蜂窩式密封環(huán)的優(yōu)點(diǎn)及加工制造概述

□付子龍 □陳 琦 □彭俊華

上海凱士比泵有限公司 上海 200245

蜂窩式密封環(huán)的優(yōu)點(diǎn)及加工制造概述

□付子龍 □陳 琦 □彭俊華

上海凱士比泵有限公司 上海 200245

闡述密封環(huán)的概念與分類，并對(duì)各種密封環(huán)的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)進(jìn)行比較分析，以體現(xiàn)蜂窩式密封環(huán)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。介紹蜂窩式密封環(huán)的加工制造過程，包括電極材料與設(shè)備的選擇、工裝的優(yōu)化、加工制造及裝配工藝等。

目前，活躍在國(guó)內(nèi)600 MW全容量機(jī)組和1 000 MW及以上半容量或全容量機(jī)組市場(chǎng)上，具有專業(yè)生產(chǎn)高壓鍋爐給水泵的廠家?guī)缀蹙鶠橥赓Y企業(yè)。其中，中德合資的上海凱士比泵有限公司、瑞士獨(dú)資的蘇州蘇爾壽泵業(yè)有限公司和日本獨(dú)資的荏原機(jī)械淄博有限公司三家的市場(chǎng)份額占到90%以上。國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)主要是上海電力修造廠、沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司兩家，占據(jù)了相對(duì)小容量機(jī)組的一半以上份額。在民營(yíng)企業(yè)中，有能力制造大功率高壓鍋爐給水泵的廠家日益增多，如上海凱泉泵業(yè)(集團(tuán))有限公司、沈陽(yáng)工業(yè)泵制造有限公司等。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，在節(jié)能減排的大環(huán)境下，提高鍋爐給水泵的效率已成為關(guān)鍵指標(biāo)之一。采用蜂窩式殼體密封環(huán)的設(shè)計(jì)是提高效率的重要措施之一，筆者針對(duì)三種結(jié)構(gòu)形式的殼體密封環(huán)，參考不同品牌廠家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行比較分析。蜂窩式密封環(huán)的發(fā)展是一個(gè)跨領(lǐng)域和技術(shù)創(chuàng)新的過程，最初的設(shè)計(jì)只是應(yīng)用于氣封，隨著高參數(shù)、大容量機(jī)組的發(fā)展，鍋爐給水泵的應(yīng)用要求也隨之提高[1]，進(jìn)而為這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的推廣提供了空間。國(guó)外的相關(guān)應(yīng)用證明了蜂窩式密封環(huán)的優(yōu)良性能。

1 殼體密封環(huán)簡(jiǎn)介

密封環(huán)也稱耐磨環(huán)、口環(huán)，一般應(yīng)用于離心泵的葉輪和殼體上，通過騎縫螺釘固定，分為葉輪密封環(huán)和殼體密封環(huán)兩類。有的離心泵設(shè)計(jì)為兩個(gè)環(huán)同時(shí)存在，有的設(shè)計(jì)只有殼體密封環(huán)[2]。筆者研究對(duì)象為只有殼體密封環(huán)的鍋爐給水泵，其材料為德國(guó)進(jìn)口的鍛造棒料。密封環(huán)的主要作用是防止葉輪出口端介質(zhì)因自身壓力大于進(jìn)口處壓力而倒流回葉輪進(jìn)口端，即起密封作用，同時(shí)也起到耐磨的作用，避免殼體損壞。在應(yīng)用進(jìn)口材料保證良好耐磨性能的基礎(chǔ)上，采用蜂窩式殼體密封環(huán)的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用在大功率、高轉(zhuǎn)速鍋爐給水泵上，可以減小泵內(nèi)部的容積損失，從而在一定程度上提高泵的效率。

殼體密封環(huán)的整體結(jié)構(gòu)形狀多種多樣，根據(jù)內(nèi)表面的設(shè)計(jì)形狀可分為三種形式：光滑表面一般結(jié)構(gòu)密封環(huán)、環(huán)形槽表面結(jié)構(gòu)密封環(huán)和蜂窩式表面特殊結(jié)構(gòu)密封環(huán)，如圖1所示。

