選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

李元新

（沈陽(yáng)遠(yuǎn)大鋁業(yè)工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

我國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó)，為了提高我國(guó)在世界組織上的地位與競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)礦產(chǎn)資源的開采量，以提高選礦質(zhì)量，帶動(dòng)我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在此種社會(huì)發(fā)展背景下，有關(guān)技術(shù)單位設(shè)計(jì)了針對(duì)礦區(qū)的選礦設(shè)備，為了方便后期的使用與維修，選擇密封軸承結(jié)構(gòu)作為設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)[1]。通常情況下，密封結(jié)構(gòu)可被劃分為接觸式密封結(jié)構(gòu)與非接觸式密封結(jié)構(gòu)，前者存在啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)力軸距大的問題，即啟動(dòng)設(shè)備需要耗費(fèi)較多的能源，而后者存在密封性能差、使用時(shí)存在漏脂現(xiàn)象的問題，總之，現(xiàn)如今常用的軸承密封結(jié)構(gòu)均無(wú)法滿足礦產(chǎn)行業(yè)對(duì)于選礦設(shè)備應(yīng)用提出的問題[2]。甚至?xí)趯?shí)際使用中，為采礦技術(shù)人員帶來(lái)一些不必要的麻煩。但優(yōu)化改造結(jié)構(gòu)需要耗費(fèi)的成本或資金較大，我國(guó)一直沒有相關(guān)研究單位對(duì)此方面的工作進(jìn)行組織，因此，有必要對(duì)選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此種方式，提高設(shè)備在使用中發(fā)揮的效果，從而為我國(guó)礦山工程的有序?qū)嵤┨峁┲笇?dǎo)，避免由于選礦設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的問題，導(dǎo)致礦山工程的實(shí)施受到抑制。

1 選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)模型

對(duì)于選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)而言，其密封面的內(nèi)側(cè)和外側(cè)都會(huì)形成接觸應(yīng)力峰值，并且內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力的峰值應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外側(cè)應(yīng)接觸應(yīng)力的峰值，以此才能夠確保多余的潤(rùn)滑脂不會(huì)進(jìn)入到密封結(jié)構(gòu)當(dāng)中，影響結(jié)構(gòu)的密封效果。因此，綜合上述分析，將密封結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力峰值Tnmax和外側(cè)接觸應(yīng)力峰值Twmax作為本文優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中的主要優(yōu)化參數(shù)[3]。同時(shí)，在選礦設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中，由于軸承密封結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力的分布呈現(xiàn)出中間應(yīng)力值低于兩側(cè)應(yīng)力值的現(xiàn)象，會(huì)引起密封結(jié)構(gòu)失去原本的密封性能，而實(shí)際密封區(qū)域會(huì)比理想狀態(tài)下更小。因此，對(duì)于軸承密封面之間的最小接觸應(yīng)力Tmin進(jìn)行調(diào)節(jié)。若Tmin能夠獲得一個(gè)相對(duì)較大的數(shù)值，則能夠進(jìn)一步提高軸承結(jié)構(gòu)的密封效果。

綜合選礦設(shè)備實(shí)際應(yīng)用效果，選擇將軸承密封結(jié)構(gòu)靜環(huán)與動(dòng)環(huán)密封面之間的寬度、傾斜面角度以及入角徑向長(zhǎng)度作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要變量，構(gòu)建如公式（1）所示的選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)模型。

公式（1）中，x1表示為軸承密封結(jié)構(gòu)靜環(huán)與動(dòng)環(huán)密封面之間的寬度；x2表示為軸承密封結(jié)構(gòu)靜環(huán)與動(dòng)環(huán)密封傾斜面角度；x3表示為軸承密封結(jié)構(gòu)靜環(huán)與動(dòng)環(huán)密封傾斜面入角徑向長(zhǎng)度；f1、f2和f3分別表示為上述三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)[4]。對(duì)于多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化而言，為了方便后續(xù)實(shí)現(xiàn)，需要將其轉(zhuǎn)換為單一目標(biāo)的優(yōu)化問題，因此本文采用線性加權(quán)法對(duì)上述多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出如公式（2）所示的單一總目標(biāo)函數(shù)：

公式（2）中，a1表示為密封結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力峰值Tnmax的加權(quán)系數(shù)；a2表示為密封結(jié)構(gòu)外側(cè)接觸應(yīng)力峰值Twmax的加權(quán)系數(shù)；a3表示為密封結(jié)構(gòu)密封面之間的最小接觸應(yīng)力Tmin的加權(quán)系數(shù)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三種不同優(yōu)化目標(biāo)重要性的描述，可通過公式（3）表達(dá)式表示：

