泵的應(yīng)用十分廣泛，其旋轉(zhuǎn)軸用密封是泵中關(guān)鍵的部件。在離心泵的工作過程中，因離心泵的泵軸、葉輪是運(yùn)動(dòng)的，而泵殼是靜止的。這樣，在旋轉(zhuǎn)的葉輪壓蓋和靜止的泵殼內(nèi)壁會(huì)有環(huán)形間隙，高壓流體便會(huì)由此間隙從葉輪出121漏到入121，導(dǎo)致泵的容積效率降低。泵的密封性能是評(píng)價(jià)泵產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。常用的軸封裝置有填料密封和機(jī)械密封2種。
1 填料密封
1.1 填料密封原理
圖1 離心泵軸封的傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)圖
填料密封主要由與泵殼連在一起的填料函殼、軟填料、填料壓蓋等組成。常用盤根填料密封是通過盤根壓蓋施于軸向壓力，使得盤根徑向產(chǎn)生擴(kuò)張壓力，并緊緊包在軸套上，從而形成密封。在盤根之間有一分水環(huán)與泵殼體相通，用于通入冷卻水。其作用有：一是冷卻盤根和軸套，防止盤根因摩擦發(fā)熱而燒損；二是一定程度上起到以水潤(rùn)滑的作用。如圖1所示為某325H一19型循環(huán)水泵軸封系統(tǒng)的傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)示意圖。
1.2 填料密封的缺點(diǎn)
(1)填料密封的貼緊接觸力來源于壓蓋對(duì)填料的軸向壓力而使填料產(chǎn)生徑向擴(kuò)張力，造成填料與軸套之間形成較大的摩擦，因而需要經(jīng)常更換磨損的軸套。
(2)需要損耗10％ ～15％ 的軸功率來克服軸套與填料之間的摩擦力而實(shí)現(xiàn)密封。
(3)填料密封的泄漏極易使泄液進(jìn)入軸承箱，造成軸承的損壞。
(4)填料密封在使用過程中，由于填料經(jīng)常處于非正常的使用狀態(tài)，加劇了填料磨損和軸套的損壞，使得填料密封的使用處于惡性循環(huán)。
(5)為了將填料與軸或軸套之間的摩擦熱帶走，必須有定量的泄漏，造成冷卻水的流失?？傊?，填料密封的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是維修工作量大，功率的損失也較大，且由于它總是有一定的泄漏，故不適用于輸送易燃、易爆、有毒和貴重液體。
2 機(jī)械密封
機(jī)械密封亦稱端面密封，是常用的一種密封方式，其有一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面，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。
2.1 機(jī)械密封工作原理
如圖2所示為單端面非平衡型大彈簧機(jī)械密封的典型結(jié)構(gòu)。
圖2 單端面非平衡型大彈簧機(jī)械密封的典型結(jié)構(gòu)
圖2中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)是主要密封元件。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)一般由一軟一硬不同的耐磨材料組成，如石墨、聚四氟乙烯對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷、碳化鎢、氮化硅、鉻鋼等，動(dòng)環(huán)6套在軸上，動(dòng)環(huán)外徑與傳動(dòng)座2內(nèi)徑是花鍵連接，傳動(dòng)座螺釘1壓緊在軸上，這樣軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)傳動(dòng)座和動(dòng)環(huán)一起旋轉(zhuǎn)。動(dòng)環(huán)和軸之間有密封圈5，以阻止液體沿軸向外泄漏。靜環(huán)7和機(jī)械密封壓蓋9(或泵體)之間也有密封圈8防止液體往外泄漏。動(dòng)環(huán)在彈簧力和液體壓力的作用下，緊壓在靜環(huán)上達(dá)到密封的作用，傳動(dòng)座和動(dòng)環(huán)之間的彈簧推環(huán)4用調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)彈簧壓力大小。以調(diào)節(jié)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的密封程度。為防止靜環(huán)旋轉(zhuǎn)，壓蓋上有防轉(zhuǎn)銷。為防止動(dòng)環(huán)因?qū)o環(huán)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的高溫?zé)龎拿芊饷婊蚴挂后w汽化而造成動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間的干摩擦，所以一般都要對(duì)端面用液體沖洗冷卻。