圖1 密封環(huán)結(jié)構(gòu)分類

光滑表面式的密封環(huán)幾乎可以應(yīng)用于所有的離心泵，它的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、易加工、成本低。蘇爾壽、荏原及其它國(guó)內(nèi)品牌的鍋爐給水泵都采用此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為提高密封環(huán)表面硬度，防止咬合，通常采用鍍鉻、激光硬化和堆焊硬質(zhì)合金等工藝進(jìn)行后處理，但采用鍍鉻后，脫鉻現(xiàn)象頻繁，尤其是在加氧處理的工況下，腐蝕性加劇，脫鉻嚴(yán)重；采用激光硬化時(shí)，硬化深度有限；采用堆焊硬質(zhì)合金則易變性。可見根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和對(duì)比研究，硬化工藝的應(yīng)用尚未成熟，仍待完善。環(huán)形槽式結(jié)構(gòu)的密封環(huán)主要應(yīng)用于要求相對(duì)較高和美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）石油化工標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的特殊介質(zhì)工況，其優(yōu)點(diǎn)是可以適應(yīng)一些特殊的介質(zhì)，雖然多一道加工槽的工序，但工藝簡(jiǎn)單，切實(shí)可行。凱士比的小容量鍋爐給水泵、部分API標(biāo)準(zhǔn)用泵，以及沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)部分特殊領(lǐng)域用泵都采用此結(jié)構(gòu)。采用蜂窩式密封環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，無需額外的硬化工藝，凱士比將其應(yīng)用于600 MW以上的鍋爐給水泵產(chǎn)品。

2 蜂窩式殼體密封環(huán)的優(yōu)勢(shì)

相比前兩種結(jié)構(gòu)的密封環(huán),蜂窩式密封環(huán)具有一定的優(yōu)點(diǎn)。由于具有特殊的蜂窩狀表面，密封環(huán)實(shí)際上是一種類似蜂窩狀的四邊形腔體，接觸磨損的不再是一個(gè)整體的面，而是蜂窩形狀的輪廓線，一旦葉輪進(jìn)口外圓與密封環(huán)內(nèi)表面發(fā)生磨損，其磨損可以控制在最小的接觸面積范圍內(nèi)，起到防咬合的作用，如圖2所示。

圖2 蜂窩式密封環(huán)示意圖

鑒于蜂窩式密封環(huán)優(yōu)良的性能，可以經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算減小間隙尺寸,實(shí)現(xiàn)密封環(huán)與葉輪單邊間隙(S1/2)的最小化，從而控制泄漏量[3]。如圖3及表1所示，筆者研究的鍋爐給水泵對(duì)應(yīng)的水力模型為7+7S，對(duì)應(yīng)的間隙范圍值S1/2=0.15～0.175 mm，相比光滑表面式密封環(huán)的間隙值大大縮小。

在鍋爐給水泵正常運(yùn)行時(shí)，密封環(huán)內(nèi)表面的每一個(gè)小腔體都充滿了介質(zhì)，在葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的表面張力會(huì)阻礙從葉輪出口回流至葉輪進(jìn)口的部分流體，進(jìn)而也阻礙了一部分泄漏量的產(chǎn)生，如圖4所示。

圖3 蜂窩式密封環(huán)和葉輪尺寸間隙示意圖

表1 密封環(huán)和葉輪尺寸間隙數(shù)值表

圖4 密封環(huán)泄漏量示意圖

此外，蜂窩式密封環(huán)有助于增強(qiáng)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，提高效率并延長(zhǎng)使用壽命。由于與介質(zhì)接觸的密封環(huán)內(nèi)表面存在較多的小腔體，給水泵對(duì)介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒的敏感度明顯降低[4]。

3 殼體密封環(huán)的性能比較分析

對(duì)于三種常見結(jié)構(gòu)的密封環(huán)而言，如果與葉輪的幾何間隙尺寸逐漸縮小，那么泄漏量也會(huì)變小。在強(qiáng)度方面，蜂窩式密封環(huán)有著與普通密封環(huán)一樣的性能[5]。性能參數(shù)量化的數(shù)值比較見表2。

4 蜂窩式密封環(huán)的加工制造

蜂窩式密封環(huán)的加工無法通過普通的機(jī)械加工設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，而是需要一種相對(duì)特殊的電火花腐蝕加工設(shè)備——火花機(jī)，并結(jié)合密封環(huán)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)，使之成為加工蜂窩式密封環(huán)的專用設(shè)備。火花機(jī)在離心泵行業(yè)的應(yīng)用雖然不如一般機(jī)床普遍，但在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)發(fā)展為一種相當(dāng)成熟的加工機(jī)械，尤其是在要求相對(duì)較高的汽車、機(jī)器人制造和航空領(lǐng)域，應(yīng)用更為廣泛[6]。

通過編程軟件Master CAM提前完成工藝的設(shè)定，加工速度相對(duì)于一般車削加工而言不高。只要定位調(diào)試完成，導(dǎo)入既定程序到操作系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)化操作，人力成本較低。電火花加工的基本原理工序?yàn)椋航]在絕緣液中的兩個(gè)導(dǎo)電體（電極和工件）與一個(gè)可開關(guān)的直流電源相連；當(dāng)電源打開時(shí)，在電極與工件之間會(huì)產(chǎn)生電壓；將電極與工件之間的距離縮小到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓放電，形成火花；火花擊中之處，大量的熱將金屬融化；無數(shù)這樣的火花一個(gè)接一個(gè)不間斷出現(xiàn)，就形成了一種特殊的加工方法。有效的放電加工大約需要每秒幾十萬(wàn)個(gè)火花，這樣才可以將材料切割為需要的形狀，加工現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

