GK密煉機油缸直接液壓密封結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵件應(yīng)力分析

孫慶偉，劉冰，崔浩森，佘海斌

（益陽橡膠塑料機械集團有限公司，湖南 益陽 413000）

GK密煉機油缸直接液壓密封結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵件應(yīng)力分析

孫慶偉，劉冰，崔浩森，佘海斌

（益陽橡膠塑料機械集團有限公司，湖南 益陽 413000）

著重對GK型密煉機油缸直接液壓軸端密封結(jié)構(gòu)進行分析，對比外壓軸端機械密封，顯示了液壓密封柔性特點。介紹了密封軸端壓力的計算方法，并對液壓密封關(guān)鍵件——靜耐磨環(huán)做了應(yīng)力分析。

密煉機；油缸；圓耐磨板；動耐磨環(huán)；應(yīng)力分析

密煉機的煉膠過程是在密閉的空間進行，轉(zhuǎn)子對膠料的剪切、擠壓以及壓砣對膠料的加壓等作用使密煉室內(nèi)形成較高壓力。由于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸頸和密煉室側(cè)壁存在環(huán)形間隙，所以必須采用專門的轉(zhuǎn)子軸端密封裝置來阻止密煉室內(nèi)物料外泄。

1　GK密煉機的軸端密封

GK型密煉機的軸端密封通常采用接觸式端面密封的工作原理。有一對相對滑動的耐磨環(huán)，即動環(huán)和靜環(huán)組成的平面摩擦副。通過作用力使動環(huán)和靜環(huán)緊密貼合。端面間維持一層極薄的液體膜，具有流體動壓力和靜壓力，起著潤滑和平衡壓力的作用，從而達到密封的目的。另外，在密封端前面位置，通過注入高壓密封油將外泄粉塵等黏結(jié)、稀釋。形成一道初始密封。

2　GK型密煉機常用軸端密封形式

根據(jù)動靜耐磨環(huán)的作用力施加方式不同，GK型密煉機常用的轉(zhuǎn)子軸端密封形式有機械密封和液壓密封。在機械密封中使動靜環(huán)貼近的力為彈簧力。在液壓密封中使動靜耐磨環(huán)貼緊的力由液壓油缸提供。根據(jù)液壓油缸的作用位置不同分為撥叉式和油缸直接作用式。機械密封屬于剛性密封，而液壓密封屬于柔性密封，液壓油缸壓力大小由混煉室內(nèi)物料對密封端面壓力大小決定。液壓系統(tǒng)可以設(shè)定最大壓力。國內(nèi)對GK密煉機軸端密封形式介紹文章很多，但對一種形式做專門研究的卻很少。本文將專門對液壓油缸直接密封形式做結(jié)構(gòu)分析和關(guān)鍵件的應(yīng)力分析。

3　GK型密煉機油缸直接液壓密封結(jié)構(gòu)形式

本密封形式由圓耐磨板、動耐磨環(huán)、靜耐磨環(huán)、剖分式壓環(huán)、支座、扇形板、密封油缸、彈簧、彈簧座、壓板等組成，如圖1所示。

具體的工作原理：整個轉(zhuǎn)子端面密封裝置位于轉(zhuǎn)子通道處，設(shè)計方式為剖分式，每個密封環(huán)上有三個彈簧加載，為靜環(huán)和動環(huán)密封提供初始預(yù)緊力。預(yù)緊力的大小可以通過調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)，直到動靜密封環(huán)緊密貼合。每個密封環(huán)上有三個液壓油缸，在密煉機工作時提供密封壓力。密封壓力可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)，主系統(tǒng)壓力最大值一般設(shè)定為20 MPa，軸端密封端面壓力最大值一般為5～6 MPa。剖分式設(shè)計靜耐磨環(huán)容易迅速更換，不必拆卸密煉機上的其他部件。密封環(huán)上設(shè)計有PT100溫度檢測裝置，溫度檢測結(jié)果顯示在主機觸摸屏上。動靜密封環(huán)摩擦面潤滑油由靜環(huán)注入，而且設(shè)計有單向閥，系統(tǒng)可以自動控制潤滑油的流入。

