泵的應用十分廣泛，其旋轉軸用密封是泵中關鍵的部件。在離心泵的工作過程中，因離心泵的泵軸、葉輪是運動的，而泵殼是靜止的。這樣，在旋轉的葉輪壓蓋和靜止的泵殼內壁會有環形間隙，高壓流體便會由此間隙從葉輪出121漏到入121，導致泵的容積效率降低。泵的密封性能是評價泵產品質量的一個主要指標。常用的軸封裝置有填料密封和機械密封2種。
1 填料密封
1.1 填料密封原理
圖1 離心泵軸封的傳統填料密封結構圖
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，使得盤根徑向產生擴張壓力，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，防止盤根因摩擦發熱而燒損；二是一定程度上起到以水潤滑的作用。如圖1所示為某325H一19型循環水泵軸封系統的傳統填料密封結構示意圖。
1.2 填料密封的缺點
(1)填料密封的貼緊接觸力來源于壓蓋對填料的軸向壓力而使填料產生徑向擴張力，造成填料與軸套之間形成較大的摩擦，因而需要經常更換磨損的軸套。
(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現密封。
(3)填料密封的泄漏極易使泄液進入軸承箱，造成軸承的損壞。
(4)填料密封在使用過程中，由于填料經常處于非正常的使用狀態，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。
(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。總之，填料密封的優點是簡單易行，缺點是維修工作量大，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 機械密封
機械密封亦稱端面密封，是常用的一種密封方式，其有一對垂直于旋轉軸線的端面，該端面在流體壓力及補償機械外彈力的作用下，依賴輔助密封的配合與另一端保持貼合，并相對滑動，從而防止流體泄漏。
2.1 機械密封工作原理
如圖2所示為單端面非平衡型大彈簧機械密封的典型結構。
圖2 單端面非平衡型大彈簧機械密封的典型結構
圖2中動環和靜環是主要密封元件。動環和靜環一般由一軟一硬不同的耐磨材料組成，如石墨、聚四氟乙烯對硬質合金、陶瓷、碳化鎢、氮化硅、鉻鋼等，動環6套在軸上，動環外徑與傳動座2內徑是花鍵連接，傳動座螺釘1壓緊在軸上，這樣軸旋轉時，帶動傳動座和動環一起旋轉。動環和軸之間有密封圈5，以阻止液體沿軸向外泄漏。靜環7和機械密封壓蓋9(或泵體)之間也有密封圈8防止液體往外泄漏。動環在彈簧力和液體壓力的作用下，緊壓在靜環上達到密封的作用，傳動座和動環之間的彈簧推環4用調節螺釘來調節彈簧壓力大小。以調節動環與靜環之間的密封程度。為防止靜環旋轉，壓蓋上有防轉銷。為防止動環因對靜環的相對轉動產生摩擦而產生的高溫燒壞密封面或使液體汽化而造成動環和靜環之間的干摩擦，所以一般都要對端面用液體沖洗冷卻。
2.2 機械密封的缺點
機械密封方式雖然泄漏量相當小，無需冷卻水，使用周期長，一般可以達到一年以上，但是機械密封機構很復雜，又是環狀零件，安裝時技術要求很高，稍有偏差對水泵運行影響很大；檢修時必須對水泵解體才能進行，使得檢修工作量大為增加。機械密封零配件機械制造加工工藝亦因其工藝技術要求非常高而繁瑣復雜，使得機械密封的成套造價很高，一套一般都在萬元左右。
3 新型填料密封在水泵上的應用
機械密封價格昂貴，在普通水泵上應用成本難以接受，因此人們針對傳統填料密封存在的缺點，進行了改進。改進水泵填料密封方式的方法主要針對盤根填料進行改良，其原則是提高填料的密封性能和耐用性，增加填料的潤滑性，減少摩擦，改善泵軸運轉狀況。
1995年美國赤士盾(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)、有機密封劑等材料混合組成，形成一種無規格限制的黑色膠狀物。使用時，在填料函的前后端裝入編織環或石墨填料，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可以看作是機械密封、填料密封、間隙和迷宮密封的有機組合。它既有機械密封的“旋轉層” 和“靜止層”，又有填料密封的編織環、填料調整壓蓋，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構。
圖3 CMS2000層狀剪切式迷宮密封系統安裝圖
在軸旋轉運動過程中，CMS2000填料中的KEV．LAR纖維會纏繞在軸(或軸套)上并隨軸同步旋轉，形成一個“旋轉層”。在填料函內壁附近，CMS2000填料粘附其上，形成一個“不動層”。這樣，泵軸的轉動使填料的處在中間的填料層作剪切運動，這是因為填料間吸引力極小。其層間摩擦因數很小。圖3為CMS2000層狀剪切式迷宮密封系統示意圖。
3.2 CMS2000填料的特點
3.2.1 可實現零泄漏
CMS2000作為一種新型的密封產品，填料內外層分別粘附在軸和填料函腔，泵送介質必須擊穿填料才可能外漏，在填料的許用范圍內達到完全無泄漏的效果，且使用壽命較長。泵在停止運行后，由于CMS2000填料的內部磨損、消耗以及層狀剪切式迷宮密封面之間存在間隙，可能會發生一定的泄漏，此時只需加注少量的CMS2000填料即可。
3.2.2 不會對軸造成磨損
CMS2000填料的“旋轉層” 緊緊纏繞在軸套上，與軸套保持相對靜止，對軸套起到了保護作用，不會產生磨損現象。即使軸套有一些磨損，由于是環狀磨損，而CMS2000具有很強的可塑性，使得“旋轉層”始終能緊緊包在軸套上，從而達到密封效果。這是前傳統填料密封和機械密封無法做到的。
