一種新型HXD氣鎖軸密封件

摘 要：山東中煙工業公司青島卷煙廠制絲車間使用的煙絲高溫在線膨脹干燥系統簡稱HXD，干燥后的物料通過旋轉出料氣鎖分離后出料，煙絲中脫出的水份通過排氣管道排出。為了防止氣鎖軸與殼體鏈接處泄漏，在氣鎖軸和氣鎖殼體鏈接處用密封材料密封。一旦盤根密封泄露，由于進、出料氣鎖尺寸較大，檢修更換需要較多的人力和時間；氣鎖盤根損壞漏氣不僅使得煙絲隨旋風落料器吸走，造成煙絲浪費，而且對煙絲內在質量也有較大影響。文章從問題著手，詳細介紹了分析設計改進的全過程，在結構做出了較大的改進。采用新結構和新材料提高了HXD氣鎖軸密封件的使用壽命運。

關鍵詞：氣鎖軸密封件；機械密封結構原理；密封件材料及形式；可靠性

1 HXD進、出料氣鎖在使用過程中，主要存在的問題

（1）由于HXD氣鎖運行過程中有輕微震動，清洗過程中帶有煙油的臟水進入浸泡，使密封材料使用壽命較短，較難保證進、出料氣鎖性能完好；

（2）一旦盤根密封泄露，由于氣鎖尺寸較大，檢修更換需要較多的人力和時間；

（3）氣鎖盤根損壞漏氣不僅使得煙絲隨旋風落料器吸走，造成煙絲浪費，而且對煙絲內在質量也有較大影響。

2 密封組件結構原理分析

2.1 密封組件結構分析

從氣鎖盤根盒尺寸和結構來看，氣鎖盤根盒的底部由于長期使用、腐蝕、磨損等原因，使得其底部成一斜面。這樣在盤根緊固后，密封環的受力是單邊受力，對軸的表面接觸不是整個的密封環端面。盤根盒的底部是一個斜面；當擰緊盤根壓蓋，那么密封環與軸接觸的一邊受的壓蓋緊力明顯會比另一邊受的壓蓋緊力小，而且密封環的邊與軸不能完好的接觸，不能很好的對軸進行包裹。當軸轉動時密封環與軸的摩擦主要在劃紅線的位置，這樣只會加速對密封環和軸的磨損。

在密封環磨損的初期階段，由于與軸接觸的地方很窄，接觸的地方也是軸磨最容易摩損的地方，也可以說對軸的磨損主要也在這個階段。初期表現的是密封環處出現小的泄漏，當適當緊固盤根后，密封環處的初期感覺泄漏變小，但實際上當緊固盤根壓蓋后，是加速了軸與密封環的磨損。由于過渡的磨損泄漏也就會變大，最終就出現了緊固沒多長時間比原來泄漏還大的現象。

解決方法：將盤根盒底部加工成與安裝軸垂直的平面形式。

2.2 密封組件原理分析

通常一個完整的密封組件由被密封軸、盤根盒、盤根、盤根壓蓋、壓蓋緊固螺栓組成。

盤根對軸的壓緊力由擰緊壓蓋螺栓產生。由于盤根是彈塑性體，當受到軸向壓緊后產生摩擦力致使壓緊力沿軸向逐漸減小，同時所產生的徑向壓緊力使盤根緊貼軸的表面來阻止介質外漏。其外端向內端先是急劇遞減后趨向平緩，介質壓力由內向外逐漸遞減，當外端的介質壓力為零時，則沒有泄漏，當外端介質大于零時泄漏產生。

從上面的分析表明，盤根徑向壓緊力的分布與介質壓力分布剛好相反，內端介質壓力最大，應給予較大的密封力，而此時盤根的徑向壓緊力卻是最小，感覺壓緊力沒有很好的發揮作用。在實際的運用中，為獲得好的密封性能，往往增加盤根的壓緊力，但是摩擦力也就相應增大。這樣對設備軸與盤根就會產生異常的磨損情況，最終導致盤根處泄漏。

3 層數的確定

根據密封組件結構及原理分析的總結，并參考其應力分布綜合考慮，決定將密封環設計成由兩種材料組成，分三層的夾層式結構，以改變其徑向壓力分布。試想通過減少壓蓋的壓力從而減少密封環的徑向壓力，使得密封環磨損速度降低，延長密封環使用壽命。

外夾層加工制作時采取過盈配合，使得即使壓蓋的軸向壓力減少了，但由于其采用過盈配合，從而使得其徑向壓力依然比較大。

參數如表1所示。

結合HXD氣鎖實際檢測情況，發現壓力、溫度、線速度、PH值這三種材料基本上都能滿足設計的要求，所以從線脹系數、導熱系數、摩擦系數上進行了分析選擇。

（1）機械密封在回轉過程中端面產生的摩擦熱會使摩擦副環產生溫度差，從而使摩擦副環產生溫度變形，摩擦副環的變形角在一維傳熱的情況下為：

由于溫度變形會使端面磨損加劇，漏泄嚴重，因此在選擇材料應該注意到這一點。由以上計算結果可以看出摩擦副環的溫度變形角與摩擦副所用材料的線脹系數成正比，與導熱系數成反比，要減少溫度變形從材料上考慮就應盡量選擇線脹系數小、導熱系數大的材料做摩擦副環。

（2）摩擦副環的材料選擇除了從溫度變形上考慮應選擇導熱系數大的、線脹系數小的以外， 還由于對摩擦副環最常見的破壞形式之一熱裂進行分析發現，由于端面摩擦熱使摩擦副環端面產生的最大熱應力為：

由此可以看出，摩擦副環的最大熱應力與線脹系數成正比， 與導熱系數成反比，所以從防止摩擦副端面熱裂的角度出發也應該選擇導熱系數大的、線脹系數小的材料制造端面摩擦副環。

經過對三種材料的分析比以及結合以上兩公式的推導，最終選擇膨脹石墨作為內芯層材料，聚乙烯作為外夾層材料。

4 效果檢驗

使用新型HXD氣鎖軸密封件后，在4個月的跟蹤試用過程中，由氣鎖運行1996小時更換6次降至為設備運行1892小時無泄漏（0次），提高了設備的安全性和生產的連續性，達到了預期目標。并由于備件更換減少和節約原料而取得的經濟效益約為28萬元。

參考文獻

[1]機械密封[M].石油化學工業出版社，1976.

[2]中國科學蘭州化物所.固體抗磨材料[M].科學出版社，1973.

[3]沈錫華.機械密封摩擦副環熱應力計算[J].北京化工學院學報.