臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置設(shè)計(jì)

摘" 要：為避免混凝土攪拌機(jī)作業(yè)期間攪拌筒內(nèi)的混凝土泄漏至筒外，并探究混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用文獻(xiàn)法與案例分析的方式，簡(jiǎn)單分析臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的設(shè)計(jì)需求，并提出一種混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，依托材料的更新、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化。說(shuō)明通過(guò)設(shè)計(jì)并使用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置，提升密封保護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸端密封裝置有效使用年限的延長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：臥軸式混凝土攪拌機(jī)；軸端密封裝置；液壓油缸；密封圈；耐久性

中圖分類號(hào)：TH213.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）04-0119-04

Abstract： In order to prevent the concrete from leaking out of the mixing cylinder during the operation of the concrete mixer， and to explore the optimal design scheme of the sealing device at the shaft end of the concrete mixer. By using the method of literature and case analysis， this paper briefly analyzes the design requirements of the shaft end sealing device of the horizontal shaft concrete mixer， and puts forward an optimal design scheme of the shaft end sealing device of the concrete mixer. The results show that the shaft end sealing device of horizontal shaft concrete mixer is optimized by the renewal of materials， the optimization of compensation mechanism and the optimization design of sealing structure. It shows that through the design and use of the optimized shaft end sealing device of the horizontal shaft concrete mixer， the sealing protection effect is improved and the effective service life of the shaft end sealing device is extended.

Keywords： horizontal shaft concrete mixer; shaft end sealing device; hydraulic cylinder; sealing ring; durability

在臥軸式混凝土攪拌機(jī)的實(shí)際運(yùn)行作業(yè)期間，受到劇烈運(yùn)動(dòng)等多種因素的影響，攪拌筒內(nèi)的混凝土很可能會(huì)發(fā)生泄漏至筒外的情況，不僅不利于混凝土攪拌機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，也會(huì)使得實(shí)際的混凝土攪拌質(zhì)量下降。為避免這一問(wèn)題的發(fā)生，需要將軸端密封裝置加設(shè)在混凝土攪拌機(jī)軸中，結(jié)合對(duì)相應(yīng)裝置的持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臥軸式混凝土攪拌機(jī)安全、高效運(yùn)行狀態(tài)的有效維護(hù)。

1" 臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的設(shè)計(jì)需求分析

混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置主要承擔(dān)著避免存在于攪拌筒內(nèi)部的水泥砂漿通過(guò)攪拌機(jī)筒內(nèi)壁與攪拌軸之間所存在縫隙而泄漏至攪拌筒外部的任務(wù)，其性能直接影響著攪拌機(jī)軸構(gòu)件的使用年限，以及實(shí)際所生產(chǎn)的混凝土質(zhì)量[1]。基于此，需要盡可能保證軸端密封裝置可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

在本次對(duì)混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，需要重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸端密封裝置內(nèi)潤(rùn)滑油脂向拌合區(qū)泄露這一問(wèn)題的發(fā)生概率進(jìn)行有效控制與降低，保證更為適應(yīng)攪拌機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，延長(zhǎng)軸端密封裝置的現(xiàn)實(shí)使用壽命，提升安裝與維護(hù)工作的展開(kāi)便利程度。在此基礎(chǔ)上，還要保證相應(yīng)混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的外形尺寸合適，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)展開(kāi)過(guò)多、過(guò)大的改變，提升軸端密封裝置的適用性。

2" 臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的總體方案分析

選取某型號(hào)臥軸式混凝土攪拌機(jī)，針對(duì)其軸端密封裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該臥軸式混凝土攪拌機(jī)的規(guī)格尺寸為5 680 mm×2 250 mm×2 735 mm；生產(chǎn)率最大值為100 m3/h；電機(jī)功率為37 kW；攪拌軸轉(zhuǎn)速為25 r/min。本臥軸式混凝土攪拌機(jī)原有的軸端密封裝置在實(shí)際運(yùn)行期間，主要在油泵的支持下向軸端密封裝置打入潤(rùn)滑油脂；該油泵結(jié)構(gòu)保持間歇運(yùn)行的狀態(tài)，每運(yùn)行3 min會(huì)停止運(yùn)行30 min，每8 h所消耗的潤(rùn)滑油脂量保持在0.8～1 L的水平。

