輪胎成型機旋轉密封技術研究

平律

(天津賽象機電工程有限公司，天津 300384)

隨著市場對輪胎的需求日益增長，輪胎成型機的市場競爭也是日趨激烈。成型機供應商“爭分奪秒”，力求減少單條輪胎的生產時間，提高設備的生產效率。高的生產效率意味著對設備零部件的使用壽命提出了更高的要求，輪胎成型車間設備維護人員的工作就顯得更加重要。成型車間一般會在1～1.5個月定期對設備進行維護與保養，包括復驗設備的精度、直線導軌和帶座軸承等運動部件加注潤滑油等，以確保設備以最佳的狀態生產。這其中成型鼓機箱旋轉密封的維護需要定期檢查旋轉密封軸承的工作狀態、O型靜密封、唇形密封圈的密封性能等。

1 結構分析

常見的結構設計中成型鼓主軸材質會選用合金結構鋼毛坯鍛造，再加上熱處理和表面處理，提高主軸表面的硬度和耐磨性。

以輪胎規格為195/60R15為例，冠包側、單胎體、單層冠帶、單條胎的生產時間為47 s,隨著設備單條輪胎生產時間的縮短，旋轉密封零件的散熱時間減少，會加劇唇形密封圈對于主軸的磨損。根據現場測試的結果，連續正常生產的情況下，旋轉密封分氣塊的溫度能達到94 ℃，唇形密封圈對于主軸的磨損是日積月累的。當生產達到2個月，唇形密封圈的磨損加劇導致密封失效，影響設備的正常生產。更換一套旋轉唇形密封圈需要2～3名維修人員花費4 h左右的時間，才能恢復設備滿足正常的使用需要。當測試進行到18個月時，此時旋轉密封唇形密封圈已經更換了6次。此時主軸表面硬化層磨損嚴重，磨損量在0.5 mm，新的唇形密封圈已經不能起到密封作用，只有更換主軸才能解決問題，這就極大的增加設備的維護成本和維修難度。

為了攻克旋轉密封使用壽命的問題，我們在結構、材料、熱處理、表面處理方式等方面做了大量試驗，主要是為了測試主軸、唇形密封圈的使用壽命、密封情況。測試一主軸使用合金結構鋼，毛坯鍛造粗加工后做調質處理，在與唇形密封圈接觸的外圓上做氮化處理，增加表面硬度和耐磨性。分氣塊使用45鋼，唇型密封圈使用L形圈。測試一設置了3路分氣塊，要求對每路分氣塊進行通氣保壓試驗，供入壓力為0.5 MPa的氣源，此時關閉氣源，仔細觀察壓力表數值變化，標準為1 min內掉壓不超過0.2 MPa，在保壓過程中需手動對密封進行旋轉，確保裝置在旋轉過程中不會出現氣體泄漏。

唇形密封圈材質為含油石墨，緊固相鄰分氣塊之間的連接螺釘需要使用扭力扳手，扭矩為10 N.m，過大的扭矩會導致唇型密封圈產生塑性變形，影響密封效果。測試的步驟為主軸正反轉交替進行，1 s轉動1圈，同時通入氣源壓力為0.3 MPa的氣體。每天測試時間8 h，在經歷了4萬次的旋轉周期后，主軸表面出現了深度為0.005 mm的溝槽，試驗結果不理想。思考在測試一中的測試步驟實際上與正常的生產流程有區別，正常的生產時每貼完一層料系統會有短暫的暫停時間，這是否會改善主軸的磨損情況？在測試一中，在分氣塊不通氣的情況下，由于唇型密封圈與主軸接觸產生的摩擦力，每一路分氣塊上的摩擦扭矩為17.96 N.m。當分氣塊中供入0.5 MPa的壓力后，因摩擦力產生的扭矩為34.96 N.m，3路分氣塊產生的扭矩為104.88 N.m。系統需要克服摩擦力產生的反向扭矩做功，摩擦會產生大量的熱。測試現場環境溫度為30 ℃，系統在連續運行4 h后，分氣塊外表面的溫度為87 ℃；系統在連續運行8 h后，分氣塊外表面的溫度為95 ℃。

有了第一次的測試經驗，測試二在旋轉密封的結構上做了一些改善。現有成型鼓機箱旋轉密封裝置十路分氣塊之間使用10個螺桿整體連接，連接完成后，再逐個測試分氣塊的靜密封性能。在實際安裝過程中，整體連接后很可能會出現個別分氣塊漏氣的問題，此時需要將10個分氣塊全部拆開再重新安裝密封圈，過程比較費時。新的旋轉密封結構每個分氣塊能夠單獨試氣、保壓，提高裝配、試氣成功率。新的旋轉密封結構，相鄰分氣塊單獨使用螺釘連接，當1號分氣塊和2號分氣塊連接完成后，可以測試1號分氣塊的靜密封性能；以此類推，每一組分氣塊試氣、保壓成功以后再進行下一組分氣塊的安裝，提高了旋轉密封一次裝配、試氣成功的概率。圖1為結構圖。

