宋 彬 李英堂 朱寧寧
(1.中國石油化工研究院蘭州化工研究中心;2.蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院)
填料密封[1]是世界上應(yīng)用最早的密封形式之一,因其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,被廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中。 其基本原理為:在軸和填料箱之間填充彈性材料或彈性元件,壓緊填料壓蓋會使填料發(fā)生變形產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力,從而使填料與填料箱內(nèi)壁和軸之間緊密接觸,起到密封作用。 在運行過程中,常出現(xiàn)主軸磨損嚴重、填料變硬等問題, 人們認為這些故障主要與填料的材質(zhì)有關(guān),因此相關(guān)課題的研究主要集中在材料研發(fā)與性能測試[2]上,忽視了填料箱結(jié)構(gòu)對使用效果的影響。 筆者將借助具體案例從填料密封結(jié)構(gòu)出發(fā)進行分析,找到一種可以明顯提高填料密封效率和使用壽命的新方法,用于指導(dǎo)實際工作。
某石化公司動力廠供水車間負責(zé)對全廠各套裝置提供循環(huán)水,LC/X600-62T-8001型立式長軸泵是主力水泵,在動力廠共有16臺。 立式長軸泵由上海凱泉泵業(yè)有限公司生產(chǎn), 重量11.5t、長度10.8m,工作參數(shù)如下:
介質(zhì) 冷卻水
轉(zhuǎn)速 992r/min
流量 2 500m3/h
溫度 不高于26℃
入口壓力 常壓
出口壓力 710kPa
功率 800kW
立式長軸泵最常見的故障是填料泄漏,因為機泵體積巨大,加上原填料壓蓋為整體結(jié)構(gòu)(圖1),更換填料和填料壓蓋時常需要100t吊車和50t吊車配合操作,存在吊裝風(fēng)險;加之機泵配件昂貴,導(dǎo)致每年檢修費用高昂。
圖1 傳統(tǒng)填料箱結(jié)構(gòu)示意圖
在平時檢修中發(fā)現(xiàn),石棉盤根(浸牛油)的密封效果會越來越差; 靠近電機端的軸套磨損嚴重,運行一段時間后就需要更換;原廠配置的填料壓蓋為鑄鐵材料,使用過程中腐蝕嚴重[3]。 另外, 長軸立式泵的填料箱與軸承箱距離較近,填料泄漏后若沒及時發(fā)現(xiàn),漏液很容易竄入軸承箱損壞相近的兩套滾動軸承,當這兩套滾動軸承損傷嚴重時就會發(fā)生擺動, 進一步損壞主軸和第3套滑動軸承。
長軸立式泵的填料密封為徑向接觸式密封,通過填料壓蓋的擠壓作用,填料發(fā)生形變,并與主軸和填料箱內(nèi)壁緊密接觸,將軸向力變?yōu)閺较蛄Α?如圖2所示,理想狀態(tài)下,可以認為填料充滿了填料箱(即不可壓縮),那么局部徑向接觸應(yīng)力σr等于局部軸向接觸應(yīng)力σx,即σr=σx;但在實際情況下,考慮到填料受摩擦力影響,會發(fā)生一定塑形變形,故σr<σx,引入影響因子K,則σr=Kσx。
圖2 填料密封的微單元受力示意圖
如果給填料壓蓋施加一個力Fg, 那么填料壓蓋軸向壓力pg=Fg/A,其中A為填料箱的環(huán)狀面積,A=π(R2-r2),R為填料箱內(nèi)腔直徑,r為軸徑。 在填料上找到一個微單元,建立它在軸向方向上的力平衡方程[4]:
式中 dFR——微單元對外經(jīng)面的摩擦力,dFR=2πRμ2dxσr,N;
dFr——微單元對內(nèi)經(jīng)面的摩擦力,dFr=2πrμ1dxσr,N;
dxσr——局部徑向接觸應(yīng)力在微單元dx上的應(yīng)力變化,MPa。
又因為σr=Kσx,所以有:
進行σx到pg和x到L的積分:
假設(shè)μ1=μ2=μ,h=R-r,代入式(1),積分簡化為:
對σx求導(dǎo)得:
由式(2)可知,在[0,L]之間各密封處應(yīng)該滿足σx≥pg,才能獲得密封效果。 軸向接觸應(yīng)力σx在[0,L]之間為減函數(shù),并按指數(shù)關(guān)系向填料箱底部衰減,宏觀上表現(xiàn)為填料壓蓋產(chǎn)生的壓緊力越向填料箱底部越小,造成填料的變形量也會越來越小,由此產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力也呈指數(shù)關(guān)系不斷變小。