圖1　密煉機油缸直接密封結(jié)構(gòu)圖

在動耐磨環(huán)和靜耐磨環(huán)之間有環(huán)形通道，油粉混合物在此通道內(nèi)堆積可以加強端面密封的效果。

3.1圓耐磨板

圓耐磨板如圖2所示，主要由左右耐磨板和蓋板，以及中間隔板等組成。

圖2　圓耐磨板

耐磨板和蓋板開弧形大坡口，并用二氧化碳氣體保護焊接方式焊接在一塊。焊接完成后對蓋板進行粗加工，留出堆焊合金的余量。在蓋板上堆焊合金后對圓耐磨板進行精加工。加工完成后用硬度計檢測耐磨板合金硬度，應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。工作時耐磨板與膠料接觸的部位均堆焊了硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金具有較高的屈服強度和硬度，因而具有較高的耐磨性和耐腐蝕性，提高耐磨板使用壽命。

3.2靜耐磨環(huán)

靜耐磨環(huán)如圖3所示。

圖3　靜耐磨環(huán)

靜耐磨環(huán)為剖分式結(jié)構(gòu)，上下兩部分通過錐銷和螺釘結(jié)合在一起，以達到整體有足夠的屈服強度，工作時不易變形。材料為銅合金，一般為鋁青銅。由于動環(huán)表面堆焊了硬質(zhì)合金，所以此種材料與動環(huán)相比更易磨損，短期維修只更換靜耐磨環(huán)即可。靜耐磨環(huán)和壓環(huán)通過螺釘固定在一起，三組彈簧提供了靜環(huán)和動環(huán)之間的初始預(yù)緊力，使動環(huán)和靜環(huán)的結(jié)合面在工作之前就均勻的貼合在一起。預(yù)緊力的大小通過頂在彈簧座上的螺釘來進行調(diào)節(jié)。

3.3動耐磨環(huán)

動耐磨環(huán)如圖4所示。

圖4　動耐磨環(huán)

動耐磨環(huán)為剖分式結(jié)構(gòu)，上下兩部分通過錐銷和螺釘結(jié)合在一起，以達到整體有足夠的屈服強度，工作時不易變形。動耐磨環(huán)和靜耐磨環(huán)表面堆焊了一層硬質(zhì)合金，合金厚度一般大于4 m，硬度一般大于HRc45。所以和靜環(huán)相比，不易磨損，只需在大修時更換即可。動耐磨環(huán)通過高強度螺釘固定在轉(zhuǎn)子端面上，和轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。在動環(huán)和轉(zhuǎn)子的結(jié)合面處安裝有密封圈，可以起到密封作用，防止轉(zhuǎn)子的冷卻水外泄。

3.4壓環(huán)、支座、扇形板、壓板、彈簧座、彈簧

壓環(huán)和靜耐磨環(huán)固定在一起，起到固定支承的作用，預(yù)緊力和液壓油缸壓力通過壓環(huán)作用在靜環(huán)和動環(huán)的結(jié)合面上。壓環(huán)為剖分式設(shè)計，便于迅速維修安裝。支座固定在耐磨板上，扇形板通過銷子和螺釘固定在支座上。液壓密封油缸通過螺紋連接固定在扇形板上，油缸活塞桿頂住壓環(huán)，在密封工作時提供液壓密封壓力。

壓板、彈簧座、彈簧、定位桿、調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成為動靜密封環(huán)提供初始預(yù)緊力的設(shè)計。定位桿通過螺紋聯(lián)接固定在壓環(huán)上，彈簧套在定位桿上，彈簧座對彈簧起到定位作用。壓板通過銷子和螺釘固定在扇形板上，壓板頂住彈簧座。通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)彈簧壓縮量，從而調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力。

