污水处理工程是环境保护的重要项目，而污水泵作为污水处理工程的主要配套设备被广泛应用于城市排污、矿山、冶金、电力以及石化等污水处理作业，发展前景广阔。污水泵产品除了要求技术性能好之外，密封是污水泵的关键，必须可靠性高，污水泵无故障运行时间长。污水泵在工作中，密封一旦失效，外部介质或油室中的油便会进入电机腔，引起潜水电机缺相、短路、漏电、烧坏电机，甚至影响人身安全。因此，为了进一步提高污水泵使用的安全性、运行可靠性以及提高污水泵无故障运行时间，有必要对污水泵通常使用的机械密封进行结构分析，实行改进。
一、常用的密封形式及不足
目前，污水泵产品常用的密封形式有两种:填料密封和机械密封。填料密封，如图1所示，是最古老的一种密封结构，发源于工业革命之前的传统密封装置，有着100年的材料工艺、润滑剂系统和制造方法，并保持持续进步，目前很多的应用场合。经分析，该软填料密封结构存在如下缺陷:
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1.密封介质含有的杂质严重影响密封性能。杂质进入软填料密封内部，进一步增大了填料密封和轴套之间的摩擦、磨损。虽然材料耐磨性较好，但是使用效果仍然不佳，泄漏频繁。另外由于没有采用封液对填料密封进行润滑冷却，也加剧了填料与轴套之间的磨损。
2.工作状态不稳定需频繁调整和更换填料。由于软填料自身具有的粘弹特性，在工作状态下会出现明显的应力松弛。为保持其正常的密封功能，需不断地通过压紧压盖来增大填料与轴的径向接触力，同时也增大了软填料与轴的磨损，因此不得不经常更换(或添加)填料，维修工作量和费用大大增加。
3.磨损严重致使能耗量大。根据软填料密封的工作机理，填料密封与轴(或轴套)之间必须保持较大的径向接触压力以维持密封，因此填料和轴(或轴套)的摩擦、磨损都很严重，在密封很快失去工作能力的同时，造成相当大的能耗浪费。
机械密封具有摩擦功率损失小、寿命长、不泄漏等诸多优点，目前已在水泵上广泛应用。要把填料密封结构的水泵改造成机械密封结构需从设计、结构和加工几方面考虑。
文献讨论了污水泵工况时软填料密封的失效原因，并提出了改进的方案，有一定的借签和实用价值;机械密封亦称端面密封，其有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下，依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合，并相对滑动，从而防止流体泄漏。
污水泵中常用的机械密封结构有两种形式:一种方案是在潜水污水泵的油室里安装一套双端面机械密封(见图2);另一种方案是在污水泵油室里设置一套单端面机械密封，而另一套设置在泵腔，使用在所抽送的污水介质中。
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1轴套;2动环辅助密封圈;3动环;4密封垫片;5静环;6静环辅助密封圈图机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使泵在不运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。图2所示为双端面机械密封，水泵侧与电机侧两道密封端面都是靠弹性构件-弹簧和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面上产生适当的压紧力，使这两个密封端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。其中水泵侧密封端面与电机侧密封端面结合处B，是密封点，防止所抽介质进入油腔，防止油腔内的油进入电机腔;6为静环与压盖端面之间密封点， A处是动环与轴配合面之间的密封点，C是箱体间的密封。
图2中，A、B、C所示结构机械密封最容易出现泄露现象，由于使用介质的复杂性，易使抱轴橡胶老化，一旦出现老化就直接影响弹簧传动而使得密封失效，同时，两端面密封都得靠同一个弹簧产生压力，若其中一边端面接触失效，整套密封也就失效。因此，这种机械密封一直存在失效快、返修率高的不足之处，直接影响到泵使用寿命。
