凝汽器在線清洗機(jī)器人的水下旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封設(shè)計(jì)*

王 成，顧 萍，張 瑞，禹建勇

(1.南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211102； 2.南京拓耘達(dá)智慧科技有限公司，江蘇 南京 211102；3.江蘇省熱工過(guò)程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211102)

0 引 言

在凝汽器長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，凝汽器冷凝管內(nèi)壁因水質(zhì)和溫度等原因會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢現(xiàn)象，從而使凝汽器傳熱性能下降[1]。因此，為了提高冷凝管的熱傳導(dǎo)性電廠必須對(duì)冷凝管進(jìn)行定期的清洗。凝汽器在線清洗機(jī)器人是用于火電廠凝汽器清洗的一種自動(dòng)化裝置，其通過(guò)機(jī)械臂引導(dǎo)高壓水管對(duì)準(zhǔn)每根冷凝管，絞盤(pán)控制高壓水管收放，并利用高壓水管進(jìn)入冷凝管內(nèi)清洗[2]。因機(jī)械臂長(zhǎng)期置于水室中運(yùn)行，內(nèi)部有伺服電機(jī)、絕對(duì)編碼器等精密電氣部件，故防水密封尤為重要 。

凝汽器清洗機(jī)器人機(jī)械臂的密封分為靜密封和動(dòng)密封兩種，靜密封相對(duì)容易解決，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)密封為難點(diǎn)。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸孔間存在配合間隙，就會(huì)產(chǎn)生泄露。且水室中的循環(huán)水多取自江河水，部分為海水，水介質(zhì)中的氯離子、微生物等產(chǎn)生的腐蝕作用，以及硬質(zhì)雜質(zhì)如泥沙等產(chǎn)生的磨損，均會(huì)影響機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封。目前，凝汽器在線清洗機(jī)器人機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)多采用機(jī)械密封。實(shí)際應(yīng)用中，使用機(jī)封的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)行約兩年便會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部進(jìn)水，導(dǎo)致電機(jī)損壞等故障。為解決機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)水問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)出一種組合密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗(yàn)證滿足凝汽器在線清洗機(jī)器人機(jī)械臂在水室環(huán)境中的長(zhǎng)期密封。

圖1 凝汽器在線清洗機(jī)器人

1 機(jī)械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凝汽器在線清洗機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)合為可能有海水倒灌、含泥沙的水室，部分為氯離子濃度≤20 g/L的海水水室，含固量為10%。水室中定期會(huì)添加阻垢劑等酸性或堿性溶劑。水下壓力小于0.6 MPa，溫度：5～55 ℃。機(jī)械臂兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大限制為100 r/min,減速比分別為：242.1,150.1，即第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速<0.41 r/min，第二關(guān)節(jié)<0.66 r/min。機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)幅度正反均<180°。密封要求內(nèi)部水位不得到達(dá)電機(jī)位置，壽命為8年。

目前采用的機(jī)械密封型式，其密封端面之間有垂直于軸線的相對(duì)滑動(dòng)，在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的作用下始終保持貼合，端面之間始終維持一層薄的液體膜來(lái)輔助密封[3]。但是，凝汽器水室中壓力不超過(guò)0.6MPa為低壓，線速度很低僅0.023m/s，密封端面液膜不易形成和維持，可能導(dǎo)致干摩擦，加劇密封端面的磨損。而且由于潤(rùn)滑液膜的存在，密封端面間始終維持一定的間隙，同時(shí)流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的不平衡也會(huì)造成端面打開(kāi)，導(dǎo)致介質(zhì)中的顆粒狀物進(jìn)入密封面，加劇磨損造成密封失效。此外，安裝不良、摩擦副端面形成水垢、振動(dòng)等因素均可能導(dǎo)致泄露。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)密封方式除機(jī)械密封外，還有多種其他的密封方式，如：O型圈密封、O形圈與聚四氟乙烯滑環(huán)組合密封、迷宮密封、磁流體密封等。這些密封各有優(yōu)缺點(diǎn)，其比較見(jiàn)表1。[4]凝汽器在線清洗機(jī)器人機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封介質(zhì)為水，故磁流體密封方式不適用。迷宮密封適用于高轉(zhuǎn)速密封且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而機(jī)械臂轉(zhuǎn)速很低，故也不作為考慮。組合密封因其結(jié)合了聚四氟乙烯自潤(rùn)滑及O形圈的彈性補(bǔ)償作用，在旋轉(zhuǎn)密封中使用較廣，但一般結(jié)構(gòu)尺寸小，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)直徑達(dá)到200 mm以上，沒(méi)有適用規(guī)格；且組合密封對(duì)軸的硬度要求較高，旋轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)了之后軸上磨損會(huì)導(dǎo)致泄露。O形圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安裝方便、應(yīng)用范圍廣。凝汽器在線清洗機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速低，密封壓力小，故首先考慮O形圈方式作為凝汽器在線清洗機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)密封方式。

