淺析立磨磨輥密封的設(shè)計(jì)與選用

李宏士 崔守彬 張 磊

(朝陽重機(jī)集團(tuán)有限公司 遼寧朝陽122000)

1 前言

立磨經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的不斷改進(jìn)和完善，在水泥工業(yè)生料、煤粉及礦渣粉磨領(lǐng)域獲得了全面推廣和普遍采用，磨輥是立磨中的關(guān)鍵部件，其使用的軸承都是大型軸承，軸承的正常工作與否直接影響設(shè)備的正常運(yùn)行和生產(chǎn)成本。由于其工作環(huán)境惡劣，溫度高，粉塵大，振動(dòng)大，氣體潮濕，磨輥漏油現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，影響軸承壽命和生產(chǎn)成本，因此磨輥密封設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 立磨磨輥密封的作用與型式

2.1 立磨磨輥密封的作用

立磨磨輥密封的作用是防止工作介質(zhì)(軸承潤(rùn)滑油)向外泄漏和防止外界雜物進(jìn)入軸承。工作介質(zhì)泄露導(dǎo)致潤(rùn)滑油的浪費(fèi)和污染環(huán)境，如補(bǔ)充潤(rùn)滑油不及時(shí)會(huì)損壞軸承。在顆粒細(xì)小的磨粒工作環(huán)境中，大量微小硬質(zhì)顆粒很容易進(jìn)入立磨磨輥軸承內(nèi)部，惡化軸承工作環(huán)境，降低潤(rùn)滑效果，甚至在滾道面形成壓痕，引起點(diǎn)蝕甚至滾道面剝落，降低軸承的工作壽命。

2.2 立磨磨輥密封的型式

立磨磨輥密封的型式通常有填料密封和油封密封(旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈)，油封密封由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、制造維修方便而得到廣泛應(yīng)用。在磨輥密封設(shè)計(jì)中，一般采用氣封裝置加油封的組合設(shè)計(jì)型式，氣封裝置是正壓，立磨內(nèi)工作狀況是負(fù)壓，形成壓力差，氣封裝置防止細(xì)小顆粒進(jìn)入油封內(nèi)，是在油封基礎(chǔ)上的又一重防護(hù)。

3 立磨磨輥油封簡(jiǎn)介

3.1 磨輥油封的分類

磨輥油封從結(jié)構(gòu)上通常分為骨架式油封和無骨架式油封，骨架式油封用的最多。骨架式油封常用的又分為外露骨架油封和內(nèi)包骨架油封，骨架油封按唇口的形式又分為普通型和雙唇型，如圖1所示。外露骨架唇形油封特點(diǎn)是剛性好、定位準(zhǔn)確、同軸度好、散熱性好，有更好的密封性能，需要更高的安裝水平和加工精度。內(nèi)包骨架唇形油封特點(diǎn)是用途廣泛，易于安裝。密封唇的作用是防止泄漏，在條件惡劣的工況下使用帶副唇的油封以延長(zhǎng)油封壽命。油封的副唇起一個(gè)防塵作用，防止雜質(zhì)侵入油封密封唇口處，造成磨損而損壞。但副唇處往往潤(rùn)滑不良，摩擦力較大，造成油封干摩擦而損壞，所以使用雙唇油封時(shí)一定要在雙唇之間填滿潤(rùn)滑脂。在工作環(huán)境許可的情況下，應(yīng)盡量選用單唇油封［1］。

圖1 骨架油封示意圖

3.2 磨輥油封的密封原理

磨輥油封的密封屬于磨輥旋轉(zhuǎn)下的動(dòng)態(tài)密封，動(dòng)態(tài)密封的原理有著許多學(xué)派，分別提出了表面張力理論、吸附理論和邊界潤(rùn)滑理論等諸多理論。其中比較有影響的是E T Jagger提出的“新月面理論”和Horvel等人提出的微型泵理論［2］。

3.2.1 “新月面理論”

