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1. 软填料密封基本原理
1.1 密封结构 1.2 软填料密封的原理 1.3 软填料密封结构的设计
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1.1 基本结构
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1.2 软填料密封的原理
❖ 流体通过软填料密封泄漏的机理分析 ❖ 泄漏根本原因： ➢ ①存在动力：即压力差、、浓度差，或沿泄漏方向有
相对运动； ➢ ②存在泄漏通道。 ❖ 泄漏途径： ➢ ①通过填料与静止件界面的泄漏 ➢ ②通过填料本身的泄漏（渗透泄漏） ➢ ③通过填料与运动界面之间的泄漏
样，应得到良好的润滑。
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❖ “迷宫效应”：填料压紧后，未接触的凹部形成小沟槽， 有较厚的液膜，当轴与填料有相对运动时，接触部分与 非接触部分组成一道道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏 的作用，并认为良好的密封在于维持“迷宫效应”。不 少作者都支持这一观点。
？疑问：众所周知，气体迷宫密封的原理是气体通过密封
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软填料密封的磨损与润滑
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1.3 软填料密封结构设计
❖ 结构的基本要求： ➢ ①径向应力分布均匀，且与泄漏介质压力分布规律一致； ➢ ②考虑冷却和润滑措施，及时带走摩擦热； ➢ ③设置自动补偿装置（降低应力松弛）； ➢ ④装拆方便（集装式、箱体剖分等）； ➢ ⑤防止填料挤出（隔环、组合式填料等）； ➢ ⑥防止腐蚀或磨蚀； ❖ 体现上述思想的一些新结构。 ❖ 填料函主要结构尺寸（图4-9，根据有关标准确定）。
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按加工方式分类的填料结构型式
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编结填料结构
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软填料材料组成
❖ 基体材料： ➢ 橡胶：天然橡胶、合成橡胶（NBR、CR、SBR、
EPDM）； ➢ 纤维：矿物类（石棉、柔性石墨）； ✓ 植物类（棉花、麻）； ✓ 动物类（皮革、毛发）； ✓ 合成类（人造丝、各种合成纤维）。 ❖ 辅助材料：金属、润滑剂、防腐蚀剂
关于密封机理的研究，不像一种具体的新填料或新结构 那样容易产生明显的直接效果，但却是促进密封技术发 展的具有导向性的理论依据。
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密封机理的力学特性分析
❖ 应力特征：径向应力分布 ❖ 流体压力分布 ❖ 摩擦力和摩擦力矩 ❖ 泄漏率 ❖ 磨损与润滑
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应力特征：径向应力分布
( D 2 d 2 ) / 4 g d a ( x ) K 1 f 1 d K 2 f 2 D a ( x ) d x
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填料的组合安装
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一些新型填料函结构
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填料函的结构尺寸
轴径d 填料宽B度 介质压p力填料圈数 n B、n填料函尺D寸 和H
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2. 软填料密封材料
❖ 2.1 软填料的分类、材料种类和结构 ❖ 2.2 软填料常用材料 ❖ 2.3 填料的选择、安装和使用
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2.1 软填料的分类、结构和材料
石墨纤维
原料有：聚丙烯腈、人造丝、沥青纤维、木质素纤维等。 耐焰化加工：空气中加热，200-400 °C；（70%C) 碳素化加工：氮气保护，800-1000 °C；(90-95%C) 石墨化加工：氮气保护，1000-1500 °C。(99%C)
a(x) g exp( x) ri(x) K1a(x) K1a(x)exp(x) ro(x) K2a(x) K2a(x)exp(x)
4 K1 f1d K2 f2D (D2 d2)
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流体压力分布
ri (L) K1 a (L) exp(L)
r o ( x) K2 a (x) exp( L)
❖ 为达到有效密封而要求填料柔软且富有弹性。填料柔软使 其变形后能较易填塞密封界面的微观泄漏通道，且摩擦功 耗低；良好的回弹性可以补偿因体积损失引起的应力松弛， 以降低轴不圆度及偏摆对密封作用的不利影响。
要求填料具有良好的回弹性与柔软性，也是开发新型填料 一直遵循的基本观点。
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良好的润滑性能
❖ 良好的润滑性能是保证密封长周期运行的必要条件，同时 使密封具有较低的摩擦功耗和磨损速率。
a (x) g exp(L)
g p exp(2 L) / K 1
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摩擦力和摩擦力矩
r(x)Kg exp(f K/xt)
dFt fcr(x)ddxfcKgexp(fK/xt)ddx
Ft fc
Kd
L
0g
exp(fK/xt)dx
Mt Ft d/2
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软填料密封泄漏率
Q0
d
p
h
3 0
12 L
❖ 为保证良好的润滑条件，通常允许少量的泄漏存在。对于 一般的填料（不包括具有自润滑性能的填料）只是对流体 的流动泄漏起节流作用而不是将其完全阻止或封闭。