為滿足上述設(shè)計(jì)需求，在本次針對(duì)臥軸式混凝土攪拌機(jī)的軸端密封裝置展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要從材料、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)這幾方面入手進(jìn)行調(diào)整，選定兼具耐磨性、易加工且使用壽命更長(zhǎng)的復(fù)合材料；將原有的彈簧元件更換為液壓油缸，優(yōu)化補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；完善密封環(huán)的設(shè)計(jì)，并加設(shè)保護(hù)油腔、防凝固油腔結(jié)構(gòu)，提升密封保護(hù)效果。

3" 臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的具體設(shè)計(jì)與要點(diǎn)分析

3.1" 材料更新

為更好實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置性能的維護(hù)與提升，延長(zhǎng)關(guān)鍵構(gòu)件的使用壽命，主要將當(dāng)前常用的合金鋼材料變更為精細(xì)陶瓷材料。現(xiàn)階段，常規(guī)的攪拌機(jī)軸端密封關(guān)鍵構(gòu)件普遍使用了合金鋼材料，雖然韌性理想，且機(jī)加工性能好，但是壽命偏低、容易磨損。而對(duì)于精細(xì)陶瓷材料而言，其實(shí)際所具備的耐腐蝕性能、耐熱性能、耐磨性能更好，強(qiáng)度高且低密度，能夠?qū)辖痄摬牧系牟蛔氵M(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)。但是，由于精細(xì)陶瓷材料加工難度大、延性低且脆性高，所以并不適合單純使用精細(xì)陶瓷材料替換合金鋼材料，完成對(duì)混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置中關(guān)鍵構(gòu)件的制作。基于這樣的情況，在本次混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，主要應(yīng)用了基于精細(xì)陶瓷材料、合金鋼材料的復(fù)合材料，以此提升軸端密封耐久性。

在此過(guò)程中，主要將原有的合金鋼材質(zhì)的整體式構(gòu)件劃分為內(nèi)圈鋼套、錐面以及外圈這兩部分，投放不同的材質(zhì)[2]。其中，利用40Cr合金鋼制作內(nèi)圈鋼套；用ZTA精細(xì)陶瓷制作錐面以及外圈；利用高強(qiáng)度黏結(jié)劑對(duì)這兩部分實(shí)施連接處理。對(duì)于精細(xì)陶瓷環(huán)需要與基于橡膠、聚氯脂等材質(zhì)的密封圈之間實(shí)現(xiàn)接觸連接，所以必須要保證其尺寸精度更高，形位公差、粗糙度也要切實(shí)滿足相關(guān)要求，規(guī)避尖角、臺(tái)階、溝槽等結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)。

另外，在本次混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，還針對(duì)這種材料的更新操作進(jìn)行了可行性檢測(cè)，使用的方式為軸端密封耐久性檢測(cè)，具體方法見(jiàn)表1。所得到的結(jié)果表明，依托精細(xì)陶瓷材料、合金鋼材料的復(fù)合應(yīng)用，能夠保證在使用壽命范疇內(nèi)兩結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生脫落、損壞，極限黏結(jié)強(qiáng)度5.5 MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.36 MPa的標(biāo)準(zhǔn)值，可行性與可靠性理想。

3.2" 補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

在當(dāng)前的實(shí)踐中，對(duì)將彈簧作為補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置而言，更多選用圓柱形螺旋彈簧作為其中的彈簧元件[3]。金屬波紋管也是彈性元件的一種，相比于彈簧來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更為明顯見(jiàn)表2，能夠促使兩密封環(huán)接觸面的貼合性得到進(jìn)一步提升。但是，無(wú)論是彈簧還是金屬波紋管，二者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易安裝維護(hù)，但是均具備難以克服的缺陷，即無(wú)法精準(zhǔn)、穩(wěn)定提供彈性力，很容易導(dǎo)致泄露等問(wèn)題的發(fā)生，且相應(yīng)問(wèn)題也很難能夠得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理，從而會(huì)引發(fā)更為嚴(yán)重的損失。