3.2.3 節能降耗效果十分顯著
CMS2000填料是一種膠泥狀物質，分子間作用力很小，其摩擦力很小，因此對軸功率損耗很小，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，產品的摩擦熱也很少，不需要像機械密封和傳統填料密封那樣需要沖洗和冷卻，可以大大節約水資源。
3.2.4 可在線修復、維修
當CMS2000有泄漏需要維修時，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，實現了在線修復。
3.2.5 安裝簡單，應用范圍廣
由傳統填料密封改為CMS2000系列層狀剪切式迷宮密封系統，安裝改造工作簡單。只需要取出原填料密封結構中的水封環，安裝好前、后編織端環，加裝CMS2000注入絲頭和閥門，并在二個編織端環間充滿該產品即可。CMS2000層狀剪切式迷宮密封系統適用于溫度為一40～750 qc，壓力小于1．5 MPa，轉軸線速度小于18 m／s的除強酸、強氧化性以及對該產品有分解或損壞作用外的一切介質，特別適合在電廠、煉化裝置、供排水公司等單位的大流量、低壓力的水泵中應用。
3.3 經濟效益分析
以某型號32SH一19水泵為例，該泵基本參數為：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(下轉第188頁)類型及調整幾何參數的情況下，通常也不會(或很少)改變切削液用量。美國密執安技術大學對切削加工中有關切削液的用量問題進行了研究，試圖在滿足加工要求的情況下，使切削液用量最少，與切削液有關的費用也降至最低。他們在福特公司所做的實驗中，對切削液的濃度、工件材料、刀具類型及幾何參數等都進行了測試與研究，并對工件表面粗糙度、積屑瘤和切削力等作了分析，通過實驗得出了最適當的切削液用量。美國Thyssen制造公司正全力研究“最小潤滑”加工技術，使切削液液流或氣霧通過刀具作用于加工區域，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，有利于環境保護。
4 切削液的發展趨勢
高性能水性產品的開發應用由于有效的水溶性極壓添加劑的缺乏，水溶性切削液產品在加工精度較高的場合的應用受到了一定程度的限制，許多精密機床進行的高精密度的加工都使用非水溶性切削液。近期，由于原油價格的不斷上漲，油性切削液產品的價格也隨之高漲，許多機械加工業廠家的生產成本相應增加。為了減少生產成本，提高產品的市場競爭力，大量的機械加工廠商希望用性能優良的水溶性切削液代替非水溶性切削液。如何開發性能優良的水溶性切削液產品已成為各大小切削液生產廠商關注的問題。
4.1 綠色切削液的開發
大力開發對生態環境和人類健康負作用小、加工性能優越的切削液，朝著對人和環境完全無害的綠色切削液方向發展；同時，努力改進供液方法，優化供液參數和加強使用管理，以延長切削液的使用壽命，減少廢液的排放量；此外，還應進一步研究廢液的回收利用和無害化處理技術。此外，為了達到環境保護的目的，非水溶性切削液還需要盡可能地對環境不產生污染。目前仍在使用的極壓潤滑劑主要是含有硫、磷、氯類的化合物，如硫化烯烴、硫化動植物油、硫脲、磷酸酯、氯化石蠟等，它們在高溫下與金屬表面發生化學反應生成化學反應膜， 在切削中起極壓潤滑作用。它們的潤滑性能很好，但對環境有污染，對操作者有害。隨著人們環保意識的加強，現在對此類添加劑有了一定的限制。國內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。目前研究開發的重點是：
(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)開發性能優良且對人體無害和對環境無污染的添加劑。
4.2 切削液的綠色使用
(1)推廣集中冷卻潤滑系統，即把機械加工設備各自獨立的冷卻潤滑裝置合并為一個冷卻潤滑系統，使切削液維護管理上水平上臺階。
(2)研究干切削和最少量潤滑切削，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，以確保排放的廢液對環境無污染。(上接第186頁)速985 r／rain；介質溫度：20—5O℃，原用密封為浸油盤根；盤根規格：20 mln×20mm；盤根數量：8層x 2(側)；軸套外徑130 mm。該填料泵每2年要大修一次，泵的盤根每3個月需更換一次，該泵每年的盤根維護費用為4次／年X200 次=800元；每3年需要更換軸套2件，費用為400 套。因此使用傳統填料每年相關的維護費用為1 067元。
現在按每年加注CMS2000填料4次，每次加注30 mL計算，約需要4 X 30×2．8元／mL=336元。即與使用傳統填料相比，每年可降低維修費用731元。另外，使用CMS2000填料后，還可以節省功率消耗；可以降低密封材料的庫存；泵的運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備運行和維護中解脫出來。
5 結束語
分析了水泵常用的填料密封和機械密封軸封裝置存在的缺點，介紹了一種新型的填料CMS2000及其在水泵上的應用。CMS2000填料密封可明顯降低電耗、水耗、備件損耗、設備損耗，降低了檢修維護勞動強度，也因此降低了事故發生率，在實際生產中較為經濟實用，具有廣泛的推廣價值和應用前景。
張東紅，1965年出生，1984年在河北涿州電子儀器廠工作，1993年調入中鐵十八局修理廠，1997年開始在中鐵十八局機械化處工作，現在中鐵十八局路橋公司水泵廠工作，中級技師。
