新型机械传动密封装置的设计①

填料密封是一种最古老的密封方式，在中国的应用已有上千年的历史，机械密封的出现仅有一百多年[1]。对于旋转轴的密封而言，从填料密封到机械密封可谓是个飞跃。机械密封的优越性远大于填料密封，主要体现在密封效果、能量损耗和产品寿命几个方面[2]。然而，无论是填料密封还是机械密封都属于动密封的一种，依然存在泄漏的风险，磁传动密封的出现彻底解决了泄漏问题[3]。磁传动密封是真正意义的传动密封，实现了零泄漏，其应用已有半个多世纪的历史。

本文假设所有PI信号是空间相互独立的，即不存在空间相关性.为描述方便，以下本文中的“信号相互独立”指的是“信号空间相互独立”，“信号相关”指的是“信号空间相关”.

笔者所在公司是国内外知名的搅拌技术开发与搅拌设备设计制造企业，每年需使用大量的釜用传动密封装置，包括填料密封装置、机械密封装置和磁传动密封装置。虽然磁传动密封可实现零泄漏，但因为其价格昂贵令很多客户望而生畏，只能退而求其次选用机械密封，因此，笔者研制了一种能克服泄漏问题的机械传动密封装置。

1 填料密封、机械密封和磁传动密封的特点

图1是釜用填料密封装置结构示意图。图示的填料密封装置是现场安装的，其中安装法兰将整体填料密封装置安装到釜口。向填料箱体内装入填料，压盖轴向施压于填料，经过填料的变形产生作用于旋转轴表面的径向力，从而实现密封。注油孔的作用是注入润滑剂到填料，以减少填料对轴的磨损和摩擦阻力，有利于实现密封。

国家有道无道之时，恰恰是检验每个人是否秉持道的试金石。所以，孔子说：“士志于道，而耻恶衣恶食者，未足与议也！”即读书人将志向定为追求真理，可是又以吃粗食、穿破衣为耻，这种人不值得同他商议。

  

图1 填料密封结构示意图

与填料密封相比，机械密封的密封效果得到了大幅度提高[5,6]，不存在对旋转轴的磨损，其密封摩擦阻力或能量损耗也较填料密封减少了很多。机械密封改善了填料密封的3个弊端，但由于机械密封装置不仅增加了很多零部件，而且对每个零部件的材料和加工精度要求都很严格，因此制造成本也随之提高。

图2是釜用机械密封装置结构示意图[4]。图示的机械密封装置是集装式结构，通过安装法兰将机械密封安装到釜口，轴套通过附带的紧定螺钉固定在旋转轴上。一对密封环轴向互相接触加上其他辅助部件共同作用实现密封。其中，上面的密封环可以在一定范围内浮动并在弹簧作用下保持与下面密封环的追随贴合。通过注水孔进入密封箱体的流体用于冷却和润滑两个密封环之间的摩擦面。传动销用来把随旋转轴转动的轴套的动力传递给浮动密封环。

  

图2 机械密封结构示意图

通常,填料密封装置使用在密封要求不高的场合。这种旋转轴动密封的弊端有：密封效果不理想，当旋转轴存在微小摆动时，填料对轴各处的追随性得不到保证从而出现泄漏；填料对旋转轴的磨损作用；摩擦阻力大引起的能量损耗较高。若想获得更好的密封效果，填料箱内需装入多层填料缠绕在旋转轴上，但这又增加了旋转轴的转动阻力和能量损耗。

工作时，电动机带动偏心轴件运转，偏心轴件借助内轴承带动柱形碗做平面环状平移，柱形碗的环状平移运动借助外轴承传递给偏心孔件使得搅拌轴转动。整个过程中，柱形碗与柔性密封管和机架共同将釜内与外界隔绝密封。支撑环片层叠结构始终保持与柔性密封管内壁各处追随接触支撑以抵抗釜内压力保证柔性密封管不被破坏。为了使柱形碗只做环状平移运动而不转动，在柱形碗周边配置若干限位弹簧。这些弹簧连接柱形碗与周边固定部位，并且对称于传动轴心分布。为了减少支撑环片层叠结构各个叠片间的滑动阻力，应对摩擦面精加工且添加润滑剂。

  

图3 磁传动密封结构示意图

2 机械传动密封的工作机理及特点

这种机械传动密封装置取代磁传动密封装置用于搅拌釜，不仅降低了成本，没有涡流损耗，使得传动效率大幅度提高，而且其制造、安装和使用都比磁传动密封装置方便。

  

