刮板輸送機(jī)鏈輪浮動(dòng)油封的改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉 鑫

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)高端設(shè)備研發(fā)中心，陜西榆林 719315）

0 引言

浮動(dòng)油封誕生于20 世紀(jì)50 年代后期，最初用于取代推土機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)上的橡膠油封，結(jié)構(gòu)屬于動(dòng)密封的一種，是一種緊湊型的金屬端面密封，主要用于低速重載場(chǎng)合，在煤塵大、泥沙多、水氣多等惡劣的工作環(huán)境下具有超強(qiáng)的密封性能，并具有耐磨、端面磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)；因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠和壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦機(jī)械中被廣泛應(yīng)用，如刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等。

刮板輸送機(jī)是煤礦綜采設(shè)備的主要組成部分，鏈輪組件是刮板輸送機(jī)的重要組成部分，其能否安全可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到礦井生產(chǎn)。刮板輸送機(jī)在使用過(guò)程中，鏈輪組件出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致鏈輪組件失效，直接嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)。

1 問(wèn)題

維修部門新裝配的刮板輸送機(jī)機(jī)頭鏈輪組件，在空載試機(jī)運(yùn)行不到30 min 時(shí)，發(fā)現(xiàn)鏈輪冒煙漏油，經(jīng)停機(jī)拆解后發(fā)現(xiàn)為浮動(dòng)油封的紅棕色O 形橡膠圈已經(jīng)斷裂并掉下碎塊，經(jīng)相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)查看分析，系浮動(dòng)油封漏油致使軸承處缺油，軸承在缺油工況下使用30 min，局部高溫導(dǎo)致橡膠圈失效，O 形圈材料為氟橡膠，浮動(dòng)油封的規(guī)格為350-375-38。

2 浮動(dòng)油封的密封與磨損機(jī)理

浮動(dòng)油封一般是由一對(duì)浮動(dòng)密封環(huán)（以下簡(jiǎn)稱浮封環(huán)）、兩個(gè)橡膠圈、兩個(gè)浮封座等6 部分組成的密封系統(tǒng)（圖1），共5 處密封要求。浮封環(huán)是一個(gè)軸向呈馬鞍形，由鐵合金材料制成的浮動(dòng)式的端面密封環(huán)。橡膠圈是一軸向截面為圓形而截面直徑較粗的橡膠環(huán)。浮動(dòng)座是含有一個(gè)內(nèi)錐面、起到托住橡膠圈與浮動(dòng)環(huán)并使兩者在空間保持一定位置的座腔。浮封環(huán)需成對(duì)使用，一個(gè)隨旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)（動(dòng)環(huán)），另一個(gè)相對(duì)靜止（定環(huán)），在動(dòng)環(huán)與浮封座之間以及在定環(huán)與浮封座之間的錐面處，各裝入一個(gè)具有圓形斷面的橡膠圈，在裝配預(yù)緊力作用下橡膠圈在浮封座形成的密封腔內(nèi)受軸向壓縮產(chǎn)生變形。產(chǎn)生垂直于浮封座錐面的彈力Fb和垂直浮封環(huán)錐面的彈力Fc，彈力Fc分解為軸向分力Fca和徑向分力Fcr。彈力Fb是橡膠圈與浮封座錐面緊密接觸實(shí)現(xiàn)b 處密封，彈力Fc是橡膠圈與浮封環(huán)錐面緊密接觸實(shí)現(xiàn)c處密封，軸向分力Fca使兩浮封環(huán)密封面緊密接觸，實(shí)現(xiàn)a 處密封，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)密封系統(tǒng)的5 處密封要求（圖2）。

圖1 浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)

浮封環(huán)的密封接觸表面寬度為（0.2～0.3）mm，內(nèi)部的錐形間隙有利于潤(rùn)滑油進(jìn)入密封面。潤(rùn)滑油通過(guò)毛細(xì)作用、旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心作用以及密封腔內(nèi)溫升后內(nèi)壓增大的作用進(jìn)入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實(shí)現(xiàn)密封、潤(rùn)滑及冷卻，同時(shí)還可避免兩浮封環(huán)接觸端面過(guò)度磨損發(fā)熱所引起的橡膠圈老化變形、失去彈性。當(dāng)浮封環(huán)亮帶磨損時(shí)，橡膠圈的彈性還可起到一定的自動(dòng)補(bǔ)償作用。

