子午胎成型機主軸密封系統研究與應用

馮鑫磊， 唐 躍

（1.青島科技大學，山東 青島，266061；2.朝陽職工工學院，遼寧 朝陽 122100）

0 引言

成型機主軸箱密封系統是子午線輪胎成型機的關鍵部件之一，直接影響到輪胎產品的質量以及成型機的使用壽命，生產工藝不但要求主軸的精度，重點還要考慮它的結構設計和密封情況，由此為減少泄漏和生產工藝中所產生胎里露線、簾線彎曲等病疵，本文主要探討它的結構設計和密封圈的選配。

1 研究概述

1.1 原結構設計

該成型機在使用過程中發現主軸箱的主軸內套及外套容易磨損。成型機主軸在旋轉時，尤其是和成型鼓一起旋轉時，成型機由于鼓單向伸出，即懸臂梁結構，主軸本身就會輕微彎曲，加之成型鼓自重將近1 噸，在工作過程中高速旋轉，產生的離心力就會很大，在這種工作狀態下，如果主軸內套內密封圈磨損，就會使主軸內套及外套進一步損壞，而且影響輪胎產品的質量，這樣就形成了一種惡性循環。面對生產中出現的這種問題，我們進行了現場測試，研究分析改進措施。

改造前成型機機頭旋轉密封采用骨架式旋轉密封圈， 規格尺寸為 G（160×180×12）mm， 16個密封圈分 4組安裝在4個密封環內， 由于密封圈帶有骨架，材質較硬，接觸面積大，摩擦力也較大，溫升快，旋轉軸溫度較高，密封環表面最低溫度為61℃，最高可達75℃，平均溫度為66℃，易造成密封圈老化，引起主軸磨損或拉傷，密封圈損壞較頻繁， 有時由于密封圈損壞造成各路壓縮空氣相互串通，設備不能正常運行。密封圈平均使用壽命為三個月。骨架式旋轉密封圈不但采購費用高，而且采購時間還長，導致機臺漏氣的旋轉密封圈不能及時的更換，造成壓力不穩定，甚至達不到工藝標準；而且長時間的漏氣，也增加了很多消耗。

具體的原因分析：①整個密封圈外環缺少支撐，造成旋轉密封受力不均，形成旋轉過程中的單面磨損，造成外圍零件的損壞，是壽命降低的主要原因；②旋轉密封本身的結構問題，導致在安裝過程中容易造成變形，是造成壽命降低的另一原因；③旋轉密封外環固定方式存在缺陷，會造成在旋轉過程中外環轉動，造成外圍零件的損壞。

1.2 新結構改進

（1）設計概述。①用價格較低（密封效果與旋轉骨架密封相同）的格萊圈來代替價格較高，采購周期長的旋轉骨架密封，來起到密封的作用；②旋轉內套采用高級氮化鋼38CrMoALA的材料，有高耐磨性，高疲勞強度和較高強度，滲氮后，表面硬度可達HV1000-1200，延長了更換周期；③外部氣環采用LY12 材料，強度高，塑性好，提高性能，還具有良好的導熱性，利于密封圈高度旋轉時散熱；④左右壓蓋兩端增加軸承，提高運行時的穩定性，圖1為組裝圖。

（2）結構設計。①旋轉內套與外環內壁的尺寸及公差尺寸的設計；②密封圈溝槽的尺寸設計。在進行溝槽設計時，要考慮彈性體O 形圈壓縮變形時體積不變的特點，留變形空間。為了減少摩擦，提高密封件的壽命，對與密封件的接觸的槽壁有粗糙度的要求。

（3）格萊圈的安裝。格萊圈在安裝前要對內套及外環進行檢查，倒角和去毛刺處理，應符合以下條件：①工作面不應有凸凹、毛刺、劃痕、缺損等質量缺陷；②工作表面組糙度Ra=0.8μm；③非工作表面組糙度Ra=1.6μm；密封圈在安裝前應檢查：密封件無裂紋、氣泡、老化、粘連、損傷等。表面應當光滑、清潔。格萊圈由于彈性較差，硬度較高，不易安裝。安裝時手工輕輕裝入，確保密封圈沒有扭曲。

