輥磨磨輥密封設計探討

□□申占民，丁再珍，鄭倩，王振中，趙起

輥磨磨輥密封設計探討

Sealing Design Discussion for Grinding Roller of Roller Mill

□□申占民，丁再珍，鄭倩，王振中，趙起

介紹了密封的作用、分類，以及密封設計的基本知識，重點提出了輥磨磨輥軸承油封設計需要注意的問題，并探討了幾種油封設計的優(yōu)缺點。

密封；立式輥磨；油封

1 前言

磨輥是輥磨中的關鍵部件 （圖1），其使用的軸承都是大型軸承。在國內生產的輥磨，如果采用進口軸承，則軸承價格約占整機價格的十分之一左右，因此軸承使用的好壞直接影響到整臺設備的運行和成本。

由于磨輥在高溫高粉塵環(huán)境下工作，振動較大，故軸承承受較大的沖擊負荷。其工作環(huán)境可歸納為：

·低速(＜50r／min)

·重載

·高溫 (＋150°C)

·粉塵大

·潮濕，氣體中含有大量水蒸氣。

因此軸承使用，除了設計合理以外，軸承的潤滑以及油的清潔度更為重要。在惡劣的工況下，如何保證粉塵不進入軸承內是非常關鍵的。有資料顯示，如果潤滑油的清潔度從GB／T14039－2002規(guī)定的 23／20提高到16／13，則軸承壽命就可以提高3.5倍，因此磨輥密封設計對于磨輥軸承而言十分重要。在磨輥密封設計中，一般采用氣封裝置和油封或機械密封組合設計。本文從密封機理及材料結構選擇上結合機械設計計算對磨輥密封設計進行探討。

2 密封簡介

2.1 密封的作用

密封的作用一是防止泄漏，二是防止粉塵等異物進入。泄露是機械設備常見的故障之一，其原因主要有兩方面：一是由于機械加工的結果，零件表面必然存在各種缺陷和形狀及尺寸偏差，因此在零件連接處會產生間隙；二是密封兩側存在壓力差，工作介質就會通過間隙而泄漏，同時外界物質也會通過間隙而進入。消除或減少任一因素都可以阻止或減少泄漏。密封的作用就是將接合面間的間隙封住，隔斷或切斷泄漏通道，增加泄漏通道中的阻力。密封作用的有效性用“密封度”來衡量。密封度可以用單位時間內介質的體積或質量的泄漏量，即泄漏率來表示。一般來講，靜密封可能達到零泄漏，但動密封就不太容易做到，由于接觸密封面的任何相對位移都會給接合表面上的粗糙處泄漏創(chuàng)造條件，要達到零泄漏非常困難。密封性能是評價機械產品質量的一個重要指標。就輥磨而言，潤滑油的泄漏會造成浪費并污染環(huán)境。環(huán)境中的粉塵、氣體、水等進入設備內會導致軸承過早地磨損報廢。據(jù)統(tǒng)計，60%的非計劃停車事故與密封故障有關。

2.2 密封分類

密封分為靜密封和動密封。磨輥軸承屬于動密封。動密封又分為接觸型和非接觸型。由于磨輥轉速較低，一般采用接觸型密封。接觸型動密封有：軟填料密封；成型填料密封；油封；防塵密封；機械密封；硬填料密封；脹圈密封。對密封的基本要求是密封好，安全可靠，壽命長，并應力求結構緊湊，系統(tǒng)簡單，制造維修方便。在目前的磨輥密封中，有油封，也有機械密封。

2.3 密封材料

密封材料應滿足密封功能的要求。由于被密封介質的不同，以及設備的工作條件不同，要求密封材料具有不同的適用性。對密封材料的要求一般是：

（1）材料致密性好，不易泄露介質；（2）有適當?shù)臋C械強度和硬度；（3）壓縮性和回彈性好，永久變形?。?/p>

（4）高溫下不軟化，不分解，低溫下不硬化，不脆裂；

（5）抗腐蝕性能好，在酸、堿、油等介質中能長期工作，其體積和硬度變化小，且不粘附在金屬表面上；

（6）摩擦系數(shù)小，耐磨性好；

（7）具有與密封面結合的柔軟性；

（8）耐老化性好，經久耐用；

（9）加工制造方便，價格便宜，取材容易。

橡膠是最常用的密封材料。

2.4 密封的摩擦、磨損和潤滑

摩擦和磨損是接觸型動密封中必然存在的問題。接觸型動密封的密封件與被密封件相接觸，由于有相對運動產生摩擦，從而導致發(fā)熱和零件表面的磨損，這是引起泄漏及密封件損壞的主要原因。