4　液壓密封關(guān)鍵件的應(yīng)力分析

GK型系列密煉機液壓密封的型號很多，本文以其中一種型號為例對液壓密封的關(guān)鍵件進行應(yīng)力有限元分析。此有限元分析基于Ansys應(yīng)力分析軟件。

密封系統(tǒng)的關(guān)鍵件主要有耐磨板，動耐磨環(huán)、靜耐磨環(huán)等。耐磨板直接固定在兩邊軸承座上，混煉時膠料對耐磨板有力的作用，一般強度足夠。現(xiàn)在生產(chǎn)的密煉機密封方面出現(xiàn)最多的問題為漏粉、漏膠等。而出現(xiàn)這一問題的根源為動靜耐磨環(huán)結(jié)合面出現(xiàn)問題，一般為動靜耐磨環(huán)受力不均勻，從而使動靜耐磨環(huán)磨損不均勻，以致出現(xiàn)漏粉、漏膠現(xiàn)象。所以本文應(yīng)用有限元分析軟件，對靜耐磨環(huán)進行應(yīng)力分析，以使液壓密封設(shè)計更加合理。

4.1確定密封軸端壓力的方法

作為保證可靠密封功能的重要條件，要防止密封圈開啟，這就意味著液壓缸對密封面的壓力必須不小于混煉室內(nèi)物料對密封端面壓力。

一方面，必須保證可靠的密封，另一方面，表面壓力應(yīng)當(dāng)盡量減小以降低密封圈的磨損。為此，必須知道混煉室對密封圈端面產(chǎn)生壓力有多大，獲得密封端面壓力數(shù)據(jù)通過以下方法。

首先通過理論分析確定轉(zhuǎn)子端面產(chǎn)生的壓力。膠料在轉(zhuǎn)子上不僅會隨轉(zhuǎn)子做圓周運動，同時轉(zhuǎn)子的螺旋突棱對物料產(chǎn)生軸向推移作用，因此膠料還會沿軸向運動。由螺旋突棱受力分析可以看出，突棱螺旋升角不同，其作用也不同。這樣膠料在轉(zhuǎn)子軸向往復(fù)移動就形成了切割捏煉作用。

每個轉(zhuǎn)子都有方向不同，長短不一的螺旋棱。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子螺旋棱表面對膠料產(chǎn)生一個垂直作用力P,這個力可分解為軸向力Px和圓周力Pa。如下圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)子受力圖

圓周力Pa使膠料繞轉(zhuǎn)子徑向移動：Pa=Pcosα

軸向力Px使膠料沿轉(zhuǎn)子軸向移動：Px=Psinα

因為膠料與轉(zhuǎn)子表面的摩擦力T阻止膠料軸向移動，故要使膠料產(chǎn)生軸向移動的條件是： Px>Tx

Ф為膠料與轉(zhuǎn)子金屬表面的摩擦角，隨膠料溫度變化而變化。

從試驗得知，膠料與金屬表面的摩擦角Ф=37～38°。這樣即可得出膠料在轉(zhuǎn)子上的運動情況為：在轉(zhuǎn)子長螺旋段，由于α<Ф，即PxФ，即Px>Tx。因此膠料產(chǎn)生軸向移動，對膠料往復(fù)切割。由于一對轉(zhuǎn)子的螺旋長段和短段是相對安裝的，從而促使膠料從轉(zhuǎn)子一端移向另一端。

轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的固定環(huán)上裝置了壓力傳感器，這一傳感器可以提供混煉過程中混煉室中產(chǎn)生的壓力信息。壓力生成包括兩部分，一部分起因于混煉室中壓力上升;另一部分起因于轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的位移。因此，可以區(qū)分為軸向產(chǎn)生的壓力和徑向產(chǎn)生的壓力。

