刮板輸送機鏈輪浮動油封的改進設計
2023-04-11劉鑫
（國家能源集團神東煤炭集團高端設備研發(fā)中心，陜西榆林 719315）
0 引言
浮動油封誕生于20世紀50年代后期，Z初用于取代推土機履帶行走機構上的橡膠油封，結構屬于動密封的一種，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)境下具有超強的密封性能，并具有耐磨、端面磨損后能自動補償?shù)葍?yōu)點；因其結構簡單、密封可靠和壽命較長等優(yōu)點，在煤礦機械中被廣泛應用，如刮板輸送機、轉載機等。
刮板輸送機是煤礦綜采設備的主要組成部分，鏈輪組件是刮板輸送機的重要組成部分，其能否安全可靠運行，直接關系到礦井生產。刮板輸送機在使用過程中，鏈輪組件出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，導致鏈輪組件失效，直接嚴重影響了礦井的正常生產。
1 問題
維修部門新裝配的刮板輸送機機頭鏈輪組件，在空載試機運行不到30min時，發(fā)現(xiàn)鏈輪冒煙漏油，經停機拆解后發(fā)現(xiàn)為浮動油封的紅棕色O形橡膠圈已經斷裂并掉下碎塊，經相關人員現(xiàn)場查看分析，系浮動油封漏油致使軸承處缺油，軸承在缺油工況下使用30min，局部高溫導致橡膠圈失效，O形圈材料為氟橡膠，浮動油封的規(guī)格為350-375-38。
2 浮動油封的密封與磨損機理
浮動油封一般是由一對浮動密封環(huán)（以下簡稱浮封環(huán)）、兩個橡膠圈、兩個浮封座等6部分組成的密封系統(tǒng)（圖1），共5處密封要求。浮封環(huán)是一個軸向呈馬鞍形，由鐵合金材料制成的浮動式的端面密封環(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)。浮動座是含有一個內錐面、起到托住橡膠圈與浮動環(huán)并使兩者在空間保持一定位置的座腔。浮封環(huán)需成對使用，一個隨旋轉件旋轉（動環(huán)），另一個相對靜止（定環(huán)），在動環(huán)與浮封座之間以及在定環(huán)與浮封座之間的錐面處，各裝入一個具有圓形斷面的橡膠圈，在裝配預緊力作用下橡膠圈在浮封座形成的密封腔內受軸向壓縮產生變形。產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，實現(xiàn)a處密封，Z終實現(xiàn)整個密封系統(tǒng)的5處密封要求（圖2）。
圖1 浮動油封結構
浮封環(huán)的密封接觸表面寬度為（0.2～0.3）mm，內部的錐形間隙有利于潤滑油進入密封面。潤滑油通過毛細作用、旋轉時的離心作用以及密封腔內溫升后內壓增大的作用進入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實現(xiàn)密封、潤滑及冷卻，同時還可避免兩浮封環(huán)接觸端面過度磨損發(fā)熱所引起的橡膠圈老化變形、失去彈性。當浮封環(huán)亮帶磨損時，橡膠圈的彈性還可起到一定的自動補償作用。
3 原因分析
圖2 浮動油封密封原理
針對此問題，成立了專門的問題原因分析小組，對此問題產生的可能原因進行了全面的剖析，具體原因查證分析過程與初步分析如下。
（1）檢測浮封座外唇口尺寸為Φ384.3mm。
（2）檢測浮動油封膠圈組合后尺寸為Φ385.5mm。
（3）在裝配過程中，因橡膠圈的硬度過高，O形圈裝配不到位，導致O形圈的位置不同，變形抗力增大，從而導致浮封環(huán)的端面比壓不一致，密封力也不同，而導致漏油。
（4）浮封環(huán)裝配后由于受到不平衡的力的作用，導致密封力的不平衡，造成浮封環(huán)的端面比壓產生畸變，而導致漏油。
（5）浮動油封在工作時，由于浮封環(huán)所受的軸向力過大，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)接觸的擠壓力過大，而O形圈的撕裂強度又過低，為此，導致浮封環(huán)將O形圈擠壞而使橡膠圈破裂，Z終導致密封漏油失效。
（6）浮動油封在裝配時，橡膠圈有被劃傷的可能性，在工作過程中會出現(xiàn)裂紋，從而使O形圈遭到損壞，導致密封力的顯著降低，密封系統(tǒng)便遭到破壞，Z終使浮動油封失效而漏油。
（7）從橡膠圈材料的撕裂強度來看，NBR的撕裂強度在（16～17）kN/m，若采用炭黑補強其強度可達到20kN/m；而FPM的撕裂強度僅為（12～13）kN/m。可見，F(xiàn)PM材料的撕裂強度比NBR材料要低，在同樣的工作負荷條件下，NBR材料的使用性能狀態(tài)要明顯的好于FPM材料。