表2 密封環(huán)性能比較

4.1 電極材料的選擇及加工

圖5 火花機(jī)加工現(xiàn)場(chǎng)

在電火花成型加工過程中，使用一個(gè)三維電極來形成所需的工件形狀。通過X、Y、Z、C軸的疊加運(yùn)動(dòng)，可以加工出蜂窩式表面的形狀，這是其它加工方法所無法達(dá)到的加工效果。與工件表面形狀子母配合的電極作為其中一個(gè)導(dǎo)電體，在加工程序中設(shè)定相應(yīng)的規(guī)格尺寸，設(shè)備將自動(dòng)控制電極與工件之間的距離，產(chǎn)生電壓，釋放電流，實(shí)現(xiàn)放電，達(dá)到產(chǎn)品要求的形狀?？梢?，電極材料的選擇至關(guān)重要，電極是一種消耗品，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)摸索，選用日本東洋碳素生產(chǎn)的一種等靜壓電火花加工專用石墨，這樣效果最佳。其它國(guó)際知名產(chǎn)品，如法國(guó)美爾森的E+60型號(hào)，也屬于電火花加工頂級(jí)石墨，但由于蜂窩式密封環(huán)形狀尺寸的特殊性，致使石墨頂尖部位放電尤其集中、強(qiáng)度大，且放電過程中容易出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，易損壞工件，故非最佳選擇。對(duì)于其它一般的電火花加工石墨，由于放電率低，導(dǎo)致電極損耗大，不適用于蜂窩狀表面的加工。對(duì)于電極的使用壽命周期，一般12～16 h更換一次，每完成一個(gè)密封環(huán)的加工需耗用一個(gè)電極。分15單元（小段）進(jìn)行放電加工，每完成一個(gè)單元的加工，將自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)單元的加工，直至最后一個(gè)單元與第一個(gè)單元的無縫銜接。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)每種規(guī)格的零件，編程時(shí)都需做略微的調(diào)整，才能做到精確對(duì)接，完成之后即可更換新的電極。

電極材料選定后，石墨材質(zhì)硬而脆的特性決定了電極的加工也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)[7]。高速加工中心（CNC）的主軸轉(zhuǎn)速要求在20 000 r/min以上，且使用金剛石涂層D0.5的銑刀，既可以避免對(duì)刀具的損壞，又可以減小對(duì)刀具的磨損。為便于快速有效地實(shí)際操作，經(jīng)過模塊化設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過一個(gè)量身定做的把柄將電極固定在高精度定位儀的夾具上，實(shí)現(xiàn)電極的定位，每次安裝、拆卸，只需將固定好電極的把柄卡在定位儀的夾具上即可，無需調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確定位，如圖6所示。

圖6 電極定位把柄

在加工石墨電極時(shí)使用定位把柄，直接卡在電極供應(yīng)商的電極加工設(shè)備上，即可完成定位。模塊化設(shè)計(jì)在不同設(shè)備上的無縫切換，確保了后續(xù)蜂窩式密封環(huán)的加工精度。石墨在粗加工時(shí)，銑刀直接在工件上下刀即可。精加工時(shí)，為避免崩角和碎裂的發(fā)生，采用輕刀快走的加工方式，這樣還會(huì)獲得較好的側(cè)壁表面質(zhì)量。同時(shí)，石墨電極在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分灰塵，為避免灰塵滲入到機(jī)床的導(dǎo)軌絲桿和主軸等核心零件處，需配置石墨加工機(jī)床石墨灰塵處理裝置，從而保證機(jī)床的密封性，避免石墨中毒[8]。

電極雖為外協(xié)加工，但作為保證零件加工精度最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格檢驗(yàn)，保證質(zhì)量，并經(jīng)過相關(guān)的物理特性測(cè)試報(bào)告。

4.2 設(shè)備的選擇及相關(guān)事宜

火花機(jī)選用臺(tái)灣群基精密工業(yè)(蘇州)有限公司的CNC400T型火花機(jī)，如圖7所示。考慮到蜂窩式密封環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)額外的特殊要求，設(shè)計(jì)制作了專用的可旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)[9]，并升級(jí)選配了電極專用高精度快速定位模塊（快速定位精度5 μm）來提高定位精度，從而保證了電極能夠快速準(zhǔn)確地與密封環(huán)的內(nèi)表面在每一小段的圓周上保持一定的距離。融入了泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念和要求，CNC400T型火花機(jī)成為蜂窩式密封環(huán)專用加工設(shè)備。

