鎂合金軋機油氣潤滑密封結構改進

王玲，劉益民，齊盛文，周勇

（鞍鋼重型機械有限責任公司，遼寧 鞍山 114031）

鎂合金是迄今為止在實際應用中最輕的金屬結構材料，被稱為“21世紀綠色工程材料”，它具有比強度高、比剛度大、導熱導電性好，減震性、電磁屏蔽性能優良，以及易于加工成型和容易回收等一系列優點[1]，作為替代鋼鐵、鋁合金的新一代高性能結構材料，在航空、航天、運輸、軍工、化工等領域逐步擴大使用。正是由于鎂合金需求的不斷擴展，鎂合金軋機應運而生，國內新建了多條鎂合金軋制生產線，其中軋機工作輥和支承輥的潤滑系統是影響軋機使用壽命的關鍵因素。一般潤滑系統通常采用的方式有稀油潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種：稀油潤滑具有潤滑良好、降低磨損及延長設備使用壽命的優點，但是維護和管理比較復雜，容易出現漏油現象；油霧潤滑是將含有霧狀油的空氣通入潤滑部位，使其形成并保持達到潤滑目的所需最低限度的薄油膜的集中潤滑方法[2]。具有耗油量較小、有較好的散熱作用的優點，但是存在油霧量的調節困難，排出的氣體中含有部分懸浮的微小油粒，對人體的健康有害；而油氣潤滑是一種新型的潤滑技術，它結合了傳統的稀油潤滑和油霧潤滑的優點，適合于高溫、重載、高速、極低速以及容易被冷卻水和臟物侵入潤滑點的工況惡劣條件下，氣體粘度不受溫度影響，具有摩擦小、溫降快、摩擦因子低、防腐蝕、密封好、易清潔等特點。鞍鋼重型機械有限責任公司（以下簡稱“重機公司”）先后完成了鞍鋼熱連軋1780 mm機組改造、鞍鋼2450 mm中板軋機以及青山1800 mm爐卷軋機等大型軋機設備的設計及安裝，其中軋機潤滑系統都選用了點對點的油氣潤滑系統，使用效果良好。因此，在此次鎂合金軋機項目中，借鑒之前的經驗，將油氣潤滑系統首次應用在山東臨沂鎂合金六輥軋機上，同時結合鎂合金板遇水易腐蝕的特性，在原有油氣潤滑密封結構基礎上進行了改進。

1 鎂合金軋機油氣潤滑系統

油氣潤滑系統由主站、油氣分配器、PLC電氣控制裝置、連接管路和管路附件組成。主站是潤滑油供給分配、壓縮空氣處理、油氣混合和油氣流輸出以及PLC電氣控制的總成。油氣分配器是將混合后的油氣從一個管路分配到需要潤滑的各個部位的裝置，由接頭、通油管和油堵組成，可以實現一通多孔設置。在鎂合金軋機中通過采用油氣潤滑系統，將油氣通過油氣分配器作用到需要潤滑的各個部位，實現點對點作用，延長軋機軸承和密封的使用壽命。

1.1 油氣潤滑結構

六輥軋機中各潤滑結構相似，以工作輥輥系為例，對油氣潤滑結構進行說明。圖1為工作輥油氣潤滑示意圖，從圖1中可以看出，工作輥安裝在軸承座中，外徑裝配有推力軸承、雙列圓錐輥子軸承，在軋制過程中，工作輥輥面直接與鎂合金板接觸軋制，工作輥處于中溫、高壓、高轉速狀態。采用油氣潤滑裝置，通過油氣潤滑分配器，將主站中混合的油氣潤滑介質分布到各需要潤滑的部位 （推力軸承、雙列圓錐輥子軸承和雙骨架油封等），降低旋轉件摩擦副的摩擦力，提高使用壽命。

圖1 工作輥油氣潤滑示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Oil and Gas Lubrication for Work Rolls

1.2 油氣潤滑密封結構

原工作輥軸端結構如圖2所示，在軋機軸承座的外側，設計單個骨架油封，對油氣潤滑起密封作用。骨架唇口朝內，軋機外側密封圈方向示意圖見圖3。在軋機窗口側，設計兩個骨架油封，背對背放置，唇口向內骨架油封，防止油氣潤滑氣體泄漏，唇口向外骨架油封，防止外側污物進入，軋機窗口側雙密封圈方向示意圖見圖4。同時為了防止軋機窗口側密封圈在使用中與工作輥摩擦力過大，磨損嚴重，降低使用壽命，在背對背骨架油封中間，增加了油氣潤滑分配點，用于潤滑該處密封圈，提高密封圈的使用壽命。

圖2 原工作輥軸端結構示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Shaft End Structure of Old Work Rolls

圖3 軋機外側密封圈方向示意圖Fig.3 Schematic Diagram for Outside Side of Rolling Mill along Direction of Seal Ring

圖4 軋機窗口側雙密封圈方向示意圖Fig.4 Schematic Diagram for Window Side of Rolling Mill along Direction of Double Seal Ring