2.2 機(jī)械密封的缺點(diǎn)
機(jī)械密封方式雖然泄漏量相當(dāng)小，無需冷卻水，使用周期長(zhǎng)，一般可以達(dá)到一年以上，但是機(jī)械密封機(jī)構(gòu)很復(fù)雜，又是環(huán)狀零件，安裝時(shí)技術(shù)要求很高，稍有偏差對(duì)水泵運(yùn)行影響很大；檢修時(shí)必須對(duì)水泵解體才能進(jìn)行，使得檢修工作量大為增加。機(jī)械密封零配件機(jī)械制造加工工藝亦因其工藝技術(shù)要求非常高而繁瑣復(fù)雜，使得機(jī)械密封的成套造價(jià)很高，一套一般都在萬元左右。
3 新型填料密封在水泵上的應(yīng)用
機(jī)械密封價(jià)格昂貴，在普通水泵上應(yīng)用成本難以接受，因此人們針對(duì)傳統(tǒng)填料密封存在的缺點(diǎn)，進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)水泵填料密封方式的方法主要針對(duì)盤根填料進(jìn)行改良，其原則是提高填料的密封性能和耐用性，增加填料的潤(rùn)滑性，減少摩擦，改善泵軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。
1995年美國(guó)赤士盾(CHESTRTON)公司推出一種新型的革新填料— —層狀剪切式密封填料CMS2000。CMS2000型填料由純合成的KEVLAR纖維、高純的石墨、PTFE(聚四氟乙烯)、有機(jī)密封劑等材料混合組成，形成一種無規(guī)格限制的黑色膠狀物。使用時(shí)，在填料函的前后端裝入編織環(huán)或石墨填料，中間用高壓注入槍注入CMS2000的膠狀物，直至充滿。
3.2 工作原理
CMS2000層狀剪切式迷宮密封系統(tǒng)可以看作是機(jī)械密封、填料密封、間隙和迷宮密封的有機(jī)組合。它既有機(jī)械密封的“旋轉(zhuǎn)層” 和“靜止層”，又有填料密封的編織環(huán)、填料調(diào)整壓蓋，還有CMS2000層狀剪切式密封材料在使用中形成的間隙迷宮密封結(jié)構(gòu)。
圖3 CMS2000層狀剪切式迷宮密封系統(tǒng)安裝圖
在軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，CMS2000填料中的KEV．LAR纖維會(huì)纏繞在軸(或軸套)上并隨軸同步旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)“旋轉(zhuǎn)層”。在填料函內(nèi)壁附近，CMS2000填料粘附其上，形成一個(gè)“不動(dòng)層”。這樣，泵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使填料的處在中間的填料層作剪切運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)樘盍祥g吸引力極小。其層間摩擦因數(shù)很小。圖3為CMS2000層狀剪切式迷宮密封系統(tǒng)示意圖。
3.2 CMS2000填料的特點(diǎn)
3.2.1 可實(shí)現(xiàn)零泄漏
CMS2000作為一種新型的密封產(chǎn)品，填料內(nèi)外層分別粘附在軸和填料函腔，泵送介質(zhì)必須擊穿填料才可能外漏，在填料的許用范圍內(nèi)達(dá)到完全無泄漏的效果，且使用壽命較長(zhǎng)。泵在停止運(yùn)行后，由于CMS2000填料的內(nèi)部磨損、消耗以及層狀剪切式迷宮密封面之間存在間隙，可能會(huì)發(fā)生一定的泄漏，此時(shí)只需加注少量的CMS2000填料即可。
3.2.2 不會(huì)對(duì)軸造成磨損
