坑道鉆機(jī)液壓離合器旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)

沈　璽，宋小青

（1.浙江杭鉆機(jī)械制造股份有限公司，浙江 杭州310000；2.浙江省建設(shè)機(jī)械集團(tuán)有限公司，浙江 杭州310000）

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坑道鉆機(jī)液壓離合器旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)

沈璽1，宋小青2

（1.浙江杭鉆機(jī)械制造股份有限公司，浙江 杭州310000；2.浙江省建設(shè)機(jī)械集團(tuán)有限公司，浙江 杭州310000）

摘要：根據(jù)坑道鉆機(jī)使用的液壓離合器液壓旋轉(zhuǎn)通道的密封設(shè)計(jì)要求，對其使用的結(jié)構(gòu)形式、密封原理、性能評價(jià)、材料選擇作分析討論。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī)；旋轉(zhuǎn)密封；設(shè)計(jì)

液壓離合器，如圖1所示，是坑道鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件，其工作原理是液壓油壓緊，蝶型彈簧松開。液壓油先經(jīng)過端蓋的進(jìn)油口，再經(jīng)過離合器軸的過油通道，到達(dá)離合器油缸。其中因?yàn)槎松w是固定的，離合器軸為高速旋轉(zhuǎn)部件。液壓油在液壓旋轉(zhuǎn)密封區(qū)域時(shí)不能泄露，否則液壓油的壓力不能有效、穩(wěn)定的建立，導(dǎo)致離合器的活塞不能壓緊離合器摩擦片，進(jìn)而就不能有效而穩(wěn)定的工作。液壓旋轉(zhuǎn)密封直接影響著液壓離合器是否能正常工作。因此分析液壓旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)，從坑道鉆機(jī)液壓離合器使用的工作參數(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用金屬漲圈接觸式密封技術(shù)，并成功應(yīng)用。

圖1　液壓離合器結(jié)構(gòu)示意圖

1　液壓旋轉(zhuǎn)密封的結(jié)構(gòu)形式和密封材料的分析

液壓旋轉(zhuǎn)密封分為接觸式與非接觸式。選取密封結(jié)構(gòu)形式及其密封材料的依據(jù)分別是軸的旋轉(zhuǎn)線速度、工作壓力、工作介質(zhì)[1]。通常在低速、低壓下工作的旋轉(zhuǎn)密封裝置的設(shè)計(jì)不太困難，但是工作在高速、高壓時(shí)其旋轉(zhuǎn)密封裝置的設(shè)計(jì)就比較困難。要設(shè)計(jì)合理的液壓旋轉(zhuǎn)密封裝置，需要確定離合器軸的線速度，液壓油的工作壓力，液壓油的工作溫度才能合理選型。本離合器其轉(zhuǎn)速為1 500 r/m，直徑為30 mm，則有

離合器軸的線速度：

式中：n為離合器軸的轉(zhuǎn)速，d為離合器軸的直徑，根據(jù)對應(yīng)參數(shù)有：

離合器軸的線速度是2.355m/s，屬于中高速。

液壓油的溫度在工作時(shí)，一般為40℃~65℃，屬于中溫。

液壓油的工作壓力為1.5 MPa，屬于高壓。

液壓離合器旋轉(zhuǎn)密封裝置的工作條件為中高速、中溫、高壓。這三個(gè)因素中線速度和壓力直接影響旋轉(zhuǎn)密封的性能。壓力越大，旋轉(zhuǎn)密封裝置的泄露的可能性越大。速度越快，對旋轉(zhuǎn)密封材料的選擇越要慎重。

高壓旋轉(zhuǎn)密封不能用非接觸式密封，應(yīng)采用接觸式密封解決好高壓下的密封不泄漏。接觸式密封在中高速工況下常用金屬漲圈。如圖2所示。這種密封的原理是利用金屬漲圈在端蓋內(nèi)表面上產(chǎn)生的單位壓力大于金屬漲圈在槽側(cè)表面上產(chǎn)生的單位壓力來進(jìn)行密封。金屬漲圈兩側(cè)的介質(zhì)壓差使其貼緊在軸槽的側(cè)表面上，構(gòu)成阻礙液壓油泄漏的主密封摩擦面（即動(dòng)密封面），而金屬漲圈與端蓋內(nèi)表面緊密貼合，構(gòu)成阻礙液壓油泄漏的次密封面（即靜密封面）[2]。如圖3所示。金屬漲圈選用鉻鉬合金鑄鐵材料，其內(nèi)含有鉻、錳、鉬、硅等元素，因而，它的耐磨損性和耐高溫性都比較好。