3 原因分析

圖2 浮動(dòng)油封密封原理

針對(duì)此問(wèn)題，成立了專門的問(wèn)題原因分析小組，對(duì)此問(wèn)題產(chǎn)生的可能原因進(jìn)行了全面的剖析，具體原因查證分析過(guò)程與初步分析如下。

（1）檢測(cè)浮封座外唇口尺寸為Φ384.3 mm。

（2）檢測(cè)浮動(dòng)油封膠圈組合后尺寸為Φ385.5 mm。

（3）在裝配過(guò)程中，因橡膠圈的硬度過(guò)高，O 形圈裝配不到位，導(dǎo)致O 形圈的位置不同，變形抗力增大，從而導(dǎo)致浮封環(huán)的端面比壓不一致，密封力也不同，而導(dǎo)致漏油。

（4）浮封環(huán)裝配后由于受到不平衡的力的作用，導(dǎo)致密封力的不平衡，造成浮封環(huán)的端面比壓產(chǎn)生畸變，而導(dǎo)致漏油。

（5）浮動(dòng)油封在工作時(shí)，由于浮封環(huán)所受的軸向力過(guò)大，使浮封環(huán)的端面比壓增大，致使浮封環(huán)的密封亮帶損壞，O 形圈與浮封環(huán)接觸的擠壓力過(guò)大，而O 形圈的撕裂強(qiáng)度又過(guò)低，為此，導(dǎo)致浮封環(huán)將O 形圈擠壞而使橡膠圈破裂，最終導(dǎo)致密封漏油失效。

（6）浮動(dòng)油封在裝配時(shí)，橡膠圈有被劃傷的可能性，在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂紋，從而使O 形圈遭到損壞，導(dǎo)致密封力的顯著降低，密封系統(tǒng)便遭到破壞，最終使浮動(dòng)油封失效而漏油。

（7）從橡膠圈材料的撕裂強(qiáng)度來(lái)看，NBR 的撕裂強(qiáng)度在（16～17）kN/m，若采用炭黑補(bǔ)強(qiáng)其強(qiáng)度可達(dá)到20 kN/m；而FPM 的撕裂強(qiáng)度僅為（12～13）kN/m?？梢?jiàn)，F(xiàn)PM 材料的撕裂強(qiáng)度比NBR材料要低，在同樣的工作負(fù)荷條件下，NBR 材料的使用性能狀態(tài)要明顯的好于FPM 材料。

4 相關(guān)試驗(yàn)與分析驗(yàn)證

4.1 不同橡膠圈材料的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證不同橡膠圈材料的亮帶磨損情況，在浮動(dòng)油封的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)機(jī)上，做了如下驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速100 r/min（線速度1.96 m/s），試驗(yàn)時(shí)間12 h。

通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)可以看出，在同樣的工作條件下，F(xiàn)PM65材料的浮封環(huán)的亮帶有磨損痕跡，F(xiàn)PM60 材料的浮封環(huán)亮帶有很輕微的磨損痕跡，NBR60 膠圈材料的浮封環(huán)亮帶基本看不出任何磨損，3 種橡膠圈的浮封環(huán)亮帶磨損對(duì)比如圖3 所示。

4.2 不同橡膠圈材料的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)對(duì)比

使用專業(yè)分析軟件（ANSYS15.0），對(duì)FPM65，F(xiàn)PM60與NBR60 橡膠圈材料的FEA/CAE 進(jìn)行分析對(duì)比，O形橡膠圈的接觸應(yīng)力變化云圖分析結(jié)果如圖4 所示。通過(guò)CAE 對(duì)橡膠圈的接觸應(yīng)力應(yīng)變分析，可以看出，F(xiàn)PM65 橡膠圈材料的接觸應(yīng)力應(yīng)變明顯的大于NBR60材料的應(yīng)力；FPM60 橡膠圈材料的接觸應(yīng)力應(yīng)變稍微大于NBR60 材料的應(yīng)力，因此，在同樣的工況條件下，硬度高的FPM 橡膠圈材料的橡膠圈易造成破壞，易造成密封體系失效而導(dǎo)致密封破壞。

