非接觸密封在濾棒氣力輸送機中的應用

徐振武　王湘玲　吳先士

濾棒氣力輸送機是一種用于香煙過濾嘴棒自動輸送的煙草工業專用設備。它利用帶有沿圓周均勻分布的縱向容納槽的發射輪，將上游存儲庫分配的過濾嘴棒逐支取出，并利用清潔壓縮空氣通過密封的金屬輸送管道，高速、自動、長距離地輸送到下游過濾嘴接裝設備上的濾棒接收裝置。其核心部件發射輪與密封弧塊之間的密封，是整個設備的關鍵技術之一。

一、結構及工作原理概述(見圖1)：

如圖1所示，逆時針旋轉的發射輪正下方有與之配合的密封弧塊，密封弧塊可以上下運動，處于工作狀態時上升至最上位置，其內弧面與發射輪外圓柱面配合，使容納槽封閉形成密封腔。密封弧塊底部有一個呈長腰圓形的配氣口，發射輪上每一個容納槽的端面都有一個壓縮空氣噴嘴，并且該噴嘴有一個較窄的配氣槽與發射輪外圓柱面連通。過濾嘴棒堆積在發射輪的上半部分，在重力、摩擦力和容納槽之間葉片的綜合作用下，過濾嘴棒能夠順利的落入容納槽中。發射輪左上方有一個同樣逆時針旋轉的剃料輥，并且其粗糙的圓柱表面線速度高于發射輪表面線速度V₀，其作用是保證每一個容納槽中最多只能落入一支過濾嘴棒。發射輪后端面下方正中央，有一個近似方形的輸出口與密封的金屬管道相連接。當發射輪旋轉至配氣槽與密封弧塊底部的配氣口重疊時，壓縮空氣立即從噴嘴中噴出，容納槽中的過濾嘴棒在壓縮空氣的推動下，通過方形輸出口進入輸送管道，直至到達下游的濾棒接收裝置。

傳統的濾棒氣力輸送機采用接觸式密封方式，如圖1中發射輪與密封弧塊之間的配合間隙δ=0，由于運動的發射輪與靜止的密封弧塊之間存在干摩擦，也就必然存在零件的磨耗問題。為延長使用壽命，降低運行阻力，通常的做法是發射輪采用耐磨的淬硬鋼制造，而密封弧塊采用低摩擦系數的高分子材料，以犧牲密封弧塊的方式換取發射輪的較長工作壽命。過濾嘴棒在壓縮空氣的推動下高速射出時，也會造成密封弧塊表面的局部磨損形成溝槽。一般條件下，密封弧塊使用半年或者更短的時間就需要更換，造成設備的使用和維護成本偏高。另外，即使采用低摩擦系數的高分子材料來制造密封弧塊，作用在密封弧塊上的夾緊力也不能過大，否則會增大摩擦阻力，加劇磨損，這就需要在夾緊力的大小上作出讓步。由于設備運行時作用在密封弧塊上的壓縮空氣壓力存在脈動，實際情況是密封弧塊也會跟隨壓縮空氣的脈動而上下振動，這一振動有損設備運行的穩定性，阻礙設備工作效率的提高。本文所述的新型結構，將采用非接觸密封方式來解決密封和零件磨耗等一系列問題。

二、非接觸密封原理(見圖1、圖2)：

對于濾棒氣力輸送機來說，非接觸密封就是要消除存在相對運動的發射輪與密封弧塊之間因接觸而產生的滑動摩擦，從而達到從根本上解決密封弧塊磨損問題的目的。如圖1中，當間隙δ＞0，壓縮空氣泄漏量q_r足夠小且能夠滿足工程要求時，就可以視為非接觸密封。將發射輪與密封弧塊之間的厚度為δ的圓弧空間區域展開；即可將問題簡化為圖2所示的平面縫隙流動模型。圖2中，Y軸上方的陰影區域表示以線速度V₀運動的發射輪外圓柱表面，壓力P₁=P，P₂=0，壓差P=P₁-P₂=P，V_y表示壓縮空氣泄漏時的流動方向。由于發射輪和密封弧塊左右對稱，壓縮空氣從中間向左右兩側泄漏的流動方向V_y正好相反。根據流體力學中平面縫隙流動的流量公式：q_rB(△P△δ³/12μ1±V₀/2)，(式中B為垂直于V_y方向的寬度，在此可等效于發射輪的長度，1為沿運動方向的長度，可等效于密封弧塊的弧長，μ為空氣運動粘度)當V₀與V_y同向時，公式中±取+，相反則取-，在此可以知道公式后半部分的值為0，即q_r=BPδ³/12μ1。受結構和工作條件的限制，設計中只能通過盡量減小8來達到減小q_r的目的。因為q_r與δ的3次方成正比，減小δ可以收到顯著的效果。