基于這樣的情況，在本次混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，主要引入了一種設(shè)計(jì)可以精準(zhǔn)、穩(wěn)定提供推力的構(gòu)件作為補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，并保證在發(fā)生問(wèn)題后可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，為密封環(huán)持續(xù)提供推力支持。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要使用液壓油缸對(duì)彈簧、金屬波紋管這些傳統(tǒng)彈性元件進(jìn)行替代，將其設(shè)定為本混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。對(duì)于液壓油缸而言，其可以向密封環(huán)施加一個(gè)相對(duì)均勻的壓力。此時(shí)，需要投放單個(gè)液壓油缸，并保證混凝土攪拌機(jī)的軸線能夠與液壓油缸活塞的安裝軸線保持在同軸的水平。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，選定了中空型油缸作為在本次混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)中所使用的油缸類型，并應(yīng)用直接套在攪拌軸上的方式完成安裝處理。同時(shí)，由于密封環(huán)的磨損速度相對(duì)較慢，所以液壓油缸的運(yùn)行速度偏低。基于此，投放了以輸出力為主的液壓油缸。

液壓油缸中包含著的主要結(jié)構(gòu)有缸筒外壁、后端蓋、前缸活塞、缸筒內(nèi)壁、J形密封圈、支撐導(dǎo)向環(huán)、前端蓋、鍵槽和防轉(zhuǎn)螺釘?shù)取Ｆ渲校淄彩且簤河透椎闹匾Y(jié)構(gòu)，由于攪拌軸需要穿越中空液壓油缸，所以在進(jìn)行缸筒設(shè)計(jì)期間，要控制其內(nèi)壁內(nèi)徑保持在高于安裝區(qū)域攪拌軸直徑的狀態(tài)。取缸筒的內(nèi)壁內(nèi)徑為150 mm，外徑為180 mm，壁厚為15 mm。由于2個(gè)密封環(huán)要充分發(fā)揮出密封作用，所以要保證其內(nèi)外徑均高于所在攪拌軸的直徑，同時(shí)，因?yàn)樾枰谝簤河透椎幕钊霞釉O(shè)靜密封，所以設(shè)定缸筒的外壁外徑為300 mm、內(nèi)徑為280 mm、壁厚為10 mm。使用如下公式展開(kāi)對(duì)最大輸出推力條件下液壓油缸的工作壓力最大值，即

式中：需要提供的液壓力使用F進(jìn)行表示，單位為N，取值為5 300 N；缸筒外壁內(nèi)徑使用D進(jìn)行表示，單位為mm；缸筒內(nèi)部外徑使用d表示，單位為mm；液壓缸進(jìn)液腔壓力使用p進(jìn)行表示，單位為MPa。帶入已知數(shù)據(jù)，得到液壓缸進(jìn)液腔壓力為1.47 MPa。出于對(duì)運(yùn)行安全的考量，要求保證液壓缸進(jìn)液腔壓力低于缸筒最大允許工作壓力值，即

式中：缸筒外徑使用D1進(jìn)行表示，單位為m；缸筒內(nèi)徑D進(jìn)行表示，單位為m；缸筒材料的屈服強(qiáng)度使用σs進(jìn)行表示，單位為MPa，缸筒外壁取值為360 MPa、缸筒內(nèi)壁取值為250 MPa。帶入已知數(shù)據(jù)，缸筒內(nèi)壁最大允許工作壓力為38.5 MPa，缸筒外壁最大允許工作壓力為16.24 MPa，高于液壓油缸的工作壓力最大值1.47 MPa，表明相應(yīng)缸筒設(shè)計(jì)方案滿足實(shí)際使用要求。