表1 動(dòng)密封方式比較[4]

為保證密封的可靠性，采用雙O形圈密封，且兩O形圈溝槽中間設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)油槽，裝配時(shí)在其中填充潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂采用防水密封潤(rùn)滑脂，是一種高粘附性防水密封硅脂，具有抗腐蝕性，同時(shí)具備潤(rùn)滑和輔助密封作用。

由于水室中的水介質(zhì)中含有泥沙，故主密封外需增加一道保護(hù)密封用來(lái)?yè)跄嗌场Ｒ话闱闆r下?lián)跄嗌巢捎妹珰置芊?，但機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)尺寸相對(duì)較大，毛氈斜切口的銜接有泄露的風(fēng)險(xiǎn)。故采用PTFE密封環(huán)作為保護(hù)密封。PTFE密封環(huán)采用PTFE添加20%的碳纖提高耐磨性，外圈與殼體之間為過(guò)盈配合，內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)軸配合，密封面涂抹防水密封潤(rùn)滑脂。密封截面為矩形，在運(yùn)動(dòng)的接觸表面加開(kāi)了兩個(gè)儲(chǔ)油槽，在減小接觸面積的基礎(chǔ)上儲(chǔ)油槽內(nèi)部油脂起潤(rùn)滑作用，降低摩擦阻力。PTFE即聚四氟乙烯，其摩擦系數(shù)低，可自潤(rùn)滑，適用于旋轉(zhuǎn)、搖擺、往復(fù)運(yùn)動(dòng)[7]。

如圖2所示，即為本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)密封關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，使用雙O型圈作為主要密封，PTFE環(huán)阻擋泥沙、保護(hù)O型圈密封，同時(shí)設(shè)置油槽填充密封潤(rùn)滑脂。

圖2 密封關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 O型圈理論計(jì)算

O型圈密封雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便且成本低，但容易出現(xiàn)啟動(dòng)摩擦阻力大、摩擦生熱等問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，O型圈受熱膨脹導(dǎo)致和軸之間的抱緊力加大，產(chǎn)生“卡夫-焦耳效應(yīng)”，從而加劇旋轉(zhuǎn)軸的磨損最終可能會(huì)磨出一條溝槽導(dǎo)致泄漏[5-6]。故設(shè)計(jì)時(shí)在保證足夠的密封面接觸壓力的基礎(chǔ)上，盡量使O型圈內(nèi)徑與旋轉(zhuǎn)軸外徑之間接觸減少，減小摩擦力。故采取外徑壓縮量的設(shè)計(jì)方法， O形圈外徑大于密封溝槽的內(nèi)徑，控制外徑壓縮率3%～8%[5];O形圈的內(nèi)徑稍大于旋轉(zhuǎn)軸的軸徑以減少抱緊力；同時(shí)密封面涂抹潤(rùn)滑脂，避免干摩擦，減緩了這種磨損的惡性循環(huán)，同時(shí)摩擦阻力減小?？紤]到O型圈本身的尺寸精度，應(yīng)盡量選擇截面直徑較大的O形圈。同時(shí)，選擇較高硬度的O形圈，以邵氏硬度HS70～80為宜。根據(jù)凝汽器水室的循環(huán)水環(huán)境以及密封壽命要求，O形圈材質(zhì)取氟橡膠材質(zhì)，硬度為HS75，其耐海水腐蝕性基本同丁晴橡膠，但耐化學(xué)腐蝕性及耐候性及耐老化性能優(yōu)于丁晴橡膠，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性達(dá)20年。除此之外，應(yīng)盡量選用分型飛邊不明顯的或者45°分型的O形圈，避免凸起的分型線加劇軸的“卡夫-焦耳效應(yīng)”。