三、非接觸密封結構(見圖3)：

設計中采用如圖3所示結構來實現非接觸密封。圖中前支承輪、發射輪、后支承輪同軸布置，發射輪兩端有伸出軸分別支承在前后支承輪內部的兩個超精密雙列圓柱滾子軸承上，實現發射輪徑向定位。由于該雙列圓柱滾子軸承外圈無擋邊，軸承內圈和滾子組可以相對外圈作一定幅度的軸向位移。發射輪軸向定位由前支承輪一端的伸出軸上一個雙列深溝球軸承提供(圖3中省略此部分)，并能夠調節發射輪后端面與后支承輪之間的功能間隙大小。發射輪運轉的動力由后支承輪一端的伸出軸輸入。前后兩支承輪的外圓直徑與密封弧塊的內圓弧直徑均為a，發射輪直徑b略小于a，非接觸密封的配合間隙δ=(a-b)/2。要保證可靠的密封，應盡可能減小配合間隙δ，否則會因為壓縮空氣泄漏量q_r過大而無法實現預期的非接觸密封。在工程應用中，考慮到相關各零件的加工誤差、裝配誤差、雙列圓柱滾子軸承回轉精度等因素的影響，應使δ取一個合理的數值。

四、軸承預緊(見圖4)：

非接觸密封要求配合間隙δ數值極小且能夠維持恒定，這就要求發射輪有很高的幾何精度和回轉精度，因此結構中采用超精密雙列圓柱滾子軸承作為其徑向支承。這種軸承的滾子與內外滾道的接觸為線接觸且滾子數量較多，與點接觸的球軸承相比，能夠提供更高的徑向剛度；而且軸承內孔帶有1:12的錐度，可以通過推動軸承內圈相對錐形軸頸移動來消除徑向游隙，并且在滾子與內外圈之間產生預緊，其作用是通過增加徑向剛度來提高發射輪的回轉精度。如圖4所示，當軸承外圈滾道直徑d₁小于滾子組外切圓直徑d₂時，預緊便產生了。當密封弧塊在氣缸頂推作用下與前后支承輪緊密配合時，前后支承輪相對發射輪必然會產生微量的位移，這個位移必須小于δ，否則會破壞非接觸密封，具體表現為發射輪與密封弧塊接觸，摩擦會造成驅動電機過載和零件損傷。但軸承預緊量也不能過大，否則會增大軸承旋轉時的阻力和溫升，影響軸承使用壽命。可以通過控制軸承內圈相對軸端的距離d₃來調節預緊量的大小。

五、密封弧塊驅動(見圖5)：

當濾棒氣力輸送機正常工作時，密封弧塊在氣缸的頂推作用下與前后支承輪緊密貼合，并通過內外圓弧的幾何外形實現自動對中。機器工作時壓縮空氣作用在密封弧塊中央區域，產生向下的推力，因此密封弧塊必須有足夠的鎖緊力來保證可靠的密封。當機器停機或檢修時，密封弧塊需下落到最下方的極限位置。為實現密封弧塊升降運動和可靠的鎖緊，結構中采用了3個雙作用氣缸來實現密封塊的驅動。如圖5所示。

當機器處于待機狀態時，各氣缸的活塞桿都處于縮回狀態，接到PLC發出的啟動信號后，閥島相應的閥片動作，中間與密封弧塊連接的小直徑氣缸活塞桿首先伸出，而且空氣壓力和流量可調節，以控制密封弧塊上升的力和速度，當密封弧塊接觸前后支承輪時，缸體外面的磁感應式接近開關檢測到活塞上的磁環并發出信號給PLC，然后兩個并聯連接的大直徑氣缸同時動作，直至將密封弧塊鎖緊；下降動作過程則相反，兩個大直徑氣缸先啟動，當缸體外面的磁感應接近開關都檢測到活塞桿縮回到位之后，小直徑氣缸才開始動作。這樣的好處是，先用僅能克服密封弧塊重力的較小的推力使密封弧塊上升到位，既保證意外情況發生時操作人員的安全，又能最大限度的消除密封弧塊與前后支承輪的碰撞。兩個大直徑氣缸雖然氣路并聯，但由于活塞與缸體內壁的摩擦和粘滯作用，很難保證活塞桿伸縮完全同步，采用上述結構則很巧妙地回避了要求同步的問題。

六、應用效果：

實踐證明，采用上述非接觸密封結構的濾棒氣力輸送機運行穩定可靠，壓縮空氣和電能消耗比較低，發射輪組件和密封弧塊實現了與整機同壽命設計，使用維護非常方便，可以為煙草行業用戶帶來可觀的經濟效益。