石渡秀男等人根據(jù)軸承潤滑理論研究機械密封，由實驗得出密封準數(shù)G與摩擦因數(shù)f有下面的關系：

式中：η——密封流體動力粘度

ν——密封端面平均線速度

b——密封圈端面寬度，

d1,d2——端內外直徑

W——端面承受的總載荷

ψ——密封特性數(shù)，由密封型式而定

m——動密封指數(shù)，見表1

G值越大，表示越容易形成油膜，相應的油膜厚度也越大。當G≥1×10－6時，兩個密封面被油膜完全隔開，處于流體潤滑狀態(tài)。在G=（0.1～1）×10－6范圍內，ψ≠常數(shù)，此時密封面處于邊界潤滑狀態(tài)或半流體潤滑狀態(tài)，兩表面被一層具有分層結構和潤滑性能的邊界膜分開。對于一定的結構、尺寸和材料組對的密封，ψ存在著一個臨界值ψc，ψ＞ψc為密封區(qū)，ψ＜ψc為泄漏區(qū)。ψc與密封面的直徑D和寬度b之比D／b以及摩擦副材料有關。此外，摩擦特性還可以用來區(qū)別密封的摩擦狀態(tài)。圖2所示為判別摩擦狀態(tài)用的，即摩擦學中的Stribeck曲線。如圖所示，1～2為紊流區(qū)，2～3為層流區(qū)。1～3為液體潤滑區(qū)，該區(qū)的油膜厚度與表面粗糙度之比（膜厚比）λ=3～5。3～4為流體潤滑與邊界潤滑的混合潤滑區(qū)（虛線），該區(qū)λ≤3，第一凸峰可能接觸。3～4為彈性流體潤滑或部分彈性流體潤滑（薄膜潤滑）區(qū)，λ≈3.4～5為邊界潤滑區(qū)，該區(qū)膜厚非常薄，λ≤1會造成固體接觸。4～6為邊界潤滑與固體摩擦的混合潤滑區(qū)，該區(qū)λ≥0.4。6～7為固體摩擦區(qū)，λ＜0.4,完全失去液膜的承載能力。

3 磨輥密封設計

目前在多數(shù)磨輥軸承密封設計中，基本上都采用油封，油封與其他密封比較有下列優(yōu)點：

（1）油封重量輕，耗材少；

（2）油封的安裝位置小，軸向尺寸小，容易加工；

（3）密封性能好，使用壽命長，對設備的振動和主軸的偏心都有一定的適應性；

（4）拆卸容易，檢修方便；

（5）價格相對便宜。

用作油封的橡膠主要有丁腈橡膠，聚氨酯橡膠，丙烯酸酯橡膠，特殊情況用氟橡膠，硅橡膠，聚四氟乙烯橡膠。其中丁腈橡膠耐油，聚氨酯橡膠耐磨，硅橡膠耐高溫和低溫，氟橡膠則較耐高溫。由于在磨輥軸承潤滑中一般采用極壓工業(yè)齒輪油，硅橡膠耐油性能一般，而氟橡膠具有優(yōu)良的耐油和耐高溫性能，因此油封一般都選用氟橡膠。

3.1 影響油封密封性能的因素

影響油封的密封性能的因素很多，主要的影響因素如下：

（1）橡膠品種的影響。丁腈橡膠適用溫度范圍－40～120℃，丙烯酸酯橡膠適用溫度范圍－20～150℃，硅橡膠適用溫度范圍－100～250℃，氟橡膠的適用溫度范圍－40～200℃，它們的耐介質性能也各不相同。

（2）潤滑油不同，油封的潤滑狀態(tài)也不一樣，摩擦熱也有差異。根據(jù)經驗，潤滑油完全把軸淹沒時油封的發(fā)熱要比只淹沒25%軸徑時的大。所以設計時油量以淹沒50%軸徑為限度。

（3）潤滑油添加劑對油封的影響也不容忽視。潤滑油的功能在于使軸和軸承之間形成油膜。但是在某些苛刻條件下，油膜易受破壞。為了防止這種情況，在油中放入各種添加劑。例如在各種齒輪油中都加有耐高壓和高速的添加劑。這種添加劑中，有磷、硫、氯等油溶性有機化合物，或金屬的有機化合物。它們在高溫下起化學反應，在軸承間隙形成耐高溫高壓的油膜。但是這些添加劑卻對油封帶來不利影響，其中尤其以磷、硫、氯等成分影響最大。它們能與橡膠的不飽和雙鍵相交聯(lián)，使橡膠硬化，造成油封失去彈性而泄漏。

（4）如果設備維護不好，不按規(guī)程使用和換油，油就可能變質。油變質的原因大致有三方面：一是油本身氧化；二是油未濾凈，油中帶有設備磨損的金屬顆粒；三是混入外界的粉塵顆粒。油中的微小顆粒一旦隨油到達油封唇部，就會使唇和軸磨損。因此定期換油和濾清是非常必要的。

（5）軸表面粗糙度對油封性能和使用壽命有非常大的影響。表面粗糙度過低時，油容易從密封接觸之間擠出，導致油膜變薄或破裂，油封唇部就會發(fā)熱甚至燒化。反之，粗糙度過高時，軸轉動易刮傷油封唇口，使密封面變毛，摩擦力增大，唇口很快磨損，造成泄漏。試驗證明，最佳粗糙度Ra在0.8～3.2um范圍內。