圖3 3 種橡膠圈的浮封環(huán)亮帶磨損對(duì)比

圖4 橡膠圈的接觸應(yīng)力應(yīng)變

5 基本結(jié)論

通過(guò)上述的試驗(yàn)驗(yàn)證與FEA/CAE 分析，可以得出以下基本結(jié)論。

（1）浮動(dòng)油封漏油的主要原因系由于浮動(dòng)油封的橡膠圈的硬度過(guò)高，橡膠圈的壓縮比急劇增大，橡膠圈局部的接觸應(yīng)力過(guò)大，致使浮封環(huán)在工作時(shí)受到過(guò)大的軸向力作用下，端面比壓也急劇增大，超出了標(biāo)準(zhǔn)范圍的要求，從而使密封亮帶受到損傷，最終使橡膠圈與浮封環(huán)之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而O 形橡膠圈的撕裂強(qiáng)度又過(guò)低而遭到損壞后，浮封環(huán)的密封力得不到及時(shí)的提供，致使密封體系嚴(yán)重失效，從而使浮封環(huán)的端面比壓過(guò)大且不穩(wěn)定所致。

（2）浮動(dòng)油封相配件的精度可能存在誤差，如箱體，軸承及軸的加工精度等。

（3）機(jī)架系統(tǒng)的剛性不夠，造成浮動(dòng)油封系統(tǒng)失效。

（4）浮封環(huán)工作時(shí)端面比壓的急劇增大，系由于各種可能原因的變差，致使工作時(shí)，橡膠圈的變形抗力增大所導(dǎo)致。

可見(jiàn)，保證浮封環(huán)的端面比壓的穩(wěn)定可靠且符合標(biāo)準(zhǔn)要求是實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)油封密封的先決必要條件，此條件必須要保證到位且滿足，否則，易造成浮動(dòng)密封的失效而影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 糾正及預(yù)防措施

（1）適當(dāng)調(diào)整浮動(dòng)油封的端面比壓，使其端面比壓在相對(duì)合理的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

（2）嚴(yán)格控制浮動(dòng)油封相配件的精度，如軸承及軸的加工精度、密封座加工精度、粗糙度和同軸度等。

（3）嚴(yán)格對(duì)機(jī)架系統(tǒng)的剛性進(jìn)行控制，以保證浮動(dòng)油封的整個(gè)機(jī)構(gòu)支撐系統(tǒng)的剛性。

（4）嚴(yán)格控制浮動(dòng)油封橡膠圈的硬度變化，使各處均勻，變差不超過(guò)±SHOREA 5 硬度單位，使浮動(dòng)油封受力均衡，以保證其端面比壓的穩(wěn)定可靠。

（5）適當(dāng)降低橡膠圈的硬度或更換為NBR 膠圈材料，以降低浮動(dòng)油封的端面比壓，更換為綜合性能較好的NBR 橡膠材料，避免性能的變化導(dǎo)致端面比壓變化，而導(dǎo)致密封失效，繼而影響密封的正常工作。

（6）提高橡膠圈材料的撕裂強(qiáng)度，使橡膠圈能夠承受較大的軸向力，保證在工作過(guò)程中不致因橡膠圈的撕裂而損壞，進(jìn)而影響浮動(dòng)油封的密封性能，最終使浮動(dòng)密封失效。

（7）對(duì)于精密支撐零部件如軸承等處的油位應(yīng)定期關(guān)注，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即采取相關(guān)的補(bǔ)救措施進(jìn)行糾正，以免因?yàn)闈?rùn)滑不當(dāng)產(chǎn)生不應(yīng)有的損害。

（8）在裝配時(shí)需使用專門的裝配工裝，保證O 形橡膠圈的裝配位置的準(zhǔn)確性，從而保證浮動(dòng)油封的端面比壓的穩(wěn)定性，以滿足浮動(dòng)油封的正常工作條件。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將浮動(dòng)油封的橡膠圈材料由氟橡膠改進(jìn)為丁晴橡膠，進(jìn)一步改善橡膠圈的力學(xué)綜合性能，以降低浮動(dòng)油封的端面比壓及改善橡膠圈的抗撕裂性能來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)工況條件，并在安裝過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)定步驟進(jìn)行安裝和檢測(cè)，測(cè)試和運(yùn)行過(guò)程中保證鏈輪的潤(rùn)滑和冷卻，順利通過(guò)了空載8 h 的出廠檢測(cè)，并在后期安裝在刮板輸送機(jī)上正常運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)鏈輪浮動(dòng)油封存在問(wèn)題的認(rèn)真分析并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，從實(shí)際應(yīng)用中可以看到，鏈輪漏油問(wèn)題也得到了有效的控制，避免了由于浮動(dòng)密封漏油導(dǎo)致設(shè)備損壞，提高了設(shè)備開(kāi)機(jī)率，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。