坑道鉆機液壓離合器旋轉密封設計

沈　璽，宋小青

（1.浙江杭鉆機械制造股份有限公司，浙江 杭州310000；2.浙江省建設機械集團有限公司，浙江 杭州310000）

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坑道鉆機液壓離合器旋轉密封設計

沈璽1，宋小青2

（1.浙江杭鉆機械制造股份有限公司，浙江 杭州310000；2.浙江省建設機械集團有限公司，浙江 杭州310000）

摘要：根據坑道鉆機使用的液壓離合器液壓旋轉通道的密封設計要求，對其使用的結構形式、密封原理、性能評價、材料選擇作分析討論。

關鍵詞：鉆機；旋轉密封；設計

液壓離合器，如圖1所示，是坑道鉆機傳動系統中的核心部件，其工作原理是液壓油壓緊，蝶型彈簧松開。液壓油先經過端蓋的進油口，再經過離合器軸的過油通道，到達離合器油缸。其中因為端蓋是固定的，離合器軸為高速旋轉部件。液壓油在液壓旋轉密封區域時不能泄露，否則液壓油的壓力不能有效、穩定的建立，導致離合器的活塞不能壓緊離合器摩擦片，進而就不能有效而穩定的工作。液壓旋轉密封直接影響著液壓離合器是否能正常工作。因此分析液壓旋轉密封技術，從坑道鉆機液壓離合器使用的工作參數要求進行設計，選用金屬漲圈接觸式密封技術，并成功應用。

圖1　液壓離合器結構示意圖

1　液壓旋轉密封的結構形式和密封材料的分析

液壓旋轉密封分為接觸式與非接觸式。選取密封結構形式及其密封材料的依據分別是軸的旋轉線速度、工作壓力、工作介質[1]。通常在低速、低壓下工作的旋轉密封裝置的設計不太困難，但是工作在高速、高壓時其旋轉密封裝置的設計就比較困難。要設計合理的液壓旋轉密封裝置，需要確定離合器軸的線速度，液壓油的工作壓力，液壓油的工作溫度才能合理選型。本離合器其轉速為1 500 r/m，直徑為30 mm，則有

離合器軸的線速度：

式中：n為離合器軸的轉速，d為離合器軸的直徑，根據對應參數有：

離合器軸的線速度是2.355m/s，屬于中高速。

液壓油的溫度在工作時，一般為40℃~65℃，屬于中溫。

液壓油的工作壓力為1.5 MPa，屬于高壓。

液壓離合器旋轉密封裝置的工作條件為中高速、中溫、高壓。這三個因素中線速度和壓力直接影響旋轉密封的性能。壓力越大，旋轉密封裝置的泄露的可能性越大。速度越快，對旋轉密封材料的選擇越要慎重。

高壓旋轉密封不能用非接觸式密封，應采用接觸式密封解決好高壓下的密封不泄漏。接觸式密封在中高速工況下常用金屬漲圈。如圖2所示。這種密封的原理是利用金屬漲圈在端蓋內表面上產生的單位壓力大于金屬漲圈在槽側表面上產生的單位壓力來進行密封。金屬漲圈兩側的介質壓差使其貼緊在軸槽的側表面上，構成阻礙液壓油泄漏的主密封摩擦面（即動密封面），而金屬漲圈與端蓋內表面緊密貼合，構成阻礙液壓油泄漏的次密封面（即靜密封面）[2]。如圖3所示。金屬漲圈選用鉻鉬合金鑄鐵材料，其內含有鉻、錳、鉬、硅等元素，因而，它的耐磨損性和耐高溫性都比較好。

圖2　液壓旋轉密封裝置

圖3　金屬漲圈工作示意圖

2　液壓離合器旋轉密封裝置的性能分析

據前所述，液壓離合器的旋轉密封裝置應按中高速、高壓的特點采用金屬漲圈，結構形式設計如圖2所示。其性能主要從耐泄漏性與耐磨損性兩個方面分析。

2.1耐泄漏性

金屬漲圈接觸式密封裝置的泄漏主要包括：

（1）主密封摩擦面上不連續的環狀間隙。

（2）次密封靜止面上不連續的環狀間隙。

（3）金屬漲圈切口間隙。

由于影響密封裝置泄漏的有上述的原因，還有液壓油的性能、工作壓力等等，所以泄漏量至今還沒有一個較為精確的計算方法[2]。在選定的密封結構形式下，只有通過試驗才能較為準確的測定靜態與動態下的泄漏量與壓力的變化關系。動態試驗按照離合器軸的轉速n=1 500 r/min和液壓油的溫度在常溫的工況下進行。液壓油工作壓力從0.4 MPa開始逐漸遞增0.2 MPa直至2 MPa.每階段液壓油工作壓力下進行5 min運轉，并記錄相對應的泄漏量。靜態試驗與動態試驗除離合器軸的轉速為零外，其它相同。對試驗數據分析后得到的結果如圖4所示，即動態與靜態泄漏量都隨工作壓力加大而增多，動態耐泄漏性優于靜態耐泄漏性。

圖4　泄漏量與工作壓力的關系圖

2.2耐磨損性

離合器軸與金屬漲圈具有相對運動的接觸摩擦面會產生磨損。這種磨損直接影響該密封的工作的可靠性及壽命。耐磨試驗按照離合器軸的轉速1 500 r/min、液壓油工作壓力1.5 MPa和液壓油的溫度在常溫的工況下進行。每工作4 h后，使用千分尺測量金屬漲圈磨損量，并記錄。經運轉一定時間后，金屬漲圈斷面的磨損量如圖5所示。

圖5　磨損量與時間的關系

通過磨損量試驗數據分析：

（1）金屬漲圈開始磨損量較小，磨損速度較緩慢（即耐磨損性好），經過一段時間的運轉后磨損速度較快（即耐磨損性差）。

（2）雖然金屬漲圈有磨損但是磨損量比較小。仍然有較厚的表面處理層，因此比較耐磨，使用時間較長，這種密封具有較好的使用壽命。

3　結束語

在坑道鉆機離合器的液壓旋轉密封采用這種金屬漲圈接觸式密封設計，經試驗考核和運行使用證

明其密封效果能滿足技術要求。這種密封技術的特點是結構簡單，適用要求高的場合。液壓油既可以冷卻，也可以潤滑金屬漲圈，進一步改善了其密封的工作性能。通過這次的設計和使用，使對這種密封技術有了進一步的掌握，同時也證明了這種密封技術可以運用在坑道鉆機離合器上。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊[M].第3卷.北京：化學工業出版社，2008.

[2]曹月德，吳寧興.金屬漲圈接觸式密封[J].流體工程，1985，（04）：23.

中圖分類號:TB42

文獻標識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0090-02

收稿日期：2016-01-08

作者簡介：沈璽（1981-），男，江蘇人，研究生，工程師，主要從事產品開發和設計研究；宋小青（1981-），女，江西人，研究生，工程師，主要從事產品工藝研究。

Tunnel Drilling Rig Hydraulic Clutch Rotating Seal Design

SHEN Xi1，SONG Xiao-qing2
（1.Zhejiang Hang Drilling Machinery Manufacturing Limited by Share Ltd，Hangzhou Zhejiang 3100002，China；Zhejiang Construction Machinery Group Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310000，China）

Abstract:This paper according to the tunnel drilling rig hydraulic clutch hydraulic rotating channel seal design requirements，to the use of the structure，sealing principle，performance evaluation，material selection were analyzed and discussed.

Key words:drilling rig；rotary seal；design