摘要:本文針對高壓30MPa、高水基工況下密封件壽命短的問題, 開發了一種新的棉麻動密封軟填料, 其密封壽命超過國內外同等工況下的密封件, 提高了工作效率并能替代進口。
關鍵詞:高壓;高水基;棉麻纖維;動密封;軟填料
高水基工作液是用5%的化學添加劑與95 %的水配制而成, 在機械傳動系統中以水代油作為液壓介質具有來源廣泛、無污染、節省能源、安全和難燃等特點。高水基工作液的高壓動力發生設備如注水泵、乳化液泵、噴霧泵等, 工作壓力高達30MPa , 摩擦副運動速度快(2m/s), 被封高水基液體粘度低, 與水相近, 潤滑性差, 實現密封難度大, 諸如此類高水基、高壓工況下的動密封國內外均采用接觸式密封, 國內以成型填料夾布橡膠V 型密封為主, 密封元件磨損快, 易泄漏, 使用壽命(即密封壽命)短, 常用的夾布橡膠密封圈一般使用10 ～ 15d , 更換頻繁, 非計劃停車次數多。而西方發達國家研發用于此類工況下的編織型軟填料, 密封壽命長達三個月(90d)的水平,國內尚沒有一種編織型軟填料在高壓高水基工況下能達到這樣高的使用壽命。因此, 解決密封問題是高水基流體動力系統的關鍵性問題, 研究開發雙高參數(高壓、高水基)工況下長效密封元件是一項很重要的研究課題。
本項研究受國家自然科學基金資助, 采用混紡纖維設計, 與一種新型的潤滑密封性能優異的填充材料相復合并進行后處理, 從而開發出一種新的編織型軟填料即高壓高水基棉麻動密封軟填料(本文簡稱軟填料), 它不但能較好地適應高壓高水基工況, 而且能達到長效密封壽命之目的。
1 軟填料的材料組成及性能
高壓高水基棉麻動密封軟填料是由骨架材料和填充材料組成, 骨架是承載和密封的主體材料, 可用人造纖維、合成纖維、無機纖維和天然纖維紡制而成,要適應高水基液體30MPa 以上的工作壓力, 各種纖維材料在價格成本、抗摩擦磨損特性和環境污染等方面各有利弊, 例如石棉纖維價格低, 耐熱性好, 但強度低而且存在環境污染問題;金屬纖維強度高, 耐熱,但價格昂貴且適應線速度低;天然的棉纖維和麻纖維來源廣泛, 應用歷史悠久, 價格也低, 但抗摩擦磨損性較差。而且無論用哪種纖維做骨架還都必須用液體潤滑劑或固體潤滑劑加以填充, 以便改善致密性和潤滑特性等。我們采用常見的麻纖維、玻璃纖維和碳纖維做骨架材料, 填充單一的液體潤滑劑或固體潤滑劑在往復式乳化液泵上做30MPa 的探索性密封壽命試驗, 每種樣品三組。
試驗結果如圖1 所示。平均密封壽命都比較短暫, 不足1d 的時間。單一浸油, 填充性和潤滑特性好, 但不耐壓, 很快就發生泄漏;單一浸漬固體潤滑劑, 填充材料與骨架材料相容性(結合)較差, 填充的固體強度低, 表層片狀剝落多, 高壓水液依然容易產生泄漏;麻纖維浸脂稍好, 個別樣品能達到30 多小時的工作壽命。因此, 密封元件要實現高壓、高水基工況下長效壽命, 一方面, 骨架材料可考慮混紡設計, 另一方面, 不要浸漬單一填充材料, 填充工藝可考慮固-液共浸的方式。我們經過反復試驗, 最終采用混紡纖維做骨架材料并與高度分散的固液填充材料相復合解決高壓長效密封問題。
(1)骨架材料和填充材料
1)骨架材料
采用麻纖維、棉纖維和銅纖維按4∶1∶0.5 的比例混紡并編織成繩狀產品, 棉麻纖維能適應-30 ～+120℃的溫度范圍, 棉纖維適應6m/s 的線速度而麻纖維能適應4m/s , 銅纖維的加入可提高整體強度和導熱性。骨架結構松弛, 致密性差, 外形存在編織花紋凹槽, 內部存在大量縫隙, 必須用填充材料浸漬填塞, 改善骨架抗摩擦磨損特性并能形成比較理想的表面, 以便堵塞橫貫密封寬度的泄漏通道。
2)填充材料
填充材料由聚合物和液體潤滑劑以及其它添加劑組成, 聚合物粒子平均直徑為130nm , 液體粘度為40～ 90mm2/s , 經下料-混料-攪拌而制成。
填充性好壞與聚合物粒子大小有很大關系, 粒子越小, 分散性越好, 填充時滲透速度快且與骨架材料相容性好, 表1 為相同體積的聚合物, 當粒子直徑不同時, 總表面積的變化情況。