軸向產(chǎn)生的壓力首先起因于上頂栓降下造成的壓力上升。另外，由于物料沿轉(zhuǎn)子軸向移動提高了對密封系統(tǒng)加載的力。為了防止轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)開啟，端面壓力必須不小于軸向產(chǎn)生的壓力。

試驗表明在上頂栓下降到低端時，混煉室內(nèi)壓力變化頻率比較大。機械式密封不能根據(jù)負(fù)載壓力的變化而變化，而液壓端面密封的液壓力能根據(jù)負(fù)載壓力的變化而變化。所以液壓端面密封的柔性更好。

4.2靜耐磨環(huán)應(yīng)力分析

對靜環(huán)的的應(yīng)力分析，主要是分析靜環(huán)隨端面壓力增加過程中應(yīng)力變化情況，用上述方法太過復(fù)雜，且數(shù)據(jù)只能通過試驗獲得。所以本分析將通過密封油缸壓力計算出一組密封端面理論作用力，對靜環(huán)做簡單的應(yīng)力分析。密封油缸工作壓力為0～6 MPa之間.根據(jù)密封油缸壓力和彈簧預(yù)緊力計算出一組密封端面壓力，利用應(yīng)力分析軟件求出了相對應(yīng)的靜環(huán)等效應(yīng)力最大值，如表1所示。

表1　端面壓力和等效應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系

以表1為基礎(chǔ)可以分析出密封端面壓力和靜環(huán)等效應(yīng)力的關(guān)系如下圖6所示?？梢钥闯鰞烧咧g的關(guān)系基本為線性關(guān)系。隨著密封端面壓力的提高，靜環(huán)應(yīng)力也隨著增大。

圖6　靜環(huán)等效應(yīng)力分析圖

以表1中第三組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過Ansys應(yīng)力分析軟件做出的等效應(yīng)力如下圖7所示。

圖7 靜耐磨環(huán)等效應(yīng)力

通過對靜環(huán)應(yīng)力分析可以看出，靜環(huán)所承受的應(yīng)力隨著密封端面壓力的增大逐步增加，靜環(huán)的變形量也在逐漸增大。所以靜環(huán)所受摩擦力逐漸增加，靜環(huán)隨著密封端面壓力的增加，磨損速度逐漸增加，更換頻率也相應(yīng)增大。

5　結(jié)論

液壓端面密封結(jié)構(gòu)主要有密封環(huán)和液壓缸組成。動環(huán)表面堆焊合金，不易更換；靜環(huán)為銅合金，磨損快，更換頻率大。通過對靜耐磨環(huán)應(yīng)力分析表明，隨著端面密封壓力的增加，靜環(huán)所受摩擦力加大，磨損加速。液壓缸壓力可根據(jù)密封端面壓力調(diào)節(jié)，液壓密封相對剛性機械密封，柔性增加。

[1]付瑞，汪傳生.密煉機隔塵密封裝置[J].世界橡膠工業(yè).2007.

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[3]沈涌清.解決密煉機軸端問題的新途徑[J].橡膠技術(shù)與裝備.2001.

（R-03）

Analysis of GK mixer hydraulic cylinder direct seal structure and key parts of stress

Analysis of GK mixer hydraulic cylinder direct seal structure and key parts of stress

Sun Qingwei,Liu Bing,Cui Haosen,She Haibin
(Yiyang Rubber Plastic Machinery Group Co., Ltd., Yiyang 413000,Hunan,China)

GK mixer hydraulic cylinder direct seal structure was analyzed emphatically and compared with outside end of mechanical seal, showing the characteristic of hydraulic seal fl exible. Introduced the pressure calculation method of shaft end sealing , and did stress analysison hydraulic seal key module - static wear ring.

mixer; oil cylinder; round wear resistant plate; dynamic wear ring; stress analysis

TQ330.492

1009-797X(2016)11-0055-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.11.015

孫慶偉（1982-），男，工程師，畢業(yè)于青島科技大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，主要從事橡膠機械設(shè)計工作，已發(fā)表論文兩篇。

2015-10-27