2 油氣潤滑及密封結構存在的問題

由于鎂合金具有較強的還原性，能與沸水反應放出氫氣，與二氧化碳發生燃燒反應，能遇水表面加速腐蝕，形成黑色或起小黑點，并且能在水中燃燒的特性。所以對鎂合金采用油氣潤滑的密封性能要求特別高，不能出現漏水、漏油等情況。

當按照原圖紙設計密封形式裝配完成工作輥輥系和支承輥輥系后，通過對輥系的潤滑系統管路通入壓縮空氣進行試壓，用氣泡水涂在軋機外側軸端與密封結構接觸處，當壓力增加到0.05 MPa時，在軋機窗口側出現漏風現象，繼續增加壓力，壓縮空氣順著密封圈與軸頸配合面向外泄露越來越嚴重，噪音也越來越大。當壓力達到0.1 MPa時，氣泡范圍大至整圈接觸區域，噪音也變成哨聲，即壓縮空氣頂開外側唇形油封與軸外徑的配合接觸面，形成小縫隙，泄露至外面，從而產生“吹哨”現象。“吹哨”可以避免外側污物進入，對軋機潤滑是有利的。但是“吹哨”會將油氣吹到軋機窗口側的軋制區域，不僅影響潤滑效果，還會使壓縮空氣和油分離為水滴和油滴，落在軋制的鎂合金板上，影響鎂合金板軋制質量，嚴重將引起燃燒和爆炸，所以有必要對現有鎂合金軋機油氣潤滑結構和密封形式進行改進。

3 鎂合金軋機油氣潤滑密封結構改進

3.1 改進密封圈安裝結構

雙骨架結構密封圈通常是背對背安裝（見圖4），但為了消除油氣泄露軋機窗口側對鎂合金板軋制的影響，將兩個骨架油封同向安裝，兩個唇口方向向內，改變后雙唇形密封圈安裝形式見圖5，兩密封圈中間潤滑點的油氣通過第二個唇形密封圈進行密封。雙唇形同向密封圈設計結構既能實現對油氣的密封，又能保留對該處骨架油封的潤滑。

圖5 改變后雙唇形密封圈安裝形式Fig.5 Installation Form for Lips-type Seal Ring after Modification

3.2 增加壓力平衡孔

按照圖5唇形密封圈方向改變后，出現了新問題，那就是在兩個骨架油封中間，存在一個密封腔，容易產生局部壓力升高的情況，一旦壓力升高超過密封圈承受的壓力，就會造成密封失效。

為此，在軋機內端蓋上增加了壓力平衡孔，將兩密封圈中間壓力降至與軸承箱箱體內壓力一致，保證了第一個骨架油封兩端實現壓力平衡，不會影響密封效果，在滿足潤滑的前提下，第二個旋轉軸唇形密封圈能夠實現該點的密封，防止壓力外泄。

圖6 壓力平衡孔設計Fig.6 Design for Pressure Balancing Hole

3.3 增加壓力泄氣塞

為了避免壓力升高造成密封圈失效，按照國家標準GB/T 13871.1-2007密封組件為彈性體材料的旋轉軸唇形密封圈適用壓力范圍：工作壓力≤0.05 MPa的要求，在油氣潤滑中，設計壓力泄氣塞，壓力可以調節在＜0.05 MPa，這樣可以保證整個油氣潤滑系統保持一定的工作壓力，防止空間內冷卻水、灰塵等異物進入密封腔內部，保持工作腔內的清潔度；并在壓力＞0.05 MPa時，通過泄氣塞進行泄壓，保護密封圈的正常使用效果。

4 改進效果

在鎂合金軋機軸承座的潤滑系統采用了油氣潤滑系統，并按照以上結構設計改進后，取得了如下效果：

（1）改進結構只需增加壓力泄氣塞和壓力平衡孔，改進成本低。

（2）通過壓縮空氣進行氣密測試，在壓力達到0.05 MPa時，軸承座兩側密封都沒有漏風現象，壓力表數值也沒有降低現象，保證了油氣不外泄。

（3）防止潤滑油外泄對設備周圍及環境造成的污染。

（4）防止外面污物進入軋機內部，實現對軸承及密封圈的長壽命化的潤滑效果，減少設備停機和維修次數，每年節約油脂消耗約5%。

（5）避免鎂合金鋼板表面由于油氣污染造成的黑色斑點，提高鋼板表面質量。

5 結語

針對鎂合金軋機原有使用油氣潤滑系統出現的漏油情況對鋼板表面造成污染的問題，通過改進油氣潤滑系統密封圈結構形式和密封圈安裝方向，并增加了壓力平衡孔，壓力測試各處密封良好，沒有出現漏氣和泄壓情況。與原有結構比較，每年可節約油脂消耗5%，并實現提高了軸承部位的潤滑效果和使用壽命的目標。結構改進后油氣潤滑密封結構的潤滑和密封效果有了很大提高，解決了漏油問題，鎂合金鋼板表面質量得到改善。在鎂合金軋機中間輥輥系、支承輥輥系上都進行同樣改進，能夠獲得表面質量更高的鎂合金鋼卷。同時，改進思路可以在其他軋機油氣潤滑系統中進行推廣應用。