圖3 O型圈參數(shù)說(shuō)明

如圖3所示，在旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封中，O形圈外徑壓縮率W通常用以下公式求出：

其中：D2為O形圈在自由狀態(tài)下的實(shí)際外徑(mm)，D1為O形圈溝槽底直徑(mm)。以機(jī)械臂一關(guān)節(jié)為例，進(jìn)行O形圈設(shè)計(jì)計(jì)算，一關(guān)節(jié)軸徑設(shè)計(jì)為D=φ266mm，O形圈內(nèi)徑d1比軸徑大3%～5%，取d1=φ276； O形圈截面直徑為φ7，故O形圈外徑D2=φ290；外徑壓縮率要求取3%～8%，取溝槽底徑D1=278，此時(shí)溝槽底距軸距離H>標(biāo)準(zhǔn)O形圈槽深，即O形圈截面壓縮比一般情況小。考慮加工公差，外徑壓縮量校核亦滿足3%～8%范圍內(nèi)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述密封結(jié)構(gòu)用于凝汽器在線清洗機(jī)器人機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的實(shí)際效果，按照一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及尺寸制作如圖4、5所示工裝進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 測(cè)試工裝結(jié)構(gòu) 圖5 測(cè)試工裝外觀

外殼腔體內(nèi)注滿水，模擬水室環(huán)境添加10%泥沙，添加鹽使氯離子濃度為20 g/L，加壓達(dá)0.6 MPa并保壓。機(jī)械臂運(yùn)行1年清洗20次，清洗一根冷凝管1 min，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)5 s，按10 000根冷凝管計(jì)算，清洗一次約7天，則8年大臂關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為8×20×7×24×5/60=2 240 h。為縮短測(cè)試周期提高至4倍轉(zhuǎn)速測(cè)試，運(yùn)行560 h即滿足8年密封壽命。

560 h后測(cè)試結(jié)果如圖6、7所示，內(nèi)部保持無(wú)可見(jiàn)液態(tài)水，泥沙堆積在密封結(jié)構(gòu)外。測(cè)試過(guò)程中對(duì)摩擦阻力矩進(jìn)行監(jiān)控，如圖8所示，力矩值比較穩(wěn)定。

圖6 試驗(yàn)后腔體內(nèi)干燥 圖7 密封結(jié)構(gòu)外部泥沙

圖8 試驗(yàn)過(guò)程摩擦阻力監(jiān)控曲線

壽命測(cè)試完成后，該密封測(cè)試工裝繼續(xù)測(cè)試?yán)塾?jì)1 200 h，超2倍壽命，依舊保持內(nèi)部干燥，無(wú)可見(jiàn)液態(tài)水。

3 結(jié) 語(yǔ)

驗(yàn)證結(jié)果表明，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護(hù)密封及防水密封潤(rùn)滑脂，形成組合密封方案適用于凝汽器在線清洗機(jī)器人使用工況，在對(duì)應(yīng)的速度、壓力下可實(shí)現(xiàn)有效密封，真正實(shí)現(xiàn)零泄露。同時(shí)，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆裝、便于維護(hù)，目前該結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用到海水型凝汽器在線清洗機(jī)器人產(chǎn)品中。