4 相關試驗與分析驗證
4.1不同橡膠圈材料的動態(tài)性能試驗對比
為了驗證不同橡膠圈材料的亮帶磨損情況，在浮動油封的動態(tài)性能試驗機上，做了如下驗證試驗，試驗參數(shù)：轉速100r/min（線速度1.96m/s），試驗時間12h。
通過對比驗證試驗可以看出，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)亮帶磨損對比如圖3所示。
4.2不同橡膠圈材料的動態(tài)性能試驗對比
使用專業(yè)分析軟件（ANSYS15.0），對FPM65，F(xiàn)PM60與NBR60橡膠圈材料的FEA/CAE進行分析對比，O形橡膠圈的接觸應力變化云圖分析結果如圖4所示。通過CAE對橡膠圈的接觸應力應變分析，可以看出，F(xiàn)PM65橡膠圈材料的接觸應力應變明顯的大于NBR60材料的應力；FPM60橡膠圈材料的接觸應力應變稍微大于NBR60材料的應力，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致密封破壞。
圖3 3種橡膠圈的浮封環(huán)亮帶磨損對比
圖4 橡膠圈的接觸應力應變
5 基本結論
通過上述的試驗驗證與FEA/CAE分析，可以得出以下基本結論。
（1）浮動油封漏油的主要原因系由于浮動油封的橡膠圈的硬度過高，橡膠圈的壓縮比急劇增大，橡膠圈局部的接觸應力過大，致使浮封環(huán)在工作時受到過大的軸向力作用下，端面比壓也急劇增大，超出了標準范圍的要求，從而使密封亮帶受到損傷，Z終使橡膠圈與浮封環(huán)之間產生相對滑動，而O形橡膠圈的撕裂強度又過低而遭到損壞后，浮封環(huán)的密封力得不到及時的提供，致使密封體系嚴重失效，從而使浮封環(huán)的端面比壓過大且不穩(wěn)定所致。
（2）浮動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）機架系統(tǒng)的剛性不夠，造成浮動油封系統(tǒng)失效。
（4）浮封環(huán)工作時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，橡膠圈的變形抗力增大所導致。
可見，保證浮封環(huán)的端面比壓的穩(wěn)定可靠且符合標準要求是實現(xiàn)浮動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，易造成浮動密封的失效而影響設備的正常運轉。
6 糾正及預防措施
（1）適當調整浮動油封的端面比壓，使其端面比壓在相對合理的標準范圍內。
（2）嚴格控制浮動油封相配件的精度，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）嚴格對機架系統(tǒng)的剛性進行控制，以保證浮動油封的整個機構支撐系統(tǒng)的剛性。
（4）嚴格控制浮動油封橡膠圈的硬度變化，使各處均勻，變差不超過±SHOREA5硬度單位，使浮動油封受力均衡，以保證其端面比壓的穩(wěn)定可靠。
（5）適當降低橡膠圈的硬度或更換為NBR膠圈材料，以降低浮動油封的端面比壓，更換為綜合性能較好的NBR橡膠材料，避免性能的變化導致端面比壓變化，而導致密封失效，繼而影響密封的正常工作。
（6）提高橡膠圈材料的撕裂強度，使橡膠圈能夠承受較大的軸向力，保證在工作過程中不致因橡膠圈的撕裂而損壞，進而影響浮動油封的密封性能，Z終使浮動密封失效。
（7）對于精密支撐零部件如軸承等處的油位應定期關注，發(fā)現(xiàn)問題立即采取相關的補救措施進行糾正，以免因為潤滑不當產生不應有的損害。
（8）在裝配時需使用專門的裝配工裝，保證O形橡膠圈的裝配位置的準確性，從而保證浮動油封的端面比壓的穩(wěn)定性，以滿足浮動油封的正常工作條件。
7 結語
通過將浮動油封的橡膠圈材料由氟橡膠改進為丁晴橡膠，進一步改善橡膠圈的力學綜合性能，以降低浮動油封的端面比壓及改善橡膠圈的抗撕裂性能來滿足現(xiàn)場工況條件，并在安裝過程中嚴格按照規(guī)定步驟進行安裝和檢測，測試和運行過程中保證鏈輪的潤滑和冷卻，順利通過了空載8h的出廠檢測，并在后期安裝在刮板輸送機上正常運行。
通過對鏈輪浮動油封存在問題的認真分析并采取了相應的改進措施，從實際應用中可以看到，鏈輪漏油問題也得到了有效的控制，避免了由于浮動密封漏油導致設備損壞，提高了設備開機率，保證了設備的正常運行。
來源：《設備管理與維修》2019年18期