由表1 可知, 當粒子直徑由1mm 變化到100nm時, 總表面積增大1 萬倍, 由熱力學可知, 聚合物的分散度越大, 總表面積越大, 表面自由焓也越大, 這不但使高度分散的填充材料滲透性好而且與骨架材料容易吸附在一起, 不易脫吸剝落。同時需要指出的是, 聚合物粒子越小, 越易團聚成球, 并要求混料工藝充分可靠。
(2)軟填料制備工藝過程
將繩狀骨架材料和填充材料在浸膠器、焙烘爐中按一定速度進行浸漬烘干和表面后處理, 根據需要下料模壓成環, 其工藝過程:纖維混紡-預處理-浸漬復合-后處理-下料模壓-樣品。
(3)軟填料的性能
1)主要力學性能指標如表2
2)填充材料的析油性和整體軟填料的給油性填充材料由固液材料所構成, 經焙烘和后處理后, 成為固相, 具有良好的含油軸承特點, 溫度升高, 能自動向外析油。將填充材料做成若干外徑為10mm 、長30mm 的圓柱體并稱重, 用一層棉紙包覆,放入干燥箱中, 在100 ℃以下分別加熱, 取出用天平稱重, 其失重量即為析油量, 測量結果是30 ℃以下析油量較少, 30 ℃以上隨溫度升高析油量增大。
整體軟填料具有自帶油壺的特征, 密封工作中無需中途加油, 體內纖維束中含有豐富的潤滑油, 在載荷作用下可向動密封界面的微間隙給油, 截取軟填料10mm ×10mm ×40mm 三段, 測量重量, 平行緊靠擺在不銹鋼板上, 加載, 卸載后用天平稱重并計算失重(給油量), 結果是隨載荷增加給油量增大。
2 軟填料的密封壽命試驗
(1)試驗條件
試驗機型:MRB125/31.5, 往復式曲軸連桿柱塞式乳化液泵, 柱塞平均線速度:V =1.5 ～ 2m/ s;
壓力:31.5MPa ;
高水基工作液性能:密度(g/ cm3):0.9 ～ 0.99 粘度(mm2/s):1.2, pH 值:7 ～ 9.5, 含水量:>95%。
(2)柱塞泵填料箱密封結構
填料箱結構如圖2 所示, 擰緊螺套或壓蓋螺栓,軸向壓緊, 填料產生徑向彈塑性變形而填塞密封間隙并向動密封界面的微間隙給油, 從而實現固液潤滑和密封。徑向產生的壓力為接觸應力, 接觸應力由外側向內腔(高壓腔)一側, 呈遞減分布, 柱塞往復運動使內腔高水基液體產生高壓, 高壓由內側向外側呈減遞分布, 當軟填料的密封界面接觸應力大于內腔壓力時就能實現密封。泵從開始工作直至泄漏這一段時間為一個周期, 然后再次擰緊螺套或壓蓋, 又進入下一個周期, 不斷循環下去直到填料失效, 使用(密封)壽命就是由許多個周期累積而成。為改善接觸應力的分布可在支承環處增設補償彈簧。更換壓環和支承環可實現填料之間的代換。
(3)軟填料的密封壽命試驗
經1500h 臺架試驗和煤礦井下工業性密封壽命試驗, 使用壽命長達6 個月(180d)。國內外密封元件使用壽命平行對比試驗如圖3 所示, 高壓高水基棉麻動密封軟填料的密封壽命是國外同類產品的2 倍以上, 是原先采用的夾布橡膠密封圈的15 倍以上。
3 結束語
高壓高水基棉麻動密封軟填料的密封壽命遠超過國內外同等工況下所使用密封件的壽命, 同時具有安裝使用方便, 自潤滑, 中途無需加注潤滑油等特點,降低了成本, 大大提高了工作效率。這種新材料在高壓高水基工況下之所以具有如此之高的密封壽命, 與它所具有的獨特的密封機理和磨損特性有關, 其詳細論述另行成文。
參考文獻
[ 1] 張向釗, 壽震東, 密封墊片與填料, 北京:機械工業出版社, 1994。
[ 2] 機械工程手冊第五卷, 北京:機械工業出版社, 1982.3。
[ 3] 設備潤滑基礎, 北京:冶金工業出版社, 1982.9。
[ 4] 潘仁度, 微觀密封學概論, 潤滑與密封, 1994 (5)。
[ 5] 候友夫, 柱塞泵V形往復密封結構的分析研究, 液壓氣動與密封, 1998 (3)。
更多軟填料信息歡迎訪問進口密封件公司奧賽羅密封，咨詢電話：0311-87316999。奧賽羅密封誠招代理商。othello密封