結(jié)合缸筒外部與液壓油缸中的活塞，形成導(dǎo)向作用。基于此，為確保液壓油缸的性能滿足臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行與使用需要，就必須對(duì)缸筒外壁落實(shí)高精度設(shè)計(jì)與制作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度安裝。出于對(duì)加工工藝、成本等因素的綜合性考量，選取內(nèi)孔經(jīng)過(guò)珩磨或是精加工的無(wú)縫鋼管作為油缸外壁，選定20號(hào)鋼為主要材料；在硬連接的支持下，連接油缸外壁與后端蓋，同時(shí)使用焊接的方式，促使油缸外壁可以與后端蓋相固定，以此提升連接位置的密封性與可靠性，也獲取更加理想的油缸外壁安裝精度。

對(duì)于缸筒內(nèi)壁而言，其并不需要與液壓油缸內(nèi)的活塞落實(shí)搭配使用，在臥軸式混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置實(shí)際運(yùn)行期間所承擔(dān)著的任務(wù)為避免液壓油缸內(nèi)部的液壓油發(fā)生泄漏問(wèn)題，因此，其對(duì)于設(shè)計(jì)、加工與安裝的精度要求并不高。選定45號(hào)鋼為缸筒內(nèi)壁主要材料，在法蘭與螺栓的支持下，促使該結(jié)構(gòu)與后端蓋實(shí)現(xiàn)連接。為進(jìn)一步提升連接位置的密封性，主要將O型圈投放在了后端蓋上，確保相應(yīng)位置所發(fā)揮出的密封效果滿足現(xiàn)實(shí)使用要求。

液壓油缸的端蓋可以細(xì)分為兩部分，即前端蓋以及后端蓋。其中，前端蓋承擔(dān)著封閉液壓油缸的任務(wù)，避免外部污染物隨著開(kāi)口區(qū)域進(jìn)入液壓油缸內(nèi)部，也為活塞運(yùn)動(dòng)起到導(dǎo)向作用。由于前端蓋結(jié)構(gòu)不需要封閉液壓油，所以將其與缸筒外壁進(jìn)行連接處理時(shí)，選用了螺紋連接的方式；將O型環(huán)加設(shè)在開(kāi)槽位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油缸的密閉處理；將支撐導(dǎo)向環(huán)加設(shè)在開(kāi)槽位置，發(fā)揮出活塞導(dǎo)向作用。后端蓋需要配合缸筒的內(nèi)壁與外壁共同發(fā)揮出密封作用，因此在設(shè)計(jì)期間要重點(diǎn)落實(shí)對(duì)其安裝精度的把控，同時(shí)，也要將其與混凝土攪拌機(jī)的筒壁側(cè)板實(shí)施連接處理。基于這樣的情況，將凹凸臺(tái)設(shè)置在了后端蓋結(jié)構(gòu)上，分別與缸筒的內(nèi)壁與內(nèi)壁相配合，確保安裝精度滿足預(yù)期與相關(guān)要求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)后端蓋的外徑進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募哟筇幚恚源丝梢员ＷC更好地使用螺栓連接的方式，完成后端蓋與混凝土攪拌機(jī)筒壁的連接安裝。

3.3" 密封結(jié)構(gòu)

3.3.1" 密封環(huán)

在密封環(huán)設(shè)計(jì)期間，主要參考前期對(duì)于材料更新的探究與試驗(yàn)結(jié)果，完成對(duì)動(dòng)密封環(huán)及靜密封環(huán)這兩部分材料的確定[4]。為方便后續(xù)的更換與維護(hù)，主要將動(dòng)密封環(huán)設(shè)定為軟環(huán)，其磨損速度較快，需要頻繁更換；將靜密封環(huán)設(shè)定為硬環(huán)。其中，針對(duì)硬密封環(huán)部分，主要投放了基于精細(xì)陶瓷材料、合金鋼材料的復(fù)合材料作為主要制作材料，耐磨性與彈性模量均保持在理想水平；針對(duì)軟密封環(huán)部分，投放了GCr15軸承鋼作為主要制作材料。

計(jì)算混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的端面寬度期間，可以使用的計(jì)算公式為

