泵用編織填料動密封性能試驗研究

動密封 劉潔 華東理工大學

  軸的高速旋轉對填料產生的不平衡振動和劇烈摩擦,使填料與動軸之間產生偏心間隙并加劇了填料的磨損,形成了密封流體的間隙泄漏,導致密封失效。本文針對泵軸轉速n、流體介質壓力P 對填料動密封性能及變化特征的影響,選取4 種編織填料產品在填料動密封實驗臺上進行了動密封性能試驗研究。

1、前言

  工程設計與應用中,通常將泵、閥設備的填料密封分屬為2 種不同特性的密封技術。閥門填料密封基本屬靜態和微動態密封,按傳統密封設計理論,只要軟填料的壓縮柔彈側應力大于密封流體壓力就能保證其密封的可靠性[1]。泵用填料密封雖具有靜態軟填料壓縮柔彈側應力密封這一共性特征,但高速旋轉的泵軸對填料產生的不平衡振動和劇烈摩擦,使填料與動軸之間產生偏心間隙并加劇了填料的磨損,從而形成了密封流體的間隙泄漏,最終導致密封失效。影響填料動密封性能因素很多,其中設備的動態因素對填料動密封性能的影響尤為顯著,但此方面實驗研究報道尚少。因此,為探討動泵軸轉速n、流體介質壓力P 對填料動密封性能( 摩擦力矩、磨損量、泄漏率) 及變化特征的影響,本文選取4 種編織填料產品在填料動密封實驗臺上進行動密封性能試驗研究。

2、動密封試驗

2.1、試驗裝置

  按《機械設計手冊》 [2] ,參照填料動密封的實際使用要求設計了填料動密封實驗臺,如圖1 所示。

填料動密封實驗臺示意圖

圖1 填料動密封實驗臺示意圖

  由可控硅直流調速裝置調控動軸的轉速。由壓力控制系統( 高壓氮氣瓶、氮氣減壓閥及穩壓罐) 控制流體壓力。由JW - 1A 扭矩儀讀出總摩擦力矩M總,然后用密封的大套筒換下填料密封部分,再測出與前工況相同的軸承和機械密封的摩擦力矩M機,則填料動密封的摩擦力矩:

M = M總 - M機

  填料的磨損量G 是由裝填前的填料總量G總減去動密封試驗1h 后的填料總量G磨后,即:

G = G總 - G磨后

  填料動密封的泄漏量用10ml 量筒度量,電子表計時。

2.2、試驗參數

  試驗介質為水,試驗參數見表1。

表1 試驗參數

試驗參數

2.3、試驗試件及填料裝填結構

  試件尺寸: 直徑55 mm ×直徑 35 mm × 10mm,試件編號: C1為浸聚四氟乙烯乳液碳纖維編織填料;C2為浸聚四氟乙烯乳液予氧絲碳纖維編織填料;F1為膨體聚四氟乙烯編織填料; F2為填充石墨四氟生料帶編織填料。

  填料裝填結構見圖2。其中裝填填料為同種填料,裝填圈數為5 圈。

填料裝填結構示意

圖2 填料裝填結構示意

3、試驗結果與分析

3.1、摩擦磨損性能

  試驗在流體壓力為1.2MPa、動軸轉速為2950r /min 的條件下,測定了4 種編織填料動密封摩擦力矩和磨損量。填料動密封摩擦力矩變化曲線如圖3,填料的磨損量對比結果如圖4。

編織填料動密封摩擦力矩變化曲線

圖3 編織填料動密封摩擦力矩變化曲線

編織填料磨耗量對比

圖4 編織填料磨耗量對比

3.2、動密封性能

  動密封性能試驗是在流體壓力P、動軸轉速n 二因素條件下,測定4 種編織填料動密封流體泄漏率。

  (1) 流體壓力與動密封泄漏率關系相同轉速( 1450r /min) 、不同流體壓力條件下,填料動密封泄漏率與流體壓力關系曲線如圖5 所示。

填料動密封泄漏率- 流體壓力曲線

圖5 填料動密封泄漏率- 流體壓力曲線

  (2) 動軸轉速與動密封泄漏率關系相同流體壓力( 1.2MPa) 、不同轉速條件下,填料動密封泄漏率與動軸轉速關系曲線如圖6 所示。

填料動密封泄漏率- 動軸轉速關系曲線

圖6 填料動密封泄漏率- 動軸轉速關系曲線

3.3、結果分析

  (1) 摩擦磨損性能試驗結果表明填料動密封的摩擦行為基本符合摩擦學規律[3]。由圖3 可見編織填料在動密封啟動初始時,填料摩擦處于潤滑不良狀態,呈現出高摩擦啟動力矩。隨著動軸的運轉,填料中的潤滑材料如聚四氟乙烯及浸漬乳液,迅速發生了氟分子轉移并在動軸表面形成氟分子轉移膜,填料與動軸的摩擦得以改善,摩擦力矩逐漸降低并趨于平穩。

  圖3 同時給出不同材質的填料的不同潤滑特性。F1、F2為氟材料材質的填料,表現出其具有優異的潤滑性。以浸漬氟材料的C1、C2碳纖維類填料,因其膜轉移量有限,潤滑性能隨時間延長而變差,并逐漸呈現出本體材料的較高摩擦性,其動密封摩擦曲線高于F1、F2曲線。

  (2) 磨損試驗結果如圖4。高強度的碳纖維填料C1和高彈性能的膨體聚四氟乙烯填料F1都表現出優良的耐磨性能。四氟生料帶編織填料F2材質強度極低,其磨損量高達7.9g /h,表現出低的密封磨損壽命。

  (3) 填料動密封性能與密封的動態特性因素即流體壓力、動軸轉速等密切相關。圖5 表明,填料動密封的泄漏率L 與流體壓力P、動軸轉速n成線性關系。在動軸轉速不變的條件下,流體壓力的變化對填料動密封影響較小,密封泄漏曲線變化幅度較為平緩,表現了編織填料對流體壓力有較好的承載能力[4]。圖6 表明,在流體壓力不變的條件下,動軸速度的變化對填料動密封性能具有強烈的影響,動軸高轉速時的流體泄漏率是動軸低轉速時的流體泄漏率的5 倍之多。試驗進一步驗證填料在高速密封狀態中,動軸運動速度所形成的偏心間隙和磨損間隙是導致填料動密封的流體泄漏和密封失效的關鍵因素。

  (4) 圖3 ~6 結果表明,不同材質、不同結構性能的編織填料其動密封效果有明顯的差別。編織填料C1、F1具有的高強度、高彈性結構性能對于動軸的振動和摩擦具有一定的減緩作用,從而降低了填料動密封的間隙泄漏。

4、結論

  (1) 泵軸運動特性對編織填料的動密封性能起著決定性作用。試驗結果表明,編織填料較適合用于低轉速動設備密封;

  (2) 合理選用優異的材質和結構性能的編織填料可以改善填料的動密封性能;

  (3) 建議在工程應用中,開發和使用組合密封結構填料,提升軟填料的動密封綜合性能,保證填料動密封的可靠性和穩定性[59]

參考文獻

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