骨架油封通常由密封體、加強(qiáng)骨架和自緊螺旋彈簧組成，在自由狀態(tài)下，其內(nèi)徑比軸要小，有一定的過盈量，當(dāng)油封裝入油封座和軸上之后，油封唇口的壓力和自緊螺旋彈簧的收縮力對(duì)軸產(chǎn)生一定的徑向壓力，再加上潤(rùn)滑油腔的壓力，共同決定著與軸之間的摩擦力，油封在開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦力矩較大，而后逐漸下降趨于穩(wěn)定。工作時(shí)，油封唇口在接觸壓力的作用下，形成一密封接觸環(huán)帶，潤(rùn)滑油滲入密封接觸環(huán)帶，形成一層油膜，此油膜具有流體潤(rùn)滑特性。在液體表面張力的作用下，油膜的剛度恰好使油膜與空氣接觸端形成一個(gè)新月面，防止了工作介質(zhì)的泄漏，從而實(shí)現(xiàn)密封。油封的密封能力，取決于密封面油膜的厚度，厚度過大，油封泄漏;厚度過小，可能發(fā)生干摩擦，引起油封和軸磨損;密封唇與軸之間沒有油膜，則易引起發(fā)熱、磨損。因此，在安裝時(shí)，必須在油封上涂些油，同時(shí)保證骨架油封與軸心線垂直，若不垂直，油封的密封唇會(huì)把潤(rùn)滑油從軸上排干，也會(huì)導(dǎo)致密封唇的過度磨損。

3.2.2 微型泵理論

由于油封內(nèi)徑小于軸的直徑，二者屬于過盈配合，加上彈簧的作用使得接觸區(qū)域上接觸壓力成不對(duì)稱分布，油封儲(chǔ)油端與空氣端產(chǎn)生不同的壓力變化，從而產(chǎn)生兩向不同的泵油作用，使?jié)櫥投ㄏ蛄鲃?dòng)，從而達(dá)到密封的目的。

3.3 磨輥油封的材質(zhì)

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、硅橡膠和氟橡膠。其中丁腈橡膠耐油但耐低溫性差，聚氨酯橡膠耐磨但摩擦系數(shù)高，一般在0.5以上，容易摩擦生熱，丙烯酸酯橡膠耐熱耐氧化耐臭氧，但耐寒性差，室溫下的彈性差、耐磨性差，硅橡膠耐高溫和低溫，但硅橡膠的抗張強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度等機(jī)械性能較差，氟橡膠則具有耐高溫耐油性能。由于磨輥軸承潤(rùn)滑中一般采用150～220號(hào)工業(yè)齒輪油，且環(huán)境溫度較高，而氟橡膠具有優(yōu)良的耐油和耐高溫性能，因此磨輥油封一般選用氟橡膠。

4 磨輥油封泄漏因素的分析

4.1 油封本身的因素

4.1.1 密封唇的前唇角(α)與后唇角(β)

要獲得無泄漏的唇形油封，除選擇合適的彈性材料外，密封帶的形狀和位置，密封帶和彈簧的相對(duì)位置具有十分重要的作用。密封面由兩個(gè)相交的錐面形成(見圖1)，前唇角(α)指密封唇的前唇面與軸線的夾角，后唇角(β)指密封唇的后唇面與軸線的夾角。要求α＞β，為獲得良好的密封效果，α =40°～60°，β =20°～35°。彈簧中心與密封唇口中心要有一軸向偏置量，其值一般為R=0.4 ～0.7mm［3］，R 值過小甚至趨于零無法保持油膜，不利于密封;R值過大增加摩擦生熱，同時(shí)接觸寬度增加，接觸應(yīng)力變小，致使油封唇口與軸之間的“臨界油膜”潤(rùn)滑擴(kuò)大成流體潤(rùn)滑，造成泄漏。

4.1.2 油封唇口的徑向力

早期的唇形密封理論認(rèn)為，為了防止泄漏，密封唇與軸之間的接觸壓力應(yīng)很大，實(shí)踐證明這種認(rèn)識(shí)是不正確的，因?yàn)楦鶕?jù)這一觀念設(shè)計(jì)的油封因摩損快嚴(yán)重過熱而迅速失效，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)目標(biāo)已變?yōu)樵谔峁┳阋苑乐剐孤┑那疤嵯拢M量減少密封唇口的接觸載荷。唇形油封新安裝時(shí)的平均接觸載荷約為1MPa，相當(dāng)于單位周向長(zhǎng)度上的載荷為200N/m，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，接觸載荷慢慢衰減，衰減后的載荷至少應(yīng)維持在初始載荷的50%，即100N/m，一般來講，載荷為100N/m時(shí)，油封壽命最長(zhǎng)，超過400N/m時(shí)壽命最短。

