劉鋒

（新疆眾和股份有限公司）

摘　要：著重分析了污水泵常見(jiàn)密封形式及影響密封的因素，對(duì)污水泵填料式密封進(jìn)行機(jī)械密封改造，給出改造方法及改造技術(shù)要求。文中對(duì)機(jī)械式密封做了進(jìn)一步改進(jìn)，并應(yīng)用到了排水管理中心的現(xiàn)有設(shè)備中，取得了良好的密封效果及經(jīng)濟(jì)效益。

污水處理工程是環(huán)境保護(hù)的重要項(xiàng)目，而污水泵作為污水處理工程的主要配套設(shè)備被廣泛應(yīng)用于城市排污、礦山、冶金、電力以及石化等污水處理作業(yè)，發(fā)展前景廣闊。污水泵產(chǎn)品除了要求技術(shù)性能好之外，密封是污水泵的關(guān)鍵，必須可靠性高，污水泵無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。污水泵在工作中，密封一旦失效，外部介質(zhì)或油室中的油便會(huì)進(jìn)入電機(jī)腔，引起潛水電機(jī)缺相、短路、漏電、燒壞電機(jī)，甚至影響人身安全。因此，為了進(jìn)一步提高污水泵使用的安全性、運(yùn)行可靠性以及提高污水泵無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，有必要對(duì)污水泵通常使用的機(jī)械密封進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，實(shí)行改進(jìn)。

一、常用的密封形式及不足

目前，污水泵產(chǎn)品常用的密封形式有兩種：填料密封和機(jī)械密封。填料密封，如圖1所示，是Z古老的一種密封結(jié)構(gòu)，發(fā)源于工業(yè)革命之前的傳統(tǒng)密封裝置，有著100年的材料工藝、潤(rùn)滑劑系統(tǒng)和制造方法，并保持持續(xù)進(jìn)步，目前很多的應(yīng)用場(chǎng)合。經(jīng)分析，該軟填料密封結(jié)構(gòu)存在如下缺陷：

1.密封介質(zhì)含有的雜質(zhì)嚴(yán)重影響密封性能。雜質(zhì)進(jìn)入軟填料密封內(nèi)部，進(jìn)一步增大了填料密封和軸套之間的摩擦、磨損。雖然材料耐磨性較好，但是使用效果仍然不佳，泄漏頻繁。另外由于沒(méi)有采用封液對(duì)填料密封進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，也加劇了填料與軸套之間的磨損。

2.工作狀態(tài)不穩(wěn)定需頻繁調(diào)整和更換填料。由于軟填料自身具有的粘彈特性，在工作狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛。為保持其正常的密封功能，需不斷地通過(guò)壓緊壓蓋來(lái)增大填料與軸的徑向接觸力，同時(shí)也增大了軟填料與軸的磨損，因此不得不經(jīng)常更換(或添加)填料，維修工作量和費(fèi)用大大增加。

3.磨損嚴(yán)重致使能耗量大。根據(jù)軟填料密封的工作機(jī)理，填料密封與軸(或軸套)之間必須保持較大的徑向接觸壓力以維持密封，因此填料和軸(或軸套)的摩擦、磨損都很?chē)?yán)重，在密封很快失去工作能力的同時(shí)，造成相當(dāng)大的能耗浪費(fèi)。

機(jī)械密封具有摩擦功率損失小、壽命長(zhǎng)、不泄漏等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已在水泵上廣泛應(yīng)用。要把填料密封結(jié)構(gòu)的水泵改造成機(jī)械密封結(jié)構(gòu)需從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和加工幾方面考慮。

文獻(xiàn)討論了污水泵工況時(shí)軟填料密封的失效原因，并提出了改進(jìn)的方案，有一定的借簽和實(shí)用價(jià)值;機(jī)械密封亦稱(chēng)端面密封，其有一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的端面，該端面在流體壓力及補(bǔ)償機(jī)械外彈力的作用下，依賴(lài)輔助密封的配合與另一端保持貼合，并相對(duì)滑動(dòng)，從而防止流體泄漏。

污水泵中常用的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)有兩種形式:一種方案是在潛水污水泵的油室里安裝一套雙端面機(jī)械密封(見(jiàn)圖2);另一種方案是在污水泵油室里設(shè)置一套單端面機(jī)械密封，而另一套設(shè)置在泵腔，使用在所抽送的污水介質(zhì)中。

