广一浅析水泵轴封装置的新型技术

1、泵轴封技术概况

        近年来，世界泵业在密封技术的研究和开发方面所取得的成就十分显着，主要是在新密封技术、密封产品和密封系统三个方面有了很大的进展。

        填料密封作为泵的传统密封结构，由于其有一定量的泄漏和在高速下效果差等问题，使用领域日益缩小。但近年来随着石棉绳的逐步淘汰，在填料密封技术方面也取得了一些新的进展。例如，压缩填料密封目前在整个英国工业领域正显示其强大的生命力。这类合成纤维、陶瓷以及聚四氟乙烯等材料制成的低磨擦的压缩填料比石棉填料具有更好的化学适应性、耐磨能力、耐高温以及更长的使用寿命，而且价格也不高。

        目前，机械密封在泵用密封市场上占据的份额越来越大，各种新设计的机械密封对市场份额的增长起了很大作用。最为突出的是集装式密封。这种密封易于安装和维护，又安全可靠，但价格相当昂贵。另一种引人注目的机械密封是剖分式密封，这种密封不需拆卸泵就可以进行更换。再有就是热流体动压密封、备用密封以及不对称成型金属波纹管密封等新结构。此外，串联式密封和双端面机械密封结构与一种冲洗系统配合使用时，防止了危险物质的泄漏并允许输送磨蚀性介质。预计今后机械密封的发展很可能集中在采用“上游式泵送密封”和“磁性流体密封”或者类似技术来提高密封系统功能的完整性。“上游式泵送密封”是一种利用各种密封面流槽将密封面低压侧(下游)的少量泄漏流体泵送回高压侧(上游)的新概念。而“磁性流体密封”是从航天工业项目中派生的新技术，具有无泄漏和不磨损的特点。

 

2、磁性流体密封

        “磁性流体密封”是一个来自美国航天局空间项目的典型派生技术，至今已有三十多年的历史。最初的开发用于在外层空间失重的条件下推动火箭燃料，这种利用磁力来控制流体的技术已经被有关工程技术人员推广应用到地面上。磁性流体主要由三个部分构成：载流体(通常为低蒸汽压的碳氢化合物或者碳氟化合物)、表面活化剂(一种化学粘结剂)和磁性颗粒(极小的磁铁矿球)。表面活化剂将磁性颗粒粘结到载流体中使之成为胶态悬浮体，从而产生相应的流体磁性。在过去三十年中，这种简单的密封原理已应用在众多的结构中，有无数的磁性流体密封在运行。它能够对真空回转装置的轴进行密封。这类装置遍及半导体和真空工业中，广一水泵上述工业依靠磁性流体密封无泄漏、不磨损的特点来提供恒定的质量。计算机磁盘驱动器行业已经安装了数百万的磁性流体密封，用作驱动器电机和精密存储装置之间的隔离密封。这种密封的优势就在于：较低的安装成本和可靠的使用寿命。

        磁性流体密封的主要部件包括一种磁性流体、一个磁铁环、二个磁极片和一个可导磁的轴或轴套。由固定极片和转动轴形成的磁回路根据极性将磁通量集中在极片下的径向间隙内。当将一种磁性流体加到径向间隙时，它就呈现“液态O形环”的形式，并且在轴的四周形成一个无泄漏的密封。所有磁性流体密封均具有下列固有的特性：无需外部动力；不产生接触，无磨损；轴静止或转动时无泄漏；长而可靠的使用寿命；低的转矩和最小的能耗。磁性流体密封还具有独特的自行恢复的特点。当过高的压力通过磁性密封时，密封区域内短时间的过高压力会使一部分磁性流体瞬时从轴的四周排出，在超压状态期间，磁性流体保持封闭在密封体内，当干扰状态结束后，仍以原压力重新形成密封。

油桶泵

 

3、上游式泵送密封

        “上游式泵送密封”是一种利用各种密封面流槽将密封面低压侧(下游)的少量泄漏流体泵送回高压侧(上游)的新概念。它是串联密封和双端面密封之间的一种混合结构。在结构和工作原理上，看上去像是一种在两个端面之间具有一种低压阻挡液的备用端面密封结构。在功能方面，它起双端面密封的作用。主密封中的泵送机理是这样的：密封中产生的压力从低压阻挡区到高压介质端形成微弱的泵送能力。普通型端面主密封由一种小容量高压“泵”—上游式泵送密封所取代。这种“泵”将少量的阻挡液沿着通常由机械密封密闭的通路推进，并且送入密封腔内。由于密封腔所处的压力高于阻挡液，因此这种密封被看作是向上游进行泵送。上游式泵送密封可以适用于有毒和危险介质、磨料性介质和渣浆、润滑性差的各种介质以及高PV值的场合。符号PV是密封制造商和用户常用的表达式，用来表示在给定液体中端面材料组合的压力—速度极限。高速泵通常属于高PV值的使用条件，由于双端面密封需要较高的缓冲液压力，因而采用双端面密封会使情况变得更坏。长期以来，高速泵工业一直受到高PV值的困扰。上游式泵送密封基本上是非接触运行，因而完全消除了PV值的分量。由于不需要比密封腔压力高的阻挡液压力，上游式泵送密封为高速泵工业摆脱困境提供了一条有效的途径。