國(guó)內(nèi)在油封研究方面起步較晚，盡管現(xiàn)在有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)際水平相比，無論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還是在橡膠配方以及生產(chǎn)工藝上都有很大的差距。國(guó)家雖然有了一些唇形油封的設(shè)計(jì)參數(shù)，便要使其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，沒有一定的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是較難的。國(guó)際上有名的油封品牌有SKF、FAG、NOK等，磨輥油封應(yīng)優(yōu)先選用它們，如果選用國(guó)產(chǎn)油封，一定要選用知名的有實(shí)力的口碑好的專業(yè)廠家。

4.2 軸的因素

4.2.1 軸的表面粗糙度

軸的表面粗糙度對(duì)密封的作用非常關(guān)健，如果軸的表面粗糙度過大，軸表面的凸峰會(huì)穿過油膜與密封唇接觸，在軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)易刮傷唇口，唇口很快磨損，密封失效;如果軸的表面粗糙度過小，油容易從密封接觸處擠出，導(dǎo)致油膜變薄或破裂，從而增大摩擦和摩損，使密封受到破壞從而失效。所以軸的表面粗糙度有一個(gè)合適的范圍，一般Ra控制在0.2 ～0.6μm。

4.2.2 軸的表面硬度

由于在工作過程中，與唇形油封接觸的軸面長(zhǎng)期處在唇口的摩擦下，久而久之容易摩損軸徑，因此此處軸徑表面硬度應(yīng)提高，一般在HRC50以上，或者在此處加設(shè)軸套，提高軸套表面硬度，避免損傷到軸。

4.2.3 軸的表面加工狀態(tài)和形位公差

如果軸表面存在加工痕跡和損傷，會(huì)造成油封泄漏。同樣如果軸的圓度和跳動(dòng)量超過了油封的適應(yīng)能力，也會(huì)造成油封泄漏。

4.3 油封與軸的相對(duì)速度

油封與軸的相對(duì)速度是影響油封工作壽命的重要因素。在一定的接觸壓力下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度愈高，摩擦力越大，引起的溫升也越高，超過了橡膠材料的工作溫度上限，造成油封唇口老化和唇邊燒傷而形成泄漏。因此要選用適當(dāng)?shù)南鹉z材料和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.4 壓力與溫度的影響

普通油封的承壓能力很低，一般小于0.05MPa，當(dāng)壓力超過0.05MPa時(shí)，迫使油封腰部向軸面彎曲，使油封唇部與軸接觸寬度增大，接觸壓力和摩擦力增大，溫度升高導(dǎo)致油封失效而泄漏;溫度對(duì)橡膠材料及其工作性能有很大影響，溫度不當(dāng)使橡膠老化和硬化，決定著油膜厚度，油膜厚度過大，油封就會(huì)泄漏;油膜厚度過小，會(huì)發(fā)生干摩擦，導(dǎo)致油封唇部的局部溫升同樣使油封失效。

4.5 安裝和使用的問題

油封制作精度較高，對(duì)安裝和使用有一定的要求。油封安裝前先清除座孔和軸表面的毛刺和螺旋加工痕，軸上對(duì)著密封唇入口處須有圓弧或倒角，以保護(hù)密封唇，檢查座孔和軸的相關(guān)尺寸以達(dá)到密封件對(duì)尺寸的要求，將座孔和軸清理干凈。再檢查密封件，看密封件安裝前是否損壞，如密封唇是否損傷等，如有應(yīng)當(dāng)予以更換，還要確認(rèn)密封的方向性，一般唇口面向要封隔的潤(rùn)滑油，因?yàn)橛头鈱賳蜗蛎芊?，若油封方向裝反，唇部起不到密封作用而漏油，所以安裝時(shí)一定要注意安裝方向的正確性。在油封唇部與軸表面涂敷潤(rùn)滑脂，可減少唇部損傷的可能，方便安裝。對(duì)外露骨架油封的外徑進(jìn)行適度潤(rùn)滑會(huì)利于安裝，而內(nèi)包骨架油封外徑也應(yīng)予以潤(rùn)滑。特別注意的是，千萬不要直接錘擊油封表面，尤其是外露骨架油封，這種方法容易使金屬外層變形，唇口損壞。為避免油封翹起，應(yīng)利用安裝工具平均地將作用力施加在外沿上，切勿一次性壓到位，應(yīng)重復(fù)多次旋轉(zhuǎn)緩緩壓入，每次旋入的深度不超過1mm［4］。磨輥安裝后要進(jìn)行密封性檢測(cè)，如果磨輥內(nèi)充滿潤(rùn)滑油檢測(cè)，需浪費(fèi)大量滑潤(rùn)油，且殘留的潤(rùn)滑油會(huì)與各現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選用的潤(rùn)滑油產(chǎn)生二次污染，通常的方法是壓縮空氣檢測(cè)法，即向磨輥內(nèi)充入0.2MPa的壓縮空氣，保壓30min，壓降不超過0.1MPa為合格。油封在使用過程中也會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)滑不良現(xiàn)象，形成干摩擦，尤其是當(dāng)幾個(gè)油封并列使用時(shí)，更容易發(fā)生油封燒壞，此時(shí)除保證油封唇口有一定的油膜厚度外，最好有可定期加注潤(rùn)滑油脂的結(jié)構(gòu)。