機(jī)械密封通常由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、壓緊元件和密封元件組成。其中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的端面組成一對(duì)摩擦副，動(dòng)環(huán)靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環(huán)端面上，并在兩環(huán)端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔汉捅３忠粚訕O薄的液體膜而達(dá)到密封的目的。壓緊元件產(chǎn)生壓力，可使泵在不運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，也保持端面貼合，保證密封介質(zhì)不外漏，并防止雜質(zhì)進(jìn)入密封端面。圖2所示為雙端面機(jī)械密封，水泵側(cè)與電機(jī)側(cè)兩道密封端面都是靠彈性構(gòu)件-彈簧和密封介質(zhì)的壓力在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的接觸表面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲壕o力，使這兩個(gè)密封端面緊密貼合，端面間維持一層極薄的液體膜而達(dá)到密封的目的。其中水泵側(cè)密封端面與電機(jī)側(cè)密封端面結(jié)合處B，是密封點(diǎn)，防止所抽介質(zhì)進(jìn)入油腔，防止油腔內(nèi)的油進(jìn)入電機(jī)腔;6為靜環(huán)與壓蓋端面之間密封點(diǎn)， A處是動(dòng)環(huán)與軸配合面之間的密封點(diǎn)，C是箱體間的密封。

圖2中，A、B、C所示結(jié)構(gòu)機(jī)械密封Z容易出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，由于使用介質(zhì)的復(fù)雜性，易使抱軸橡膠老化，一旦出現(xiàn)老化就直接影響彈簧傳動(dòng)而使得密封失效，同時(shí)，兩端面密封都得靠同一個(gè)彈簧產(chǎn)生壓力，若其中一?端面接觸失效，整套密封也就失效。因此，這種機(jī)械密封一直存在失效快、返修率高的不足之處，直接影響到泵使用壽命。

機(jī)械密封在實(shí)際運(yùn)行中不是一個(gè)孤立的部件，它是與泵的其它零部件一起組合起來(lái)運(yùn)行的，同時(shí)通過(guò)其基本原理可以看出，機(jī)械密封的正常運(yùn)行是有條件的，例如:泵軸的竄量不能太大，否則摩擦副端面不能形成正常要求的比壓;機(jī)械密封處的泵軸不能有太大的撓度，否則端面比壓會(huì)不均勻等等。只有滿(mǎn)足類(lèi)似這樣的外部條件，再加上良好的機(jī)械密封自身性能，才能達(dá)到理想的密封效果。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，以機(jī)械密封來(lái)代替填料密封的情況越來(lái)越多。

二、填料密封的機(jī)械密封改造

1.改裝方法

污水泵填料筒的徑向尺寸和軸向尺寸較小，影響了機(jī)械密封的安裝。在滿(mǎn)足強(qiáng)度的情況下，將填料筒的內(nèi)徑相應(yīng)地?cái)U(kuò)大;若有軸套，可將軸套的外徑相應(yīng)地縮小或?qū)⑤S套拆除。

2.主要尺寸確定

(1)確定傳動(dòng)套或彈簧座在軸套上的位置。如圖3所示。為了防止傳動(dòng)套或彈簧座同填料內(nèi)套端面碰，把安裝機(jī)械密封的起點(diǎn)尺寸定為[H-K=5～15mm]。

(2)確定軸套總長(zhǎng)度。軸套的總長(zhǎng)度一般比原來(lái)的總長(zhǎng)度稍稍長(zhǎng)一點(diǎn)。因?yàn)榭紤]到軸套尾端部分要伸出密封壓蓋5～10mm左右，以利于安裝方便。尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)的密封壓蓋厚度而定。

(3)確定傳動(dòng)套或彈簧座在軸套上的定位尺寸D:D=L-[H-K-(5-10)+l]。

(4)軸套與軸的密封。軸套與的形圈軸的密封可采用聚四氟乙烯車(chē)制成直徑為3mm的O形圈來(lái)進(jìn)行密封。安裝機(jī)械密封的軸套，要求具有良好的抗腐蝕性和耐磨性，對(duì)于放置動(dòng)環(huán)密封圈的軸套表面要求鍍鉻處理，表面粗糙度為0.8。

(5)密封壓蓋結(jié)構(gòu)尺寸的確定。機(jī)械密封的靜環(huán)裝在壓蓋上。壓蓋上安裝靜環(huán)的各種配合尺寸均按靜環(huán)的幾何尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)可參照機(jī)械密封有關(guān)資料。

