机，则填料动密封的摩擦力矩:
M = M总 - M机
填料的磨损量G 是由装填前的填料总量G总减去动密封试验1h 后的填料总量G磨后，即:
G = G总 - G磨后
填料动密封的泄漏量用10ml 量筒度量，电子表计时。
2.2、试验参数
试验介质为水，试验参数见表1。
表1 试验参数
2.3、试验试件及填料装填结构
试件尺寸: 直径55 mm ×直径 35 mm × 10mm，试件编号: C1为浸聚四氟乙烯乳液碳纤维编织填料;C2为浸聚四氟乙烯乳液予氧丝碳纤维编织填料;F1为膨体聚四氟乙烯编织填料; F2为填充石墨四氟生料带编织填料。
填料装填结构见图2。其中装填填料为同种填料，装填圈数为5 圈。
图2 填料装填结构示意
3、试验结果与分析
3.1、摩擦磨损性能
试验在流体压力为1.2MPa、动轴转速为2950r /min 的条件下，测定了4 种编织填料动密封摩擦力矩和磨损量。填料动密封摩擦力矩变化曲线如图3，填料的磨损量对比结果如图4。
图3 编织填料动密封摩擦力矩变化曲线
图4 编织填料磨耗量对比
3.2、动密封性能
动密封性能试验是在流体压力P、动轴转速n 二因素条件下，测定4 种编织填料动密封流体泄漏率。
(1) 流体压力与动密封泄漏率关系相同转速( 1450r /min) 、不同流体压力条件下，填料动密封泄漏率与流体压力关系曲线如图5 所示。
图5 填料动密封泄漏率- 流体压力曲线
(2) 动轴转速与动密封泄漏率关系相同流体压力( 1.2MPa) 、不同转速条件下，填料动密封泄漏率与动轴转速关系曲线如图6 所示。
图6 填料动密封泄漏率- 动轴转速关系曲线
3.3、结果分析
(1) 摩擦磨损性能试验结果表明填料动密封的摩擦行为基本符合摩擦学规律[3]。由图3 可见编织填料在动密封启动初始时，填料摩擦处于润滑不良状态，呈现出高摩擦启动力矩。随着动轴的运转，填料中的润滑材料如聚四氟乙烯及浸渍乳液，迅速发生了氟分子转移并在动轴表面形成氟分子转移膜，填料与动轴的摩擦得以改善，摩擦力矩逐渐降低并趋于平稳。
图3 同时给出不同材质的填料的不同润滑特性。F1、F2为氟材料材质的填料，表现出其具有优异的润滑性。以浸渍氟材料的C1、C2碳纤维类填料，因其膜转移量有限，润滑性能随时间延长而变差，并逐渐呈现出本体材料的较高摩擦性，其动密封摩擦曲线高于F1、F2曲线。
(2) 磨损试验结果如图4。高强度的碳纤维填料C1和高弹性能的膨体聚四氟乙烯填料F1都表现出优良的耐磨性能。四氟生料带编织填料F2材质强度极低，其磨损量高达7.9g /h，表现出低的密封磨损寿命。
(3) 填料动密封性能与密封的动态特性因素即流体压力、动轴转速等密切相关。图5 表明，填料动密封的泄漏率L 与流体压力P、动轴转速n成线性关系。在动轴转速不变的条件下，流体压力的变化对填料动密封影响较小，密封泄漏曲线变化幅度较为平缓，表现了编织填料对流体压力有较好的承载能力[4]。图6 表明，在流体压力不变的条件下，动轴速度的变化对填料动密封性能具有强烈的影响，动轴高转速时的流体泄漏率是动轴低转速时的流体泄漏率的5 倍之多。试验进一步验证填料在高速密封状态中，动轴运动速度所形成的偏心间隙和磨损间隙是导致填料动密封的流体泄漏和密封失效的关键因素。
(4) 图3 ～6 结果表明，不同材质、不同结构性能的编织填料其动密封效果有明显的差别。编织填料C1、F1具有的高强度、高弹性结构性能对于动轴的振动和摩擦具有一定的减缓作用，从而降低了填料动密封的间隙泄漏。
4、结论
(1) 泵轴运动特性对编织填料的动密封性能起着决定性作用。试验结果表明，编织填料较适合用于低转速动设备密封;
(2) 合理选用优异的材质和结构性能的编织填料可以改善填料的动密封性能;
(3) 建议在工程应用中，开发和使用组合密封结构填料，提升软填料的动密封综合性能，保证填料动密封的可靠性和稳定性[5 ～9]。
参考文献
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