（6）裝配也是影響油封使用性能的一個因素。在裝配中，與油封相配合的油封座端面要有15°～30°的倒角，座孔不允許有損傷，底面圓角R不大于0.5mm。

3.2 油封的摩擦特性和影響因素

油封的摩擦特性取決于潤滑油腔的壓力、橡膠唇口的徑向力和唇口的潤滑狀態(tài)，同時周速和運行時間也有一定的影響。唇口的徑向力是指單位圓周上的油封唇口對軸的箍緊力，它是表征唇口摩擦面上線接觸應力大小的重要特征參數(shù)。油封徑向力一般選取在100～200N／m。一般來說，徑向力在100N／m左右時油封壽命最長，當超過400N／m時壽命最短。油封唇口的徑向力一般由三部分組成：一是唇口對軸的過盈量產生的徑向力；二是油封腰部彈性變形產生的徑向力；三是油封彈簧產生的徑向力。油封在開始旋轉時摩擦力矩較大，而后逐漸下降，大約經1h后趨于穩(wěn)定。如果在唇口與軸頸之間存在粉塵，不但形不成油膜，而且會造成唇口和軸的急劇磨損。在SKF設計的油封中，其副唇采用聚四氟乙烯材料防塵（圖3）。由于聚四氟乙烯有很好的自潤滑功能和耐磨性能，因此能很好地提高主唇的壽命，從而提高整個油封的壽命。

3.3 油封的密封機理

油封唇口與軸接觸面之間存在著一層很薄的粘附油膜。這層油膜的存在，一方面可以起到密封流體介質的作用，另一方面還可以起到唇與軸之間的潤滑作用。但是油封在使用過程中，由于油封唇的作用，軸表面及轉動情況和流體密封性質的不同，以及三者的相互作用和相互配合條件是經常發(fā)生變化的，所以油封在動態(tài)下經常是處于流體潤滑、邊界潤滑和干摩擦三種狀態(tài)交替共存的情況。

3.4 油封的使用

為了使油封在開始工作時容易形成油膜，在安裝時對油封唇部涂抹潤滑脂。由于鋰基潤滑脂耐熱和耐水性能好，溫度變化時稠度很少變化，而鈉基脂遇水容易乳化；鈣基脂不耐高溫；二硫化鉬潤滑脂長期停車后在大氣作用下容易蒸發(fā)干，因此一般選用鋰基潤滑脂。同時在惡劣環(huán)境下，油封一般都組合使用，把2～3個同類型或不同類新油封按照一定的順序安裝在一起使用。這樣可使其性能提高到單個油封達不到的范圍。組合使用時，潤滑尤為重要，一般連續(xù)運行200～300h后即需要更換一次油脂。

4 結論

由以上論述可知，在磨輥油封的設計、選用和使用過程中要注意以下幾個方面：

（1）由于磨輥工作環(huán)境溫度高，粉塵大，因此油封材料選用氟橡膠；

（2）油封的密封機理是依靠在唇口與軸接觸面形成一層很薄的油膜。根據(jù)摩擦學中的Stribeck曲線 （圖2），膜厚比λ=3～5時為液體潤滑區(qū)。由于磨輥轉速較慢，也不容易形成液體潤滑區(qū)，因此應盡可能提高輥軸的表面光潔度，一般取Ra在0.8～1.6。

（3）為了提高油封裝配的可靠性，在油封座和軸肩處設計15°～30°的倒角，便于油封的安裝和拆卸。

（4）由于磨輥是在高粉塵環(huán)境中工作，在油封周圍不可避免地有粉塵存在，因此磨輥油封一般都組合設計，同時也采用主副唇雙唇設計，副唇起到防塵的作用。

（5）在組合油封的設計中，特別要注意外側油封的潤滑設計，防止形成干摩擦，造成油封過早損壞。

（6）為了形成合理的油封唇口徑向力，除了選擇合格的油封產品以外，軸的尺寸公差，油封座的尺寸公差，以及油封座孔與軸的同心度都要控制在合理的范圍內。

（7）由于與油封接觸的軸面長期處在油封唇口的摩擦下，久而久之就容易磨損軸徑，因此此處軸徑表面硬度應提高，一般在HRC50以上?；蛘咴诖颂幖釉O軸套，淬硬軸套表面，從而避免損傷軸。

總之，油封設計的好壞直接影響到軸承的使用和壽命，從而也影響到設備的運轉率，因此是磨輥設計的關鍵之一。

[1]徐灝.密封[M].冶金工業(yè)出版社，2001.

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1001－6171（2010）04－0086－04

??津水泥工業(yè)設計研究院有限公司，天津 300400；

2009－12－01； 編輯：沈 穎