非接觸密封在濾棒氣力輸送機(jī)中的應(yīng)用

徐振武　王湘玲　吳先士

濾棒氣力輸送機(jī)是一種用于香煙過濾嘴棒自動(dòng)輸送的煙草工業(yè)專用設(shè)備。它利用帶有沿圓周均勻分布的縱向容納槽的發(fā)射輪，將上游存儲(chǔ)庫分配的過濾嘴棒逐支取出，并利用清潔壓縮空氣通過密封的金屬輸送管道，高速、自動(dòng)、長距離地輸送到下游過濾嘴接裝設(shè)備上的濾棒接收裝置。其核心部件發(fā)射輪與密封弧塊之間的密封，是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。

一、結(jié)構(gòu)及工作原理概述(見圖1)：

如圖1所示，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的發(fā)射輪正下方有與之配合的密封弧塊，密封弧塊可以上下運(yùn)動(dòng)，處于工作狀態(tài)時(shí)上升至最上位置，其內(nèi)弧面與發(fā)射輪外圓柱面配合，使容納槽封閉形成密封腔。密封弧塊底部有一個(gè)呈長腰圓形的配氣口，發(fā)射輪上每一個(gè)容納槽的端面都有一個(gè)壓縮空氣噴嘴，并且該噴嘴有一個(gè)較窄的配氣槽與發(fā)射輪外圓柱面連通。過濾嘴棒堆積在發(fā)射輪的上半部分，在重力、摩擦力和容納槽之間葉片的綜合作用下，過濾嘴棒能夠順利的落入容納槽中。發(fā)射輪左上方有一個(gè)同樣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的剃料輥，并且其粗糙的圓柱表面線速度高于發(fā)射輪表面線速度V₀，其作用是保證每一個(gè)容納槽中最多只能落入一支過濾嘴棒。發(fā)射輪后端面下方正中央，有一個(gè)近似方形的輸出口與密封的金屬管道相連接。當(dāng)發(fā)射輪旋轉(zhuǎn)至配氣槽與密封弧塊底部的配氣口重疊時(shí)，壓縮空氣立即從噴嘴中噴出，容納槽中的過濾嘴棒在壓縮空氣的推動(dòng)下，通過方形輸出口進(jìn)入輸送管道，直至到達(dá)下游的濾棒接收裝置。

傳統(tǒng)的濾棒氣力輸送機(jī)采用接觸式密封方式，如圖1中發(fā)射輪與密封弧塊之間的配合間隙δ=0，由于運(yùn)動(dòng)的發(fā)射輪與靜止的密封弧塊之間存在干摩擦，也就必然存在零件的磨耗問題。為延長使用壽命，降低運(yùn)行阻力，通常的做法是發(fā)射輪采用耐磨的淬硬鋼制造，而密封弧塊采用低摩擦系數(shù)的高分子材料，以犧牲密封弧塊的方式換取發(fā)射輪的較長工作壽命。過濾嘴棒在壓縮空氣的推動(dòng)下高速射出時(shí)，也會(huì)造成密封弧塊表面的局部磨損形成溝槽。一般條件下，密封弧塊使用半年或者更短的時(shí)間就需要更換，造成設(shè)備的使用和維護(hù)成本偏高。另外，即使采用低摩擦系數(shù)的高分子材料來制造密封弧塊，作用在密封弧塊上的夾緊力也不能過大，否則會(huì)增大摩擦阻力，加劇磨損，這就需要在夾緊力的大小上作出讓步。由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)作用在密封弧塊上的壓縮空氣壓力存在脈動(dòng)，實(shí)際情況是密封弧塊也會(huì)跟隨壓縮空氣的脈動(dòng)而上下振動(dòng)，這一振動(dòng)有損設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，阻礙設(shè)備工作效率的提高。本文所述的新型結(jié)構(gòu)，將采用非接觸密封方式來解決密封和零件磨耗等一系列問題。