圖1 結構圖

此設計方案主軸2和內圈6之間采用O型密封圈5靜密封，內圈和分氣塊1之間使用L型密封圈4。相鄰分氣塊之間使用密封環隔開，密封環上有徑向排氣孔，避免分氣塊之間躥氣。相鄰分氣塊之間使用螺釘單獨連接，當1號分氣塊和2號分氣塊連接完成后，可以測試1號分氣塊的靜密封性能；以此類推，每一組分氣塊都是在試氣、保壓成功以后再進行下一組分氣塊的安裝。氣源從分氣塊通入，經過內圈，氣體進入主軸給成型鼓供氣。唇型密封圈的材質比較柔軟，這決定了安裝、拆卸旋轉密封需要更加仔細。在客戶現場更換唇型密封圈時由于沒有拆卸旋轉密封的工裝，往往需要重復裝配2～3次才能成功。有了現場多次更換唇形密封圈的經驗，設計出了一套拆卸用密封圈的工裝，首先需要將內圈內表面與主軸外表面涂抹機床導軌油；再將內圈緩慢勻速推進主軸。在上內圈之前，要檢查所有氣孔內外孔口是否光滑，如果有毛刺尖角，需要去除，保證內圈與O型圈接觸部位光滑，不會出現切圈現象。新型成型鼓機箱旋轉密封的結構，相鄰的分氣塊之間使用密封環隔開，隔片上有排氣孔，避免旋轉密封發生躥氣，提高了旋轉密封的穩定性；每一組分氣塊都是在試氣、保壓成功以后再進行下一組分氣塊的安裝，提高了旋轉密封一次裝配、試氣成功的概率,減少了后期維護的成本。圖2為局部視圖。

圖2 局部視圖

2 計算

與其它密封元件相比，O型密封圈結構簡單，整體式溝槽設計能夠降低加工和設計成本；結構緊湊，能夠用于更小的零件中；安裝簡便，降低了風險，可以應對各種密封問題，如靜態、動態、單作用或者雙作用工況；材料選擇范圍廣，適用于接大多數流體；存貨量大，規格齊全，便于維護和修理。

常用的O型密封圈材料有丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠。由于無法直接測量得到內圈表面的溫度，測量分氣塊外表面的溫度為95 ℃，考慮到設備連續生產，O型密封圈必須能夠承受高溫。O型密封圈使用氟橡膠材質，眾所周知，氟橡膠具有阻燃性，極低的透氣性以及極佳的耐臭氧性，耐風化性和耐老化性。氟橡膠的工作溫度范圍為-20～+200 ℃（短時間內可達+230 ℃），于是選用了能耐高溫的O型密封圈作為內圈與分氣塊之間的靜密封。此處O型密封圈為靜態工況，主O型圈內徑d1拉伸率在2%～8%。當O型密封圈被拉伸時，其橫截面積會減少并且會變平，并且當安裝在溝槽中時，橫截面不再會呈現圓形。橫截面減少的比例取決于內徑拉伸的比例S。橫截面減少的比例R主要受O形圈直徑拉伸的影響，O形圈直徑的拉伸比例在0～3%時，根據下面的公式計算：

橫截面減少的比例R主要受O形圈直徑拉伸的影響，O形圈直徑的拉伸比例在3%～25%時，根據下面的公式計算：

對于活塞應用，拉伸比例S是根據下面的公式計算：

d3=活塞應用中的溝槽內徑

對于活塞桿應用，拉伸比例S是根據下面的公式計算：

d5= 活塞桿直徑

例如：對于O形圈內徑被拉伸2%時，有效的橫截面減少比例可通過以下公式計算：R=0.01+1.06×2-0.1×22[%]

在某些短運行周期的應用中，O形圈能夠被用作密封軸上的旋轉密封件。同時，應注意以下幾點：為了能夠起到旋轉密封的功能，O形圈的安裝必須符合旋轉密封件的工作原理。旋轉密封工作原理是基于拉伸的彈性密封圈受熱會發生收縮（焦爾效應）。根據常規的設計標準，O形圈內徑d1將略小于軸徑，由于摩擦而產生的熱量將使密封圈產生更大的收縮，這樣會使旋轉軸上的壓力增大而無法形成潤滑油膜，導致摩擦力更大，結果就是磨損增加，密封圈提前失效。了解旋轉密封工作原理后，就可以阻止發生這種現象，旋轉密封圈的規格時，氣內徑應該比所需密封的軸徑約大2%～5%。當安裝在溝槽中時，密封圈徑向壓縮，并被溝槽壓向旋轉軸。因此，密封圈在溝槽中稍微呈現波紋狀，有助于潤滑。

內圈材質選用合金結構鋼，與唇形密封L形圈接觸的表面經過超精加工。常用的提高零件表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐氧化、防輻射性能和自潤滑型的方法有滲碳、滲氮、離子氮化、碳氮共滲、表面熔覆等。熱噴涂涂層面積小時經濟性差，對小零件進行噴涂或者所需涂層面積較小時，作為有用涂層結合在基體上的量占噴涂時消耗的噴涂材料的量較小，經濟性差。綜合考慮后內圈表面選擇了氮化處理。內圈氮化后，不再需要淬火便具有很高的表面硬度（約1 100～1 200 HV）及耐磨性，而且具有高的熱硬性，在550℃時，硬度仍有915～925 HV；在600 ℃時，硬度仍有 850～870 HV。

2.1 測試結果

測試二改變了測試一中的測試流程，每貼完1層物料時間間隔為2 s，系統的加、減速以及峰值速度均與現場正常生產時一致。測試二設置了10組分氣塊，測試流程完全按照正常的生產流程進行。在生產了5 000條輪胎后，我們拆下旋轉密封內圈，使用千分表測量內圈，內圈表面沒有出現磨損，旋轉密封結構在測試階段獲得了成功。我們將旋轉密封系統安裝到輪胎成型機上，持續跟蹤旋轉密封系統在輪胎廠生產的情況及系統的穩定性。

3 結束語

總體來看，目前我國制造業仍處在國際分工的中低端，大而不強等問題突出，推動制造業提質升級任務緊迫。推動制造業從中低端邁向中高端，技術創新不可或缺。“中國制造2025”對于我們行業從業者來說，既是機遇更是挑戰。不斷創新，行業才能充滿活力，進而推動輪胎成型機技術的不斷提高，促進經濟社會穩步向前發展。