式中：密封端面的寬度使用bf進(jìn)行表示，單位為mm；軸徑使用d進(jìn)行表示，單位為mm。在本研究中更新設(shè)計(jì)的混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置中，軸徑為218 mm，以此可以計(jì)算出密封端面的寬度為7.3 mm。出于對(duì)安裝與加工等方面問(wèn)題的綜合考量，在本次混凝土攪拌機(jī)軸端密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，設(shè)定了18.5 mm為硬質(zhì)密封環(huán)的寬度，內(nèi)徑控制在219 mm，外徑控制在255 mm，厚度控制在15 mm。同時(shí)，為防止硬質(zhì)密封環(huán)嵌入軟質(zhì)密封環(huán)內(nèi)，需要設(shè)定兩環(huán)之間存在著一定的差值，要求控制硬質(zhì)密封環(huán)的接觸斷面寬度高于軟質(zhì)密封環(huán)的接觸斷面寬度。通常情況下，針對(duì)軸徑保持在15～200 mm的密封環(huán)，需要將硬質(zhì)密封環(huán)與軟質(zhì)密封環(huán)這二者之間的寬度差保持在1～4 mm的水平。在本次設(shè)計(jì)中，出于對(duì)裝配簡(jiǎn)單程度的考量，選定了3.5 mm為二者的寬度差；設(shè)定兩邊的寬度差分別保持在1.5～2 mm的水平。最終，確定出軟質(zhì)密封環(huán)的內(nèi)徑為221 mm、外徑為251 mm、厚度為26.5 mm。

3.3.2" 輔助密封結(jié)構(gòu)

第一，保護(hù)油腔。攪拌機(jī)筒壁側(cè)板上固定的黃膠密封圈、液壓油缸前端蓋及2個(gè)密封環(huán)、在液壓油缸端蓋上設(shè)置的缸筒，共同組成保護(hù)油腔，結(jié)合極壓鋰基潤(rùn)滑脂的引入，避免混凝土直接沖擊影響兩密封環(huán)之間的接觸縫隙[5]。為促使黃膠密封圈的實(shí)際使用年限有所延長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌軸磨損的有效預(yù)防，會(huì)將寬度為1 mm的縫隙設(shè)在攪拌軸與黃膠密封圈之間，而在攪拌機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間，受到混凝土劇烈運(yùn)動(dòng)等多種因素的影響，混凝土可能會(huì)從通過(guò)該縫隙進(jìn)入保護(hù)油腔內(nèi)部，避免保護(hù)油腔內(nèi)的潤(rùn)滑脂向攪拌機(jī)的拌合區(qū)內(nèi)泄漏。此時(shí)，只需要定期對(duì)保護(hù)油腔內(nèi)的潤(rùn)滑油脂實(shí)施更換處理，就能夠促使保護(hù)油腔長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

第二，防凝固油腔。將油腔加設(shè)在2個(gè)密封環(huán)的內(nèi)側(cè)，避免從主密封位置泄漏的混凝土轉(zhuǎn)入凝固狀態(tài)。在油腔的支持下，從主密封位置泄漏的混凝土?xí)c潤(rùn)滑油實(shí)現(xiàn)混合，使得相應(yīng)混凝土的凝結(jié)性明顯下降，防止泄漏混凝土凝固。在此過(guò)程中，將端蓋設(shè)置在液壓油腔的底部位置，配套引入J型密封圈，以此在液壓油缸內(nèi)部與攪拌軸之間完成密封區(qū)域的構(gòu)建，這一密封區(qū)域就是防凝固油腔。

4" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，完善設(shè)計(jì)臥軸式混凝土攪拌機(jī)的軸端密封裝置期間，主要從材料、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)這幾方面入手，選定兼具耐磨性、易加工且使用壽命更長(zhǎng)的復(fù)合材料，即基于精細(xì)陶瓷材料、合金鋼材料的復(fù)合材料，延長(zhǎng)軸端密封裝置使用年限；將原有的彈簧元件更換為液壓油缸，優(yōu)化補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；完善密封環(huán)的設(shè)計(jì)，并加設(shè)保護(hù)油腔、防凝固油腔結(jié)構(gòu)，提升密封保護(hù)效果。

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