        上游式泵送密封的原理是动水压力和静水压力相平衡。有卡环、弹簧和主密封环的密封端是静止部件，与之相配的转动密封环上有螺旋槽。槽型是一系列凹进的对数螺线。螺旋槽外圈未开槽的部分称作密封坝。当施加压力时，在密封面上产生的是静水压力，而且当配对密封环静止或转动时都会产生这种力。动水压力只在转动时才产生。转动时螺旋槽起到决定性作用，它可以充当一个压力形成装置。当阻挡液进入螺旋槽中时，就被引到外径处，在此处受到密封坝的阻力。压力的增大使得挠性安装的端面能够窜动，从而调整密封间隙。一种“泵-节流阀”原理在起作用，形成了非接触运行方式，同时使被抽送液体从低压区进入高压区。控制密封运行的力是轴向的。张开力是螺旋槽产生的压力与端面两侧的压力降之和，而闭合力是作用在端面后部的系统压力与弹簧力之和。如果由于受到干扰而使密封间隙缩小，液膜内的力就会明显增大。同样，如果密封间隙增大，那么液膜内的力就会减小。在这两种情况下，原来的间隙很快会重新恢复。与单纯静压型密封不同的是，上游式泵送密封既有动压又有静压，因此与转速和压力都有关。而静压型密封是通过压力形成密封间隙，因而与转速无关。

        专门为水泵设计的基于磁性流体密封技术的新型辅助集装式密封，是目前水泵厂家和用户可以替代磁力驱动泵和复杂双重密封系统的一种经济有效的密封方法，而且它易于在现有的泵上重新改装。用这种经过充分验证的技术密封的泵可以满足最严格的析出物控制条例。磁性流体集装式密封是一种辅助的二次密封，它与主机械密封相结合，形成一个挥发性有机物保护系统。由磁性结构和磁性流体形成的“液体O形环”防止了主密封蒸汽泄漏逸出，从而在泵轴周围形成一个密闭式密封。

        经过数年的生产运行之后，泵用户一致认为磁性流体密封具有下列优点：对现有的泵可以进行简单的重装改进；静态和动态两种条件下的泄漏为零；较低的安装和使用成本；仪器仪表简单，便于监控；能够在原位重新装填和测定压力；检修要求低；无阻挡液或复杂的密封辅助系统；无磨损件，维护明显减少。

        基本的水泵用集装式密封的结构是按照整个泵工业的通用验收要求设计的。通过装有可选用的冷却装置(适用于高温装置)或者可选用的气体净化系统(保护密封元件免受环境腐蚀)，集装式密封可以应用于更广泛的领域。这种密封技术还有独特的准确监控主密封性能的能力，并且能在严重事故发生前预测故障或识别问题。由于二次磁性流体密封拦截了全部主密封的蒸汽泄漏，所以一个简单的流量计就可准确地监控主密封，并且在泄漏过大时发出报警信号。正在研究的新进展包括装在集装盒内的一种整体高压液体密封。这种密封在主机械密封严重失效时将充当一个安全装置。另一项研究计划是开发一种返回到泵吸入侧的独特方法，主密封逸出的蒸汽和微小液体泄漏量可以由二次集装式密封封闭。这样就可以取消火炬或其它排放装置并且最终形成一个闭式的挥发性有机物回收系统。

        磁性流体密封技术对于密封泵泄漏的析出物早已证明是100%有效的。随着流程工业的设计人员和用户对这种技术的逐渐认识和了解，这种密封技术的使用范围将日益扩大。它很有可能成为未来工业界迎接环境密封挑战的一种经济有效的方式。

        在国内，由于国人的环保意识不强，环保法规不够健全，再加上执行力度也不够，人们对水泵泄漏的问题普遍重视不足。从而使国内泵制造厂对如何最大限度地减少水泵(尤其是工业用泵)泄漏的研究投入很少。致使国产泵轴封装置的研制、开发水平与国际先进水平相比有较大差距。随着我国加入WTO，以及最近五年优先发展环保产业的战略方针的提出，可以预见，大力改善水泵的轴封装置，减少泵的泄漏量将会成为今后我国工业用泵的一个发展趋势。