二、非接觸密封原理(見圖1、圖2)：

對(duì)于濾棒氣力輸送機(jī)來說，非接觸密封就是要消除存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的發(fā)射輪與密封弧塊之間因接觸而產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦，從而達(dá)到從根本上解決密封弧塊磨損問題的目的。如圖1中，當(dāng)間隙δ＞0，壓縮空氣泄漏量q_r足夠小且能夠滿足工程要求時(shí)，就可以視為非接觸密封。將發(fā)射輪與密封弧塊之間的厚度為δ的圓弧空間區(qū)域展開；即可將問題簡化為圖2所示的平面縫隙流動(dòng)模型。圖2中，Y軸上方的陰影區(qū)域表示以線速度V₀運(yùn)動(dòng)的發(fā)射輪外圓柱表面，壓力P₁=P，P₂=0，壓差P=P₁-P₂=P，V_y表示壓縮空氣泄漏時(shí)的流動(dòng)方向。由于發(fā)射輪和密封弧塊左右對(duì)稱，壓縮空氣從中間向左右兩側(cè)泄漏的流動(dòng)方向V_y正好相反。根據(jù)流體力學(xué)中平面縫隙流動(dòng)的流量公式：q_rB(△P△δ³/12μ1±V₀/2)，(式中B為垂直于V_y方向的寬度，在此可等效于發(fā)射輪的長度，1為沿運(yùn)動(dòng)方向的長度，可等效于密封弧塊的弧長，μ為空氣運(yùn)動(dòng)粘度)當(dāng)V₀與V_y同向時(shí)，公式中±取+，相反則取-，在此可以知道公式后半部分的值為0，即q_r=BPδ³/12μ1。受結(jié)構(gòu)和工作條件的限制，設(shè)計(jì)中只能通過盡量減小8來達(dá)到減小q_r的目的。因?yàn)閝_r與δ的3次方成正比，減小δ可以收到顯著的效果。

三、非接觸密封結(jié)構(gòu)(見圖3)：

設(shè)計(jì)中采用如圖3所示結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)非接觸密封。圖中前支承輪、發(fā)射輪、后支承輪同軸布置，發(fā)射輪兩端有伸出軸分別支承在前后支承輪內(nèi)部的兩個(gè)超精密雙列圓柱滾子軸承上，實(shí)現(xiàn)發(fā)射輪徑向定位。由于該雙列圓柱滾子軸承外圈無擋邊，軸承內(nèi)圈和滾子組可以相對(duì)外圈作一定幅度的軸向位移。發(fā)射輪軸向定位由前支承輪一端的伸出軸上一個(gè)雙列深溝球軸承提供(圖3中省略此部分)，并能夠調(diào)節(jié)發(fā)射輪后端面與后支承輪之間的功能間隙大小。發(fā)射輪運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力由后支承輪一端的伸出軸輸入。前后兩支承輪的外圓直徑與密封弧塊的內(nèi)圓弧直徑均為a，發(fā)射輪直徑b略小于a，非接觸密封的配合間隙δ=(a-b)/2。要保證可靠的密封，應(yīng)盡可能減小配合間隙δ，否則會(huì)因?yàn)閴嚎s空氣泄漏量q_r過大而無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的非接觸密封。在工程應(yīng)用中，考慮到相關(guān)各零件的加工誤差、裝配誤差、雙列圓柱滾子軸承回轉(zhuǎn)精度等因素的影響，應(yīng)使δ取一個(gè)合理的數(shù)值。

