罗茨真空泵密封改造

罗茨真空泵密封改造

汪利刚

万华化学（宁波）有限公司 浙江省宁波市 315000

摘要：罗茨真空泵是指具有一对同步高速旋转的8字形转子的机械真空泵，泵腔与油箱靠胀圈阻塞泄漏间隙的接触式动密封。工作时，涨圈受工作介质压力的作用贴紧涨圈的一侧，胀圈外圆借弹力与缸体内表面贴紧形成密封。双唇密封是英国詹姆斯沃克James Walker为满足摩根和西马克等棒线材轧机的特殊要求，而专门研制的高性能密封。纯聚四氟乙烯不耐磨，要使它具有实用性，必需对它填充改性处理。我们采用二种方法：一种是无机物填充改性，在聚四氟乙烯里加入玻璃纤维、碳素纤维、石墨、二硫化钼等。另一种是有机物填充改性。通过填充改性使聚四氟乙烯耐磨性能提高了2000倍，又增加了钢性、导热性，使油封达到高寿命要求。

关键词：双唇密封；陶瓷；胀圈密封；功率；硬度

1. HMDI装置反应真空机组现状：

其一：真空机组最大的故障点就是油箱和泵腔无法实现彻底密封,对于工况比较恶劣的条件,系统含有较多的氯苯,光气,反应物料的工况,由于气相氯苯具有很强的渗透性,而常规的迷宫密封属于非接触式密封无法起到密封（如图2），目前使用的活塞胀圈密封针对系统带液相的工况无法形成有效密封,根据胀圈密封原理可知（如图1）罗茨真空泵在停机状态根本无法实现密封，而且在使用过程中短时间内密封处就物料集聚导致密封环卡住彻底失效。油箱和泵腔就直接相连通，润滑油非常容易就被污染，需要频繁的更换润滑油,系统中有光气作业中安全风险较高。轴承、齿轮,机内件的寿命也就大大降低设备故障率增高。

（ 图1） （图2）

其二，氯苯是一种易挥发，渗透力很强的有机溶剂。氯苯在真空状态下的沸点为零度以下，气相氯苯在真空系统真空度为 0（表压）的条件下用冷凝器无法实现将气相氯苯冷凝为液相。

其三：密封材料及形式选择的局限性。由于系统物料氯苯，光气等物料具有强腐蚀性，而且是很强的有机溶剂，普通骨架油封在氯苯的环境中很容易发生腐蚀变形，失去密封效果，而目前对氯苯溶剂较稳定的只有聚四氟乙烯类(塑料王)和全氟醚。

其四：机械密封，虽然稳定性较好，成熟，但是机械密封使用需要具备2个必要条件，第一，机械密封润滑必须稳定，没有足够的润滑机械密封发热将很快失效。第二，机械密封工作时发热需要对其进行冷却，如果将侧板安装机械密封处增加冷却腔会使罗茨真空泵的结构更加复杂，从技术上难以实现。成本也会很高，不经济。

综合考虑材质以及密封形式，采用聚四氟乙烯（PTFE）的双唇密封。在经历一年多的实验中表现良好，聚四氟乙烯密封的优越性：

（ 图3 ）

1、具有很宽的工作范围，它在-200℃时还具有一定弹性，在超低温场合下，非他莫属。在高温可达260～300℃，超过橡胶的工作范围。

2、允许高速场合正常使用，聚四氟乙烯密封的表面线速度可高达30～33m/s，只要有飞溅油润滑场合甚至可高达43m/s，真空泵的润滑系统非常适合聚四氟乙烯密封的工况，橡胶油封只允许小于10m/s。

3、它与轴的“追随性”好能允许轴偏心运转0.75mm而不渗漏。

4、能封高压液流，单唇口可达1MPa，双唇口达3MPa以上，而橡胶密封只能封0.03MPa，它直接可以替代机械密封使用。

5、具有很长的使用寿命，在封油场合可连续工作10000h而不失效。

6、它不仅能封油类流体，也可以封水质一类流体，包括强酸,强碱，强腐蚀性化学流体及各种溶剂。

7、结构简单，外形尺寸均可与橡胶密封互换，安装，维修方便，可以替代原来使用的机械密封或者填料密封，效果很好。

二、聚四氟乙烯油封可行性分析：

可行性分析一：增加聚四氟乙烯密封对功率的影响:

胀圈密封改为聚四氟乙烯密封的对功率的影响，增加聚四氟乙烯密封之后，由于密封唇口的张紧力和摩擦力会造成电机的功率损耗,过载甚至导致电机发热接地跳车。聚四氟乙烯唇口密封材质是PTFE，通过无机物石墨、二硫化钼或有机物剧本酯的充填摩擦力更小,更具实用性，耐磨性，刚性导热性。而且没有普通骨架油封的抱紧弹簧，进一步降低了因抱紧力对电机的功率损耗达到节能的目的。

1、f（PTFE）≈1/10 f (NBR)