圖1組裝圖

2 密封圈靜、動圈設計

圖2 密封圈截面圖

圖3 格萊圈裝配示意圖

格萊圈是由塑性密封圈與橡膠密封圈兩種材料構成的孔用組合密封。相對靜止的結合面之間的密封稱為靜密封，相對運動的結合面之間的密封稱為動密封。格萊圈用塑料作摩擦件，起動密封作用；用橡膠作彈性件，起靜密封作用。格萊圈廣泛用于航空、建筑、化工等各種機械的液壓、氣動密封裝置中。

格萊圈是由O 形橡膠密封圈和方形填充聚四氟乙烯（PTFE）密封滑環兩個組件組合而成。其結構見圖2，它是將填充聚四氟乙烯密封件與橡膠密封件不經粘接而采用機械組合的方法將它們安裝在密封腔體中起密封作用的，在使用時摩擦低、啟動小、無爬行并且耐高溫、耐高壓、耐介質，是一個雙向密封圈。在無壓力時，靠O 形橡膠密封圈的初始預壓縮變形和填充聚四氟乙烯滑環的過盈量起密封作用；在有壓力時，由于介質壓力的作用是O 形橡膠密封圈更加的貼緊滑環內壁和溝槽壁而起密封作用，屬于壓緊型密封，見圖3。使用一段時間后，將會出現摩擦磨損，這時靠彈性體O 形圈對滑環的徑向壓力而使滑環貼緊內套內壁實現密封，O 形圈這時起一個密封補償作用。也就是說，O形橡膠密封圈除了起靜密封作用以外，還起一個密封補償作用。

3 應用效果

改進后用價格較低的格萊圈代替旋轉骨架密封，起到了同樣的密封效果；而且更換周期也比之前的旋轉骨架密封三個月更換一次提高到了六個月更換一次。旋轉內套也從之前的半年更換一次提高到一年更換一次。不但在備件更換方面節省了費用，而且把更換備件節省下來的時間用于生產，提高了效益。

改進的方案效果：①為解決受力不均的問題，在整個安裝結構加以改進，通過減少旋轉外套的寬度，節省出空間加大支撐軸承座；②將旋轉密封改成8個外環通過4根螺桿穿銷與軸承支撐配合保證旋轉密封的同軸性，減少密封圈的單邊磨損。

4 應用創造的經濟效益

（1）初期投入及運行年投入：改造三臺成型機的費用進行計算：左壓蓋250×6=1500元；右壓蓋250×6=1500元；氣環 653×24=15672元，內套3800×3=11400元，O型圈2.5×27=67.5元，格萊圈（由之前的單價1500元/只降到 73 元/只）73×48=3504元， 軸承 80×6=480 元。計：34123.5元。運行年投入：格萊圈的更換周期平均六個月：73元×16只×2次×3臺=7008元，O型圈的更換周期平均一年：2.5×9只×3臺=67.5元。計：7075.5元；合計：34123.5+7075.5=41199元。

（2）年增加效益：先期骨架密封更換周期平均三個月，一年更換使用費用：1500元×16只×4次×3臺=288000元；內套一年使用費用：7948元×2次×3臺=47688元；氣環一年使用費用：2200×8只×2次×3臺=105600元；更換一次密封圈需要5小時，一年所節省的時間共計：300分鐘×9次×3臺=8100分鐘， 把節省下來的時間全部轉化為生產，按5分鐘做一條輪胎，每條輪胎按20元/條計算， 共計節省費用=（8100/5）×20元=32400元。 合計節省費用：288000+47688+105600+32400=473688元。

5 結束語

格萊圈因其摩擦低、啟動小、無爬行、耐高壓、耐溫、耐介質、性能穩定等許多優于普通單一純橡膠密封圈，因此格萊圈在設備中將會得到更加廣泛的應用。但改進后的格萊圈密封運行溫度降低將是我們繼續關注和持續改進的問題。

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