圖2　液壓旋轉(zhuǎn)密封裝置

圖3　金屬漲圈工作示意圖

2　液壓離合器旋轉(zhuǎn)密封裝置的性能分析

據(jù)前所述，液壓離合器的旋轉(zhuǎn)密封裝置應(yīng)按中高速、高壓的特點(diǎn)采用金屬漲圈，結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)如圖2所示。其性能主要從耐泄漏性與耐磨損性兩個(gè)方面分析。

2.1耐泄漏性

金屬漲圈接觸式密封裝置的泄漏主要包括：

（1）主密封摩擦面上不連續(xù)的環(huán)狀間隙。

（2）次密封靜止面上不連續(xù)的環(huán)狀間隙。

（3）金屬漲圈切口間隙。

由于影響密封裝置泄漏的有上述的原因，還有液壓油的性能、工作壓力等等，所以泄漏量至今還沒有一個(gè)較為精確的計(jì)算方法[2]。在選定的密封結(jié)構(gòu)形式下，只有通過試驗(yàn)才能較為準(zhǔn)確的測定靜態(tài)與動(dòng)態(tài)下的泄漏量與壓力的變化關(guān)系。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)按照離合器軸的轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min和液壓油的溫度在常溫的工況下進(jìn)行。液壓油工作壓力從0.4 MPa開始逐漸遞增0.2 MPa直至2 MPa.每階段液壓油工作壓力下進(jìn)行5 min運(yùn)轉(zhuǎn)，并記錄相對應(yīng)的泄漏量。靜態(tài)試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)除離合器軸的轉(zhuǎn)速為零外，其它相同。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后得到的結(jié)果如圖4所示，即動(dòng)態(tài)與靜態(tài)泄漏量都隨工作壓力加大而增多，動(dòng)態(tài)耐泄漏性優(yōu)于靜態(tài)耐泄漏性。

圖4　泄漏量與工作壓力的關(guān)系圖

2.2耐磨損性

離合器軸與金屬漲圈具有相對運(yùn)動(dòng)的接觸摩擦面會(huì)產(chǎn)生磨損。這種磨損直接影響該密封的工作的可靠性及壽命。耐磨試驗(yàn)按照離合器軸的轉(zhuǎn)速1 500 r/min、液壓油工作壓力1.5 MPa和液壓油的溫度在常溫的工況下進(jìn)行。每工作4 h后，使用千分尺測量金屬漲圈磨損量，并記錄。經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，金屬漲圈斷面的磨損量如圖5所示。

圖5　磨損量與時(shí)間的關(guān)系

通過磨損量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：

（1）金屬漲圈開始磨損量較小，磨損速度較緩慢（即耐磨損性好），經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后磨損速度較快（即耐磨損性差）。

（2）雖然金屬漲圈有磨損但是磨損量比較小。仍然有較厚的表面處理層，因此比較耐磨，使用時(shí)間較長，這種密封具有較好的使用壽命。

3　結(jié)束語

在坑道鉆機(jī)離合器的液壓旋轉(zhuǎn)密封采用這種金屬漲圈接觸式密封設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)考核和運(yùn)行使用證

明其密封效果能滿足技術(shù)要求。這種密封技術(shù)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，適用要求高的場合。液壓油既可以冷卻，也可以潤滑金屬漲圈，進(jìn)一步改善了其密封的工作性能。通過這次的設(shè)計(jì)和使用，使對這種密封技術(shù)有了進(jìn)一步的掌握，同時(shí)也證明了這種密封技術(shù)可以運(yùn)用在坑道鉆機(jī)離合器上。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].第3卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]曹月德，吳寧興.金屬漲圈接觸式密封[J].流體工程，1985，（04）：23.

中圖分類號:TB42

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0090-02

收稿日期：2016-01-08

作者簡介：沈璽（1981-），男，江蘇人，研究生，工程師，主要從事產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)研究；宋小青（1981-），女，江西人，研究生，工程師，主要從事產(chǎn)品工藝研究。

Tunnel Drilling Rig Hydraulic Clutch Rotating Seal Design

SHEN Xi1，SONG Xiao-qing2
（1.Zhejiang Hang Drilling Machinery Manufacturing Limited by Share Ltd，Hangzhou Zhejiang 3100002，China；Zhejiang Construction Machinery Group Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310000，China）

Abstract:This paper according to the tunnel drilling rig hydraulic clutch hydraulic rotating channel seal design requirements，to the use of the structure，sealing principle，performance evaluation，material selection were analyzed and discussed.

Key words:drilling rig；rotary seal；design