四、軸承預(yù)緊(見圖4)：

非接觸密封要求配合間隙δ數(shù)值極小且能夠維持恒定，這就要求發(fā)射輪有很高的幾何精度和回轉(zhuǎn)精度，因此結(jié)構(gòu)中采用超精密雙列圓柱滾子軸承作為其徑向支承。這種軸承的滾子與內(nèi)外滾道的接觸為線接觸且滾子數(shù)量較多，與點(diǎn)接觸的球軸承相比，能夠提供更高的徑向剛度；而且軸承內(nèi)孔帶有1:12的錐度，可以通過推動(dòng)軸承內(nèi)圈相對(duì)錐形軸頸移動(dòng)來消除徑向游隙，并且在滾子與內(nèi)外圈之間產(chǎn)生預(yù)緊，其作用是通過增加徑向剛度來提高發(fā)射輪的回轉(zhuǎn)精度。如圖4所示，當(dāng)軸承外圈滾道直徑d₁小于滾子組外切圓直徑d₂時(shí)，預(yù)緊便產(chǎn)生了。當(dāng)密封弧塊在氣缸頂推作用下與前后支承輪緊密配合時(shí)，前后支承輪相對(duì)發(fā)射輪必然會(huì)產(chǎn)生微量的位移，這個(gè)位移必須小于δ，否則會(huì)破壞非接觸密封，具體表現(xiàn)為發(fā)射輪與密封弧塊接觸，摩擦?xí)斐沈?qū)動(dòng)電機(jī)過載和零件損傷。但軸承預(yù)緊量也不能過大，否則會(huì)增大軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力和溫升，影響軸承使用壽命?？梢酝ㄟ^控制軸承內(nèi)圈相對(duì)軸端的距離d₃來調(diào)節(jié)預(yù)緊量的大小。

五、密封弧塊驅(qū)動(dòng)(見圖5)：

當(dāng)濾棒氣力輸送機(jī)正常工作時(shí)，密封弧塊在氣缸的頂推作用下與前后支承輪緊密貼合，并通過內(nèi)外圓弧的幾何外形實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中。機(jī)器工作時(shí)壓縮空氣作用在密封弧塊中央?yún)^(qū)域，產(chǎn)生向下的推力，因此密封弧塊必須有足夠的鎖緊力來保證可靠的密封。當(dāng)機(jī)器停機(jī)或檢修時(shí)，密封弧塊需下落到最下方的極限位置。為實(shí)現(xiàn)密封弧塊升降運(yùn)動(dòng)和可靠的鎖緊，結(jié)構(gòu)中采用了3個(gè)雙作用氣缸來實(shí)現(xiàn)密封塊的驅(qū)動(dòng)。如圖5所示。

當(dāng)機(jī)器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，各氣缸的活塞桿都處于縮回狀態(tài)，接到PLC發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)后，閥島相應(yīng)的閥片動(dòng)作，中間與密封弧塊連接的小直徑氣缸活塞桿首先伸出，而且空氣壓力和流量可調(diào)節(jié)，以控制密封弧塊上升的力和速度，當(dāng)密封弧塊接觸前后支承輪時(shí)，缸體外面的磁感應(yīng)式接近開關(guān)檢測(cè)到活塞上的磁環(huán)并發(fā)出信號(hào)給PLC，然后兩個(gè)并聯(lián)連接的大直徑氣缸同時(shí)動(dòng)作，直至將密封弧塊鎖緊；下降動(dòng)作過程則相反，兩個(gè)大直徑氣缸先啟動(dòng)，當(dāng)缸體外面的磁感應(yīng)接近開關(guān)都檢測(cè)到活塞桿縮回到位之后，小直徑氣缸才開始動(dòng)作。這樣的好處是，先用僅能克服密封弧塊重力的較小的推力使密封弧塊上升到位，既保證意外情況發(fā)生時(shí)操作人員的安全，又能最大限度的消除密封弧塊與前后支承輪的碰撞。兩個(gè)大直徑氣缸雖然氣路并聯(lián)，但由于活塞與缸體內(nèi)壁的摩擦和粘滯作用，很難保證活塞桿伸縮完全同步，采用上述結(jié)構(gòu)則很巧妙地回避了要求同步的問題。

六、應(yīng)用效果：

實(shí)踐證明，采用上述非接觸密封結(jié)構(gòu)的濾棒氣力輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，壓縮空氣和電能消耗比較低，發(fā)射輪組件和密封弧塊實(shí)現(xiàn)了與整機(jī)同壽命設(shè)計(jì)，使用維護(hù)非常方便，可以為煙草行業(yè)用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。