CMS2000填料的“旋轉(zhuǎn)層” 緊緊纏繞在軸套上，與軸套保持相對(duì)靜止，對(duì)軸套起到了保護(hù)作用，不會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象。即使軸套有一些磨損，由于是環(huán)狀磨損，而CMS2000具有很強(qiáng)的可塑性，使得“旋轉(zhuǎn)層”始終能緊緊包在軸套上，從而達(dá)到密封效果。這是前傳統(tǒng)填料密封和機(jī)械密封無法做到的。
3.2.3 節(jié)能降耗效果十分顯著
CMS2000填料是一種膠泥狀物質(zhì)，分子間作用力很小，其摩擦力很小，因此對(duì)軸功率損耗很小，只有盤根密封的22％左右，即是軸功率的2％ ～3％ ，大大降低了電耗，提高了水泵的效率。另外CMS2000填料所消耗的軸功率極小，產(chǎn)品的摩擦熱也很少，不需要像機(jī)械密封和傳統(tǒng)填料密封那樣需要沖洗和冷卻，可以大大節(jié)約水資源。
3.2.4 可在線修復(fù)、維修
當(dāng)CMS2000有泄漏需要維修時(shí)，可以直接從安裝注入口向填料腔中注入一部分新的CMS2000即可，這樣大大降低了維修工作量，實(shí)現(xiàn)了在線修復(fù)。
3.2.5 安裝簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣
由傳統(tǒng)填料密封改為CMS2000系列層狀剪切式迷宮密封系統(tǒng)，安裝改造工作簡(jiǎn)單。只需要取出原填料密封結(jié)構(gòu)中的水封環(huán)，安裝好前、后編織端環(huán)，加裝CMS2000注入絲頭和閥門，并在二個(gè)編織端環(huán)間充滿該產(chǎn)品即可。CMS2000層狀剪切式迷宮密封系統(tǒng)適用于溫度為一40～750 qc，壓力小于1．5 MPa，轉(zhuǎn)軸線速度小于18 m／s的除強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化性以及對(duì)該產(chǎn)品有分解或損壞作用外的一切介質(zhì)，特別適合在電廠、煉化裝置、供排水公司等單位的大流量、低壓力的水泵中應(yīng)用。
3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析
以某型號(hào)32SH一19水泵為例，該泵基本參數(shù)為：功率630 kw；泵入口壓力0．02 MPa；泵出口壓力0．3MPa；額定流量4 700～6 010 t／h；轉(zhuǎn)(下轉(zhuǎn)第188頁(yè))類型及調(diào)整幾何參數(shù)的情況下，通常也不會(huì)(或很少)改變切削液用量。美國(guó)密執(zhí)安技術(shù)大學(xué)對(duì)切削加工中有關(guān)切削液的用量問題進(jìn)行了研究，試圖在滿足加工要求的情況下，使切削液用量最少，與切削液有關(guān)的費(fèi)用也降至最低。他們?cè)诟Ｌ毓舅龅膶?shí)驗(yàn)中，對(duì)切削液的濃度、工件材料、刀具類型及幾何參數(shù)等都進(jìn)行了測(cè)試與研究，并對(duì)工件表面粗糙度、積屑瘤和切削力等作了分析，通過實(shí)驗(yàn)得出了最適當(dāng)?shù)那邢饕河昧俊Ｃ绹?guó)Thyssen制造公司正全力研究“最小潤(rùn)滑”加工技術(shù)，使切削液液流或氣霧通過刀具作用于加工區(qū)域，切削液的流量由CNC程序控制，效果十分理想。既減少了切削液的使用量，降低了成本，又減少了廢液排放，有利于環(huán)境保護(hù)。
4 切削液的發(fā)展趨勢(shì)
高性能水性產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用由于有效的水溶性極壓添加劑的缺乏，水溶性切削液產(chǎn)品在加工精度較高的場(chǎng)合的應(yīng)用受到了一定程度的限制，許多精密機(jī)床進(jìn)行的高精密度的加工都使用非水溶性切削液。近期，由于原油價(jià)格的不斷上漲，油性切削液產(chǎn)品的價(jià)格也隨之高漲，許多機(jī)械加工業(yè)廠家的生產(chǎn)成本相應(yīng)增加。為了減少生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，大量的機(jī)械加工廠商希望用性能優(yōu)良的水溶性切削液代替非水溶性切削液。如何開發(fā)性能優(yōu)良的水溶性切削液產(chǎn)品已成為各大小切削液生產(chǎn)廠商關(guān)注的問題。
4.1 綠色切削液的開發(fā)