為了能更好地顯示σr的變化趨勢, 采用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型[5],通過計算機模擬得到填料徑向壓應(yīng)力變化趨勢(圖3)。
圖3 填料徑向壓應(yīng)力變化趨勢
由圖3可知,傳統(tǒng)填料箱的介質(zhì)壓應(yīng)力和填料徑向壓應(yīng)力分布趨勢正好相反, 直接影響填料密封的密封效果。傳統(tǒng)填料箱在使用過程中,外圈填料被壓緊時內(nèi)圈填料卻未被壓緊, 造成軸套與外圈填料接觸處容易磨損, 而且填料組數(shù)也不能增加過多,因達到一定組數(shù)后,外圈的填料已被壓緊至極限, 內(nèi)圈的填料有可能絲毫未被壓到, 這也是傳統(tǒng)填料箱亟待重點解決的問題。
針對立式長軸泵原有的設(shè)計缺陷重新設(shè)計:將填料箱壓蓋由整體式改為分體式(圖4),并將材料由鑄鐵換成不銹鋼。 這種新型分體式填料壓蓋,在不拆卸對輪的情況下就可進行更換,省去了吊裝的環(huán)節(jié),且擴大了檢修空間,可大幅降低勞動強度和檢修費用。 此外,更換填料時,因能及時地將填料壓蓋拆卸下來,就能自如地進行內(nèi)層填料的拆卸和安裝,明顯提高檢修質(zhì)量,延長了設(shè)備的運行周期。
圖4 新型填料壓蓋結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計新型填料箱時將普通軸套改為錐形軸套(圖5),可以解決傳統(tǒng)填料箱內(nèi)圈填料壓不緊的問題,提高了填料的密封效率;防止外圈填料和軸套磨損過大,從而延長填料的使用壽命。 此外,在填料壓蓋上,筆者還設(shè)計了彈簧自緊機構(gòu)(彈力根據(jù)不同工況計算得到)。 旋轉(zhuǎn)壓蓋螺栓可將彈簧壓縮到一個固定位置,從而滿足填料需要的壓緊力。 當填料磨損后,填料的軸向摩擦力就會減小,此時壓蓋被彈簧壓入填料箱內(nèi),起到填料密封自緊的作用,解決了填料需要被不斷緊固的問題,減輕了維護人員的勞動強度。
圖5 新型填料箱結(jié)構(gòu)示意圖
新型立式長軸泵填料密封箱,不僅可以解決內(nèi)圈填料無法被壓緊的問題,而且還能在填料磨損后進行自動補償[6],具有較高的技術(shù)價值,可在其他相關(guān)設(shè)備上推廣使用。
采用圓錐形填料的密封機理與圓柱形填料的相同,區(qū)別在于填料腔內(nèi)部形狀不同。 取距離填料腔底部x的微元填料(圖6)建立方程,從而得到錐形軸套的徑向壓應(yīng)力數(shù)學(xué)表達式。
查閱相關(guān)資料,根據(jù)彈性力學(xué)原理,建立微元軸向力平衡方程[7]:
式(3)中D為變量,D=d+2(1+x)tanα,略去高階微元量并且化簡整理可得:
根據(jù)微元填料“中心圓”力矩平衡原理可知,dm的微元填料“中心圓”力矩平衡方程:
圖6 裝配條件下微元填料的受力分析
代入式(4)中可得:
化簡整理可得圓錐形填料側(cè)壓因數(shù)的理論表達式:
假定填料對主軸的側(cè)壓因數(shù)不變,可得填料對軸套的徑向壓應(yīng)力表達式為:
為了直觀反映出填料對錐形軸套的徑向壓應(yīng)力變化趨勢,可將表達式輸入計算機進行圖形繪制[8],得到該變化趨勢如圖7所示。
由圖7可看出, 新型填料箱的錐形軸套設(shè)計可以明顯減緩徑向壓應(yīng)力向機泵內(nèi)部的衰減速度和衰減幅度,從而使填料壓蓋用一個較小的壓力就可以將內(nèi)圈填料壓緊,避免了因為填料壓蓋施力過大,造成外圈填料和軸套磨損過快的問題,從而提高了新型填料箱的密封效率,延長了其使用壽命。
圖7 填料對錐形軸套的徑向壓應(yīng)力變化趨勢
通過對填料內(nèi)部微單元的受力分析發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)填料箱在介質(zhì)壓應(yīng)力和填料徑向接觸應(yīng)力分布上處于相反的趨勢,從而造成外圈填料已被壓緊,而內(nèi)圈填料卻無法被壓緊;外圈填料和軸套磨損過大。 對此,筆者提出了新型填料箱的設(shè)計方案,并計算了其中的關(guān)鍵參數(shù),對于指導(dǎo)同類設(shè)備的檢維修和技術(shù)改造有參考價值。
此次技術(shù)改造,成功地解決了動力廠循環(huán)水裝置立式長軸泵運行周期短、吊裝困難及檢修費用高等問題,對于提高全廠循環(huán)水供應(yīng)質(zhì)量起到了保障作用,并獲得2017年度中國石油蘭州石化公司“合理化建議”成果金獎。 另外,新型填料箱設(shè)計已取得國家實用新型專利授權(quán) (專利號:ZL 201720355263.3)。