所以聚四氟乙烯密封摩擦力产生的损耗功率可以忽略不计。

2、抱紧力F产生的损耗功率

由于抱紧力计算复杂，一般采用实验法验证可行性。经和厂家（浙真）和上海日亮氟塑料沟通得知，对于单个￠115*140*12(mm)双唇聚四氟乙烯抱紧力产生的功率损失P（损）=200w，一台罗茨真空泵需要安装4个聚四氟乙烯密封所以总的功率损失为：

P（损总）=4×200=0.8kw，

K01罗茨真空泵的额定功率：P（额）=55KW，

实际使用功率：P（实际）=UI=105×380=39.9kw，

所以P（实际）+ P（损总）=39.9+0.8＜P（额）=55KW满足功率要求

可行性分析二：机加工对密封座孔的匹配要求：（如图4）

（ 图4 ）

可行性分析三：机加工对工作轴的匹配要求：（如图5）

经查真空机组图纸，胀圈密封轴套密封处材质为38GrMoAl，虽然38GrMoAl是高硬度、高耐磨、高耐腐蚀钢种,主要用于制造齿轮、辊段等易磨损部件并进行了渗氮处理，但是通过公司硬度检测仪检测其硬度为HB 386～392，明显硬度要求不符合HRC≥55,所以造成了图(6)轴套硬度不够磨出沟槽.

HRC适用范围HRC 20～67，相当于HB225～650，HRC≈1/10HB，所以HRC=1/10HB（386）=38.6 不符合HRC≥55，查表1可知。

金属硬度对照表
抗拉强度N/mm2	维氏硬度HV	布氏硬度HB	洛氏硬度HRC
1220	380	361	38.8
1250	390	371	39.8
1290	400	380	40.8

（ 表1 ）

陶瓷材料作为无机非金属材料的一个重要门类，取得了很大的发展。结构陶瓷以其高机械强度、高硬度、耐腐蚀性等优点被广泛用于冶金、矿厂及航天等领域。硬度是结构陶瓷一项重要技术参数。喷陶瓷制品可使表面硬度达到 HRc75 ，远比磨具钢或冷硬铸铁的耐磨性高。各类钢结构的热喷涂长效防护涂层、防腐、长效防腐，一次防护寿命可达 30 年以上。

陶瓷喷涂密封套优点：

1、硬度较高，可以达到HRc75，远远超过金属可以达到的硬度要求。2、陶瓷具有耐腐蚀性，抗氧化性。3、喷涂层厚度可以从0.01至几毫米。4、涂层性能多样，耐磨、耐蚀、抗氧化绝缘等特殊功能。5、热喷涂AI2O3陶瓷涂层导热系数8. 7w／m.k（600℃）和5.3w／m.k（1200℃），可起到隔热作用。

综上所述：综合理论分析和实验结果将采用第三代双唇带螺旋槽的对聚四氟乙烯进行石墨填充的动力油封，轴套（密封套）密封面如图（8）采用陶瓷喷涂的结构形式，解决了密封面硬度不够的问题，也进一步提高了密封的密封效果和密封使用寿命。

三、聚四氟乙烯唇口密封局限性和不足

1、由于罗茨真空泵侧板轴承箱空间较小，设计安装存在一定困难，而且在安装过程为保证密封面唇口磕碰必须将泵轴垂直地面安装。

2、对于ZJQ300以下的罗茨真空泵，密封套加工和密封安装孔尺寸过小局限造成聚四氟乙烯唇口密封的宽度设计局限，生产企业没有合适的模具，而且非标的唇口密封需要重新开模成本较高。

3、聚四氟乙烯唇口密封材质主要是PEFE（聚四氟乙烯），密封介质主要是气相和液相，针对物料易凝固附着在密封面上，一开机很容易造成密封面的破坏，导致密封失效。

4、罗茨真空泵润滑是喷溅润滑，密封长时间没有保证充分的润滑容易造成密封过早磨损失效。

四、结束语

经过一年多的试验，聚四氟乙烯唇口密封在罗茨真空中的使用可行性分析经过实验验证是可行的，通过测试聚四氟乙烯唇口密封的成绩可以达到优良。结合使用总结经验，改进影响密封缺陷的因素，后期通过对密封轴套的改进（密封面的喷涂陶瓷），以及第四代聚四氟乙烯唇口密封形式的改进（RD70唇口内壁刻有螺旋槽）螺旋槽与轴旋转方向相反产生一个分力阻止渗漏。效果更好，但是罗茨真空泵的两转子是相反的方向旋转，需要根据情况螺旋槽的旋向也有不同，行业内有无类似的产品，需要再进行实验验证。

参考文献 [1]程海波,张红飞.电动真空泵在汽车制动系统中的应用[J].汽车与配件,2013(35):33-35. [2]史立伟,张学义,陈金戈.汽车真空助力泵设计[J].机械设计与制造,2008(4):1-2. [3]李远超..金属橡胶密封件温度特性研究及专用试验台研制[D].哈尔滨工业大学.2013.