大力開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康負(fù)作用小、加工性能優(yōu)越的切削液，朝著對(duì)人和環(huán)境完全無害的綠色切削液方向發(fā)展；同時(shí)，努力改進(jìn)供液方法，優(yōu)化供液參數(shù)和加強(qiáng)使用管理，以延長(zhǎng)切削液的使用壽命，減少?gòu)U液的排放量；此外，還應(yīng)進(jìn)一步研究廢液的回收利用和無害化處理技術(shù)。此外，為了達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的，非水溶性切削液還需要盡可能地對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染。目前仍在使用的極壓潤(rùn)滑劑主要是含有硫、磷、氯類的化合物，如硫化烯烴、硫化動(dòng)植物油、硫脲、磷酸酯、氯化石蠟等，它們?cè)诟邷叵屡c金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)膜， 在切削中起極壓潤(rùn)滑作用。它們的潤(rùn)滑性能很好，但對(duì)環(huán)境有污染，對(duì)操作者有害。隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，現(xiàn)在對(duì)此類添加劑有了一定的限制。國(guó)內(nèi)外正在著手研究其替代物。近年來，無毒無害的硼酸鹽(酯)類添加劑受到了廣泛的重視。目前研究開發(fā)的重點(diǎn)是：
(1)礦物油逐漸被生物降解性好的植物油和合成酯所代替。
(2)非水溶性切削液逐漸被水溶性切削液所代替。
(3)開發(fā)性能優(yōu)良且對(duì)人體無害和對(duì)環(huán)境無污染的添加劑。
4.2 切削液的綠色使用
(1)推廣集中冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，即把機(jī)械加工設(shè)備各自獨(dú)立的冷卻潤(rùn)滑裝置合并為一個(gè)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，使切削液維護(hù)管理上水平上臺(tái)階。
(2)研究干切削和最少量潤(rùn)滑切削，以減少切削液的使用量和廢液的排放。
(3)研究和推廣切削液廢液處理新工藝、新技術(shù)，以確保排放的廢液對(duì)環(huán)境無污染。(上接第186頁(yè))速985 r／rain；介質(zhì)溫度：20—5O℃，原用密封為浸油盤根；盤根規(guī)格：20 mln×20mm；盤根數(shù)量：8層x 2(側(cè))；軸套外徑130 mm。該填料泵每2年要大修一次，泵的盤根每3個(gè)月需更換一次，該泵每年的盤根維護(hù)費(fèi)用為4次／年X200 次=800元；每3年需要更換軸套2件，費(fèi)用為400 套。因此使用傳統(tǒng)填料每年相關(guān)的維護(hù)費(fèi)用為1 067元。
現(xiàn)在按每年加注CMS2000填料4次，每次加注30 mL計(jì)算，約需要4 X 30×2．8元／mL=336元。即與使用傳統(tǒng)填料相比，每年可降低維修費(fèi)用731元。另外，使用CMS2000填料后，還可以節(jié)省功率消耗；可以降低密封材料的庫(kù)存；泵的運(yùn)行操作和維修工作量大大減少，可以將更多的人員從繁重的設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)中解脫出來。
5 結(jié)束語
分析了水泵常用的填料密封和機(jī)械密封軸封裝置存在的缺點(diǎn)，介紹了一種新型的填料CMS2000及其在水泵上的應(yīng)用。CMS2000填料密封可明顯降低電耗、水耗、備件損耗、設(shè)備損耗，降低了檢修維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度，也因此降低了事故發(fā)生率，在實(shí)際生產(chǎn)中較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有廣泛的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
張東紅，1965年出生，1984年在河北涿州電子儀器廠工作，1993年調(diào)入中鐵十八局修理廠，1997年開始在中鐵十八局機(jī)械化處工作，現(xiàn)在中鐵十八局路橋公司水泵廠工作，中級(jí)技師。