图4 机械传动密封结构示意图

图3是磁传动密封装置结构示意图。广义地讲，把借助磁场力做的无接触传动称为磁传动，最普遍的磁传动应用在旋转动力的情况下，通常磁传动用于传动中需要密封的场合[7～9]，所以常被称为磁传动密封。磁传动密封也常被称为静密封传动或全密封传动。工作时，机架固定安装到搅拌釜口上，电动机固定安装到机架上，电动机输出轴连接外磁部件作为旋转动力源。隔离套利用其下端法兰固定安装到搅拌釜口，隔离套采用非导磁材料制作，这样外磁部件的磁力线可以穿过隔离套进入内部。隔离套内部与外磁部件耦合作用的内磁部件安装到内部搅拌轴上作为从动负载端，内部搅拌轴有专门设计的法兰定位装置将它准确定位并配有支撑轴承允许它转动。电动机带动外磁部件旋转，再通过磁力作用带动内磁部件旋转，搅拌轴随之运转工作。设备运转过程中，金属构件隔离套发挥密封作用并会有涡流热产生，进水口和出水口接冷却循环系统对隔离套进行冷却。涡流热的存在是磁传动密封的一大弊端，也是大功率传动时的瓶颈障碍。

图4是新研制的机械传动密封装置的结构示意图。这种结构设计更接近磁传动密封装置，机架固定安装到搅拌釜口上，电动机固定安装到机架上，电动机输出轴连接有偏心轴件作为旋转动力源。与偏心轴件配合工作的偏心孔件安装到釜内搅拌轴上作为从动负载端，搅拌轴有专门设计的法兰定位装置将它准确定位并配有支撑轴承允许它转动。关键是在偏心轴件与偏心孔件之间设计密封传动部件，这些密封传动部件包括柔性密封管、支撑环片、柱形碗、限位弹簧和内轴承、外轴承，柔性密封管上端密封安装到机架中心孔的内缘，柔性密封管下端密封安装到柱形碗上的法兰外缘。与磁传动密封装置相比，省去了隔离套，但是机架除了原有的支撑作用外还应具有密封作用。

不可否认，我们在发展中也走过一些弯路，也因此付出了沉重的代价。无论成功的案例还是失败的教训，都是值得我们总结的，都可以在未来的经营发展中发挥积极作用。

3 机械传动密封装置的试验和存在的问题

将图4所示的机械传动密封装置用于试验釜上做8h运转试验，设定转速为100r/min，压力为0.2MPa，转动平稳，密封良好。本试验仅定性地证明机械传动密封的可行性。机械传动密封装置投产前还有很多定量的试验工作待完成。因为它是个全新的旋转轴传动密封技术，很多工作有待试验和使用验证，特别是材料和使用工况的适用性探索。总体来说，机械传动密封技术方案为工程技术人员在进行搅拌设计时多了一项选择，而且仅凭借机械传动结构完成静密封零泄漏还是前所未有的。当然这种设计的缺陷也是一目了然的，比如工作压力不宜过高、工作转速不宜过快等。然而，它解决了低成本零泄漏的旋转轴传动密封问题，希望这种设计方案能够为工程技术进步发挥积极作用。该项技术已申请了发明专利(申请号：201510602683.2)并已获得授权通知。

在信息化时代，企业要与时俱进，根据市场需求和企业实际需求，利用信息化技术建立企业内部资源共享平台。同时利用企业员工学术交流、技术交流、深造等方式，整合国内外先进的经验技术，研发一套符合自身企业发展的新思路和新技术，并且运用到实际工作中。

4 结束语

笔者对现有搅拌设备所使用的3种密封形式进行了分析总结。其中填料密封和机械密封都属于动密封，泄漏缺陷不可避免；磁传动密封没有泄漏，但是成本过高、效率过低限制了它的普及应用。笔者设计的机械传动密封是全新的密封形式，它同时解决了动密封的泄漏问题和磁传动密封的高成本、低效率问题，但工作压力和工作转速不宜过高。设计人员可以根据不同的用户需求选择合适的密封形式。

参 考 文 献

[1] 徐灏.密封[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[2] 顾永权.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3] 王洪群，虞培清，章志耿.磁传动应用技术发展[J].重型机械，2006，(6)：1～4.

[4] 王凯.搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2001.

[5] HG/T 2099-2003，釜用机械密封试验规范[S].北京：中华人民共和国国家发展和改革委员会，2004.

[6] HG/T 2269-2003，釜用机械密封技术条件[S]. 北京：中华人民共和国国家发展和改革委员会，2004.

[7] 王洪群，黄志坚，谢明辉，等.永磁传动技术概述及发展前景[J].中国工程机械学报，2016，14(6)：552～556.

[8] 袁丹青，何有泉，陈向阳，等. 磁力泵的研究现状与发展前景[J].磁性材料及器件，2011，42(2)：1～3，8.

[9] 杨超君，顾红伟.永磁传动技术的发展现状和展望[J].机械传动，2008，32(2)：1～4.