圖7 CNC400T型火花機(jī)

與國(guó)外泵行業(yè)采用電火花加工蜂窩式密封環(huán)的工藝相比，筆者的研究與改進(jìn)大大降低了加工成本。據(jù)估算，國(guó)外四軸聯(lián)動(dòng)的火花機(jī)價(jià)格約折合200萬(wàn)元人民幣，而高精度快速定位模塊的價(jià)格約折合20萬(wàn)元人民幣。對(duì)于本研究中的鍋爐給水泵用蜂窩式密封環(huán)，加工工時(shí)為14 h，縮短了一半多的工時(shí)。在德國(guó)加工一個(gè)同等尺寸的蜂窩式密封環(huán)需要28 h，主要原因是四軸聯(lián)動(dòng)固然智能，但對(duì)于特殊的電火花加工工藝，需要調(diào)整的參數(shù)項(xiàng)過多，反而影響了加工速度[10]。良好的技術(shù)加上合理的性價(jià)比，大大提升了鍋爐給水泵在能源領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

絕緣液選擇使用殼牌萬(wàn)安EDM110絕緣液，具備高閃點(diǎn)、快速?zèng)_洗切屑、氣味極淡及放電加工極快等優(yōu)點(diǎn)，其詳細(xì)參數(shù)為：運(yùn)動(dòng)黏度在40℃時(shí)為2.4 mm2/s,密度在20℃時(shí)為0.792 kg/m3，開口閃點(diǎn)為103℃，3 h銅腐蝕試驗(yàn)在100℃時(shí)為1 a，芳烴含量為0.1%，外觀無色。

5 蜂窩式密封環(huán)的裝配

在進(jìn)行整泵的裝配前，必須完成蜂窩式密封環(huán)和中段的預(yù)裝配。先將密封環(huán)鑲在中段的內(nèi)圓上，再用騎縫螺釘固定，如圖8所示。然后將預(yù)裝配好的中段放在磨床上磨內(nèi)圓，以達(dá)到所要求的同軸度和表面粗糙度等各項(xiàng)指標(biāo)，如圖9所示。

圖8 蜂窩式密封環(huán)的裝配

圖9 預(yù)裝配后磨內(nèi)圓工序

6 結(jié)論

筆者研究的鍋爐給水泵配置了結(jié)構(gòu)特殊的蜂窩式殼體密封環(huán)，可選用不同的水力模型，每種水力模型通過配置蜂窩式密封環(huán)結(jié)構(gòu)都會(huì)使效率得到一定的提高。此次研究項(xiàng)目選用水力模型7+7S，在常溫冷卻水試驗(yàn)時(shí)，效率能夠提高0.8個(gè)百分點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過暖泵后，效率提高可達(dá)1.1個(gè)百分點(diǎn)。效率提高情況見表3。

表3 鍋爐給水泵效率提高情況

[1]徐炯，周一工.700℃高效超超臨界火力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的概述[J].上海電氣技術(shù),2012,5(2):50-54.

[2]何立東,葉小強(qiáng),劉錦南.蜂窩密封及其應(yīng)用的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2005,16(20):1855-1857.

[3]吳大轉(zhuǎn),許斌杰,武鵬,等.多級(jí)離心泵內(nèi)部間隙流動(dòng)與泄漏損失[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,45(8):1393-1398.

[4] SCHILL J H.Trends in the Development of Boiler Feed Pumps[R].Tsinghua University，Beijing,2001.

[5]黃先北,劉竹青,楊魏.離心泵口環(huán)間隙附近的空化特性研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(2):59-63，58.

[6]武云霞,王成勇,詹國(guó)彬,等.石墨電極的電加工性能[J].模具工業(yè),2004(12):51-55.

[7]李圣華.關(guān)于提高石墨電極質(zhì)量的幾點(diǎn)建議 [J].碳素技術(shù)，1996(2):39-44.

[8]任紅軍.電火花石墨電極的特性研究及應(yīng)用[C].2005年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì),重慶，2005.

[9] 孔偉.回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置[J].裝備機(jī)械，2002(4): 18-19.

[10]王斌.石墨電極加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)更新改造 [J].設(shè)備管理與維修,2005(4):26-27.

The concept and classification of the seal ring were elaborated with comparative analysis on the structure and performance parameters of a variety of seal ring in order to reflect the design advantages of the beehive seal ring.Also described the manufacturing process of the beehive seal ring including the selection of electrode material and equipment,optimized tooling,manufacturing and assembly processes etc.

鍋爐給水泵；蜂窩式密封環(huán)；制造

Boiler Feed Pump；Beehive SealRing；Manufacture

TH113.1

B

1672-0555（2016）04-021-05

2016年5月

付子龍（1979—），男，碩士，工程師，主要從事產(chǎn)品管理工作