❖ 填料中浸渍润滑剂或提高填料本身的自润滑能力就是为了 保证填料具有良好的润滑性能。
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“轴承效应”和“迷宫效应”辨析
❖ 软填料装入密封腔后，经压盖对其作轴向压缩，产生径向 力并保持与轴紧密接触，建立起密封状态。同时，填料中 浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成液膜，呈“边界 润滑”状态，类似滑动轴承，故称为“轴承效应”。
❖ 密封机理定性分析： ➢ 尽量小的密封泄漏间隙； ➢ 良好的润滑性能； ➢ 软填料密封机理的“轴承效应”和“迷宫效应”辨析。
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尽量小的密封泄漏间隙
❖ 从流体通过软填料密封泄漏的机理分析可以看出，只要存 在间隙、存在泄漏通道，就会产生泄漏。
❖ 密封本质：利用密封填料柔软特性、在轴向压紧力的作用 下径向膨胀阻塞可能存在的流体泄漏通道。
杆。 ➢ 螺旋运动：阀门的阀杆与阀座。
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(一)、软填料密封技术
1. 软填料密封基本原理 1.1 引言 1.2 软填料密封的原理 1.3 软填料密封的结构设计
2. 软填料密封材料 2.1 软填料的分类、材料种类和结构 2.2 软填料常用材料 2.3 填料的选择、安装和使用
3. 软填料密封与机械密封对比 4. 软填料密封的发展趋势
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❖ 芳纶纤维填料
❖ 芳纶纤维又称为芳香族聚酰胺纤维（Aramid), 其商品名为 Kevler纤维（Only by DuPont (杜邦)公司）。这种纤维 强度高、密度低（1.44 g/cm3)、弹性好、耐腐蚀、耐磨 损、耐热。芳纶纤维填料尤其适用在有磨粒介质的场合。
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❖ 玻璃纤维填料
❖ 一种无碱或中碱玻璃纤维膨体纱编织成有拐角、有芯子 的矩形横截面填料。适用于炉膛和加热器门之间的绝缘， 加热输送管道的联接器等。
第一凹处
图 4.16 往 复 运 动 中 橡 胶 O 形 圈 的 泄 漏
a.介 质 压 力 作 用 于 O 形 圈 的 一 侧 b.放 大 的 接 触 部 位
c. 油 被 带 入 收 敛 形 狭 缝 d.油 被 挤 入 O 形 圈 第 一 凹 处 14
❖ 动力泄漏机理 ➢ 转轴密封表面上留有的螺旋形加工痕迹，具有“泵液”
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❖ 碳素纤维填料
❖ 由碳素纤维编织而成，含95%以上的炭，有很好的耐 热性能、摩擦系数低。在制造填料过程中常在表面上 浸涂上一层PTFE,进一步增强了其化学稳定性。
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柔性石墨（膨胀石墨）填料
❖ 石墨纤维
❖ 石墨纤维是在碳素纤维的基础上，进一步提高炭的比例，其含 炭量在99%以上，因而具有极好的抗化学性和散热性，可在 400℃以上温度、很高的压力和速度条件下工作。 聚丙烯腈纤维 耐焰炭纤维 碳素纤维
Q e Q 0 (1 1 .5 2 ) e / h0
Q t 0 .5 Q 0
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密封压力轴向分布
压力p
介质侧
Hale Waihona Puke 介质压力轴向分布 密封压力不断下降
大气侧
位移x
图 软填料密封压力分布
为保证密封，理论上，填料底部的径向压力>密封介质压力。 介质压力分布与径向压力相反，密封力没有发挥作用，反而相 反地对轴起磨损作用有时甚至烧轴，此乃填料密封的最大缺点， 在一般情况下很难避免。
齿和膨胀空腔，依靠节流、膨胀和涡流摩擦使速度能转 换成摩擦耗能而实现逐级降压达到密封。而填料密封中 微观不平度构成的所谓“迷宫”，很难有这种降压作用。
实际上，恰恰相反，所谓“迷宫”是造成多空隙泄漏、
粘附泄漏或动力泄漏的基本条件。
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❖ 早在20世纪60年代，D F Denny等就提到过，“填料函 的操作像一个可调整的迷宫，迷宫的大小，决定于填料 在轴向力作用下径向膨胀的能力，流体通过填料界面的 泄漏可以认为是通过一个有效径向间隙为Cr的环隙，以 层流的形式实现。间隙由无数类似迷宫的泄漏通道所组 成，间隙的大小反比于密封比压”。显然，这里提到的 “迷宫”，正是为流体泄漏提供的泄漏通道。
制冷却，润滑等措施，避免造成烧坏填料和增大磨损。
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❖ 膨体聚四氟乙烯/石墨填料
ePTFE密度：0.2-0.3 g/cm3 PTFE密度：2.1-2.3 g/cm3
❖ 用一种含石墨粒子的膨体聚四氟乙烯（ePTFE)纤维编织而 成，并经高温硅油润滑剂浸渍。
❖ 克服了纯PTFE填料的弊端，具有良好的导热性、低摩擦系 数和低膨胀系数。可用来密封碱、溶剂、水、蒸汽、酸等介 质的离心泵、阀门、搅拌器、混合器等。
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泄漏机理
❖ 间隙泄漏机理：流体狭逢流动规律 ❖ 多孔隙泄漏机理 ❖ 粘附泄漏机理（往复运动） ❖ 动力泄漏机理（旋转运动）
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间隙泄漏机理
Q
b
h3
12
dp dx
Uh 2
Q
D
ph 3
12 L
Uh 2
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往复密封泄漏机理 p > 0 p>0
a p>0
b p>0
油被带入收敛形
c
狭缝
d 油被挤入 O 行圈
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2.2 软填料常用材料
❖ （1）编织填料 ➢ 亚麻填料、石棉填料、聚四氟乙烯（PTFE)填料、膨胀