机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的，同时通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的，例如:泵轴的窜量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压;机械密封处的泵轴不能有太大的挠度，否则端面比压会不均匀等等。只有满足类似这样的外部条件，再加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。
因此，在实际应用中，以机械密封来代替填料密封的情况越来越多。
二、填料密封的机械密封改造
1.改装方法
污水泵填料筒的径向尺寸和轴向尺寸较小，影响了机械密封的安装。在满足强度的情况下，将填料筒的内径相应地扩大;若有轴套，可将轴套的外径相应地缩小或将轴套拆除。
2.主要尺寸确定
(1)确定传动套或弹簧座在轴套上的位置。如图3所示。为了防止传动套或弹簧座同填料内套端面碰，把安装机械密封的起点尺寸定为[H-K=5～15mm]。
(2)确定轴套总长度。轴套的总长度一般比原来的总长度稍稍长一点。因为考虑到轴套尾端部分要伸出密封压盖5～10mm左右，以利于安装方便。尺寸根据设计的密封压盖厚度而定。
(3)确定传动套或弹簧座在轴套上的定位尺寸D:D=L-[H-K-(5-10)+l]。
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1.填料箱平面 2.填料箱壳体 3.填料内套 4.轴套 5.轴 6.密封圈 E.内套端面 H.填料箱深度 L.套筒长度
(4)轴套与轴的密封。轴套与的形圈轴的密封可采用聚四氟乙烯车制成直径为3mm的O形圈来进行密封。安装机械密封的轴套，要求具有良好的抗腐蚀性和耐磨性，对于放置动环密封圈的轴套表面要求镀铬处理，表面粗糙度为0.8。
(5)密封压盖结构尺寸的确定。机械密封的静环装在压盖上。压盖上安装静环的各种配合尺寸均按静环的几何尺寸进行设计，结构可参照机械密封有关资料。
3.改造技术要求
(1)安装机械密封部位的轴或套。轴或套的径向跳动0.04～0.06mm;表面粗糙度不低于0.8，轴或套外径尺寸公差为h7;密封轴套端部必须做倒角并修光滑。
(2)密封压盖。密封压盖应有足够的厚度，防止在液体压力作用下产生变形;密封压盖固定螺栓不少于3个;与静环密封圈接触部位的表面粗糙度不低1.6，其接触面对轴中心线跳动允差±0.04mm;安装静环密封圈的端部必须做倒角并修光滑。
(3)转子。瞬时轴向窜动量不超过±0.15mm;轴向游动量不超过±0.1mm轴振动量不超过±0.05mm。
(4)密封腔。密封腔与密封压盖配合的止口跳动允差为0.04～0.08mm;密封腔与密封压盖配合的端面跳动允差为 0.06～0.08mm。
三、机械密封结构改造
将图2中C处密封面是机械密封最容易发生泄露处，而锥面机械密封特别适合于含有固体悬浊物的泵送设备，因此将C处改为锥面密封，如图4所示。静环材料为填充聚四氟乙烯，动环材料为不锈钢，锥面喷涂碳化钨。其主要特点为:
1.锥面机械密封的动环为一锥环，其半锥角为α;静环的内径R1为定值，随着静环的磨损接触母线长度T增长，静环的外径R2也随之增大，R2=R1+2T sinα。
2.密封接触面母线长度很短(稳定运转初期为0.3～0.5mm)，因此接触端面内外温差小，温升低，降低了粘着磨损的程度。静环具有较大的抗压截面，压力变形小。
3.密封套和动环都具有一定的浮动性，可使密封面始终保持良好的接触状态，介质中的悬浮颗粒不易进入密封面。
4.介质泄漏方向与其离心力方向成一定角度，对减少泄漏有利。
锥面机械密封的密封比压计算为:
pc=ps+p1(G-λ)在上式中:pc密封比压，MPa;ps弹簧比压，MPa;p1介质压力，MPa;G载荷系数;λ反压系数(可根据文献中[5]推荐值选取)。
在设计中注意G与接触母线T的关系，当锥面机械密封的静环磨损后，接触母线长度T不断增加，使得载荷系数G不断减小。图5所示为接触母线长度T与载荷系数G的关系曲线，运转过程中，静环磨损和G值降低所造成的卸载，使密封比压pc降低。由此而产生泄漏时，必须通过调节弹簧压缩量(弹簧加载)来维持足够的密封比压。
机械密封在运转中，弹簧一般不再进行调整。弹簧在锥面机械密封中起着补偿密封环磨损卸载和G值降低卸载双重作用，设计中正确确定弹簧比压是保证密封性能和使用寿命的重要一环。
四、结束语
改造后的密封结构，密封可靠，泵在运转中基本不漏，调节维护方便。提高了密封性能，延长了运行周期，节省了检修费用。经过上述改造之后的污水泵运行良好，延长了设备的连续运行时间。
