一種盤根-板簧浮動結構測試試驗研究

王繼光，李 倫，劉建平，馮 雁，尤 立

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3河南科技大學機電工程學院 河南洛陽 471003

用 于低階煤干燥或熱解的回轉窯由于回轉直徑大、溫度高，其旋轉密封的密封性要求較高[1-2]。筆者申請了一種復合式回轉窯密封裝置專利(專利號 2016 1 0291724.5)[3]，該密封裝置采用板簧壓緊盤根的浮動式密封結構，板簧壓緊盤根在密封面上周期性地上下浮動，浮動過程中盤根始終壓緊密封面。但根據密封結構尺寸自制的非標板簧的彈性模量未知，且板簧和盤根在密封裝置內的摩擦、變形等情況也未知，為了驗證該密封結構的合理性，筆者設計了盤根-板簧浮動密封系統關鍵技術參數的測定方法及裝置 (專利號 2016 1 0897070.0)[4]，通過試驗得出板簧的彈性模量和盤根-板簧的匹配參數。

筆者設計制作了 3種厚度的板簧 (10、8、6 mm)，分別測試其在變形量 0～20 mm狀態下的彈性模量，找出一組能使盤根發生壓縮變形，且與壓板形成浮動密封的壓力參數。

1 試驗裝置的設計

盤根下端支撐裝置如圖 1所示，試驗裝置如圖 2所示。支撐裝置主要由板簧、支撐板、盤根、支撐螺栓、調整螺母、支撐塊以及機架組成。盤根底部有壓力傳感器，頂部有垂直施壓的杠桿機構、壓板和頂部壓力傳感器，盤根前后兩側分別有 2個摩擦板 (摩擦板表面粗糙度為 3.2 μm)，后摩擦板固定在機架上，前摩擦板固定在沿水平導柱前后滑動的前側壓板上，通過橫向壓力傳感器對前側壓板施加力。

圖1 盤根下端支撐裝置示意

圖2 壓緊試驗裝置

試驗時，首先利用兩端的橫向加載螺母對盤根側面施加一定的壓緊力，確保盤根橫向有一定的預變形量，根據橫向壓緊力和摩擦系數算出盤根兩側面與摩擦板之間的摩擦力；然后通過頂部杠桿機構對壓板和盤根頂部施加垂直向下的壓力，進而推動盤根在兩摩擦板之間滑動而產生一定量的向下位移，壓縮板簧。在此過程中，頂部傳感器和底部傳感器分別測得頂部杠桿向下施加的壓力和底部板簧向上提供的支撐力。當杠桿壓力釋放時，板簧向上推動盤根復位到穩定位置，底部傳感器測得板簧對盤根的支撐力。

2 試驗儀器及設備

試驗所需儀器及設備如表 1所列。

表1 試驗儀器及設備

3 試驗結果

3.1 板簧壓縮試驗

測定板簧的彈性模量時，將盤根底部固定在支撐座和頂部壓板之間，用頂部杠桿機構加載垂直壓力，當加載穩定時測量板簧頂部到底部支撐板的距離，即板簧的變形量。3種板簧壓縮試驗結果如圖 3所示。

3種板簧的彈性變形量與所受的載荷基本上成線性關系，因此 3種板簧可視為完全的彈性材料。3條直線的斜率k不同，即 3種板簧的彈性系數k不同：k10=243.74 N/mm，k8=124.86 N/mm，k6=46.87 N/mm。這與實際工況相符。

圖3 3種板簧的彈性力與變形量的關系

3.2 盤根-板簧匹配參數試驗

試驗時，將板簧與支撐板水平放置在底部傳感器上，擰緊水平方向上的一對螺栓橫向壓緊盤根以限定其橫向變形，用頂部壓力傳感器和壓板壓緊盤根，并使盤根發生一定的垂直位移 (15 mm)，進而使板簧變形；松開頂部杠桿，盤根在板簧的向上彈力作用下上升，此時底部傳感器的壓力值就等于底部傳感器以上所有零件的質量加上摩擦力，記下頂部傳感器的正壓力值；在盤根下壓后被板簧的彈力頂回的過程中，記錄頂部傳感器正壓力值及盤根的橫向壓縮量。試驗結果如表 2所列。

表2 盤根-板簧參數試驗結果

4 結語

密封裝置設計時，可根據實際情況選擇不同厚度的板簧。由于不同板簧的彈性不同，不同正壓力時盤根與鋼板的摩擦力不同，因此 3種板簧與盤根組成的浮動密封系統參數也不同。摩擦力與板簧的彈性支撐形成 15 mm的位移，該位移就是盤根-板簧形成浮動密封時所采用的合理匹配參數。