3.改造技術(shù)要求

(1)安裝機(jī)械密封部位的軸或套。軸或套的徑向跳動(dòng)0.04～0.06mm;表面粗糙度不低于0.8，軸或套外徑尺寸公差為h7;密封軸套端部必須做倒角并修光滑。

(2)密封壓蓋。密封壓蓋應(yīng)有足夠的厚度，防止在液體壓力作用下產(chǎn)生變形;密封壓蓋固定螺栓不少于3個(gè);與靜環(huán)密封圈接觸部位的表面粗糙度不低1.6，其接觸面對(duì)軸中心線(xiàn)跳動(dòng)允差±0.04mm;安裝靜環(huán)密封圈的端部必須做倒角并修光滑。

(3)轉(zhuǎn)子。瞬時(shí)軸向竄動(dòng)量不超過(guò)±0.15mm;軸向游動(dòng)量不超過(guò)±0.1mm軸振動(dòng)量不超過(guò)±0.05mm。

(4)密封腔。密封腔與密封壓蓋配合的止口跳動(dòng)允差為0.04～0.08mm;密封腔與密封壓蓋配合的端面跳動(dòng)允差為 0.06～0.08mm。

三、機(jī)械密封結(jié)構(gòu)改造

將圖2中C處密封面是機(jī)械密封Z容易發(fā)生泄露處，而錐面機(jī)械密封特別適合于含有固體懸濁物的泵送設(shè)備，因此將C處改為錐面密封，如圖4所示。靜環(huán)材料為填充聚四氟乙烯，動(dòng)環(huán)材料為不銹鋼，錐面噴涂碳化鎢。其主要特點(diǎn)為:

1.錐面機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)為一錐環(huán)，其半錐角為α;靜環(huán)的內(nèi)徑R1為定值，隨著靜環(huán)的磨損接觸母線(xiàn)長(zhǎng)度T增長(zhǎng)，靜環(huán)的外徑R2也隨之增大，R2=R1+2T sinα。

2.密封接觸面母線(xiàn)長(zhǎng)度很短(穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)初期為0.3～0.5mm)，因此接觸端面內(nèi)外溫差小，溫升低，降低了粘著磨損的程度。靜環(huán)具有較大的抗壓截面，壓力變形小。

3.密封套和動(dòng)環(huán)都具有一定的浮動(dòng)性，可使密封面始終保持良好的接觸狀態(tài)，介質(zhì)中的懸浮顆粒不易進(jìn)入密封面。

4.介質(zhì)泄漏方向與其離心力方向成一定角度，對(duì)減少泄漏有利。

錐面機(jī)械密封的密封比壓計(jì)算為:pc=ps+p1(G-λ)

在上式中:pc—密封比壓，MPa;ps—彈簧比壓，MPa;p1—介質(zhì)壓力，MPa;G—載荷系數(shù);λ—反壓系數(shù)(可根據(jù)文獻(xiàn)中[5]推薦值選取)。

在設(shè)計(jì)中注意G與接觸母線(xiàn)T的關(guān)系，當(dāng)錐面機(jī)械密封的靜環(huán)磨損后，接觸母線(xiàn)長(zhǎng)度T不斷增加，使得載荷系數(shù)G不斷減小。圖5所示為接觸母線(xiàn)長(zhǎng)度T與載荷系數(shù)G的關(guān)系曲線(xiàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，靜環(huán)磨損和G值降低所造成的卸載，使密封比壓pc降低。由此而產(chǎn)生泄漏時(shí)，必須通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧壓縮量(彈簧加載)來(lái)維持足夠的密封比壓。

機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)中，彈簧一般不再進(jìn)行調(diào)整。彈簧在錐面機(jī)械密封中起著補(bǔ)償密封環(huán)磨損卸載和G值降低卸載雙重作用，設(shè)計(jì)中正確確定彈簧比壓是保證密封性能和使用壽命的重要一環(huán)。

四、結(jié)束語(yǔ)

改造后的密封結(jié)構(gòu)，密封可靠，泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中基本不漏，調(diào)節(jié)維護(hù)方便。提高了密封性能，延長(zhǎng)了運(yùn)行周期，節(jié)省了檢修費(fèi)用。經(jīng)過(guò)上述改造之后的污水泵運(yùn)行良好，延長(zhǎng)了設(shè)備的連?運(yùn)行時(shí)間。

來(lái)源：《新疆有色金屬》