圖2 立磨磨輥密封典型設(shè)計(jì)

5 立磨磨輥密封的典型設(shè)計(jì)及發(fā)展動(dòng)態(tài)

立磨磨輥密封典型設(shè)計(jì)見圖2。

在惡劣工作環(huán)境下，油封一般都組合使用，把2～3個(gè)同類或不同類型油封按照一定順序安裝在一起組合使用，可使其性能提高到單個(gè)油封達(dá)不到的水平。組合使用時(shí)，潤(rùn)滑尤為重要，特別要注意外側(cè)油封的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，防止形成干摩擦，造成油封過早損壞。由于立磨磨輥是在高粉塵環(huán)境中工作，在油封周圍不可避免有粉塵存在，因此磨輥油封一般都選用組合設(shè)計(jì)。有的選用兩個(gè)單密封唇油封，一個(gè)用來防潤(rùn)滑油泄漏，一個(gè)防止粉塵進(jìn)入，中間有通甘油管路，對(duì)外側(cè)油封進(jìn)行潤(rùn)滑;更多的是選用三個(gè)單密封唇油封，兩個(gè)用來防潤(rùn)滑油泄漏，一個(gè)用來防粉塵進(jìn)入，中間同樣有甘油管路，對(duì)外側(cè)兩個(gè)油封進(jìn)行潤(rùn)滑。也有極個(gè)別廠家選用兩個(gè)雙唇油封，安裝時(shí)主密封唇都朝向潤(rùn)滑油側(cè)防油泄漏，副唇起到防塵的作用，沒有專用的甘油管路，僅僅在裝配時(shí)封入甘油。

隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，人們逐漸認(rèn)識(shí)到在立磨這種特殊的工況下，防塵與防泄漏同等重要，不重視防塵設(shè)計(jì)，一味的強(qiáng)調(diào)防泄漏，很容易出問題。某公司就發(fā)生過現(xiàn)場(chǎng)安裝人員為提高防泄漏性能，將三個(gè)單唇油封都朝向防油側(cè)，導(dǎo)致粉塵很快進(jìn)入油封致使油封損壞而發(fā)生泄漏。只要粉塵進(jìn)入，必將加速油封密封唇的磨損，現(xiàn)在有的生產(chǎn)廠家已將三個(gè)油封中的兩個(gè)用來防塵，一個(gè)用來防潤(rùn)滑油泄漏，中間同樣有甘油潤(rùn)滑管路，取得了很好的效果。

6 結(jié)語

立磨磨輥密封設(shè)計(jì)與選用的好壞，直接影響著密封效果，進(jìn)而影響軸承的正常使用與壽命，從而影響設(shè)備的安全運(yùn)行，因此是磨輥設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

［1］申東川.油封在實(shí)際應(yīng)用中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)［J］.液壓與氣動(dòng)，2003(9):41.

［2］葉盂蜍，李祖彬.汽車油封的研究與進(jìn)展［J］.特種橡膠制品，2010，Vol.31(6):71 －76.

［3］付平，常德功.密封設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:147－148.

［4］李歡.立磨磨輥密封圈安裝工具設(shè)計(jì)及使用［J］.水泥，2013(5):36.