公式（3）中，i表示為上述總目標(biāo)函數(shù)當(dāng)中某一目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，通過計(jì)算得出ai，利用該數(shù)值對(duì)各個(gè)單一優(yōu)化目標(biāo)對(duì)整個(gè)多目標(biāo)問題當(dāng)中的重要程度進(jìn)行表示，并以此對(duì)三個(gè)不同優(yōu)化目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行排序，選擇出影響選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)的密封性能最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并以此為后續(xù)基于遺傳算法的多目標(biāo)密封結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2 基于遺傳算法的多目標(biāo)密封結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

在對(duì)選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，利用遺傳算法對(duì)多目標(biāo)密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其運(yùn)算流程如圖1所示。

圖1 基于遺傳算法的多目標(biāo)密封結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化流程

將通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得出的映射函數(shù)作為遺傳算法當(dāng)中的適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算出選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，三個(gè)接觸位置的應(yīng)力值大小，并對(duì)圖1流程中的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置在參數(shù)優(yōu)化求解過程中群體大小為60，遺傳代數(shù)為150代，交叉率為85%，變異率為1%。將本文上述構(gòu)建的選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)，并利用線性加權(quán)法對(duì)其進(jìn)行求解[5]。由于在選礦設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中，軸承密封結(jié)構(gòu)的各個(gè)單目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)關(guān)系無(wú)法確定，因此需要對(duì)單目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行模糊處理。由于權(quán)重發(fā)生改變時(shí)，總目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值變化幅度不明顯，因此說明加權(quán)系數(shù)的變化對(duì)于最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)的影響較小，因此考慮到上述三種單目標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的影響程度，假設(shè)單目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)為A1，A2和A3，則取總目標(biāo)的加權(quán)系數(shù)為A1=A2= A3=1/3。

按照上述優(yōu)化流程，當(dāng)完成60次遺傳迭代后，選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)的密封面上內(nèi)側(cè)最大接觸應(yīng)力的最小值、外側(cè)最大基礎(chǔ)應(yīng)力最大值都達(dá)到了最優(yōu)值。而在完成規(guī)定的60次遺傳迭代次數(shù)后，總目標(biāo)函數(shù)的解沒有發(fā)生較大變化，并逐漸趨于穩(wěn)定。因此，說明在第60次遺傳迭代得出的結(jié)果，即為最優(yōu)選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

本文以選礦設(shè)備當(dāng)中常見的6314系列產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品在優(yōu)化前密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈外徑為直臺(tái)式密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前6314系列選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其密封性能會(huì)直接影響軸承零部件的加工精度以及密封圈的質(zhì)量。當(dāng)前該系列選礦設(shè)備存在防塵、抗漏脂性能差的問題。對(duì)此，本文引入上述提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，對(duì)該設(shè)備的軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后內(nèi)圈外徑帶牙槽式密封結(jié)構(gòu)具有良好的密封性，并且不論述軸承內(nèi)部，或是軸承外部都不存在油脂漏出或灰塵進(jìn)入的現(xiàn)象。為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化前后密封結(jié)構(gòu)的性能，選擇在高壓工況條件下，通過增加軸承運(yùn)行速度，對(duì)其最大溫升進(jìn)行記錄，如表1所示。

表1 優(yōu)化前后不同軸承轉(zhuǎn)速條件下最大溫升變化表

從表1中可以看出，優(yōu)化前軸承密封結(jié)構(gòu)隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大溫升也不斷增加，并且增加幅度明顯，而優(yōu)化后軸承密封結(jié)構(gòu)的最大溫升雖然也隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，但增加幅度較小。在高壓工況條件下，出現(xiàn)最大溫升增加的主要原因是動(dòng)靜環(huán)之間的接觸應(yīng)力增加，進(jìn)而造成密封面的摩擦熱產(chǎn)生，從而使得最大溫升增加，若增加幅度過大，則會(huì)造成軸承密封結(jié)構(gòu)失去密封效果。因此，從表1當(dāng)中的數(shù)據(jù)得出，優(yōu)化后的軸承密封結(jié)構(gòu)最大溫升的上升幅度緩慢，能夠保證軸承結(jié)構(gòu)具有良好的密封性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過本文上述論述，針對(duì)當(dāng)前選礦設(shè)備軸承密封性差的問題，提出了一種全新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)例分析證明了該優(yōu)化思路的可行性。本文雖然對(duì)選礦設(shè)備軸承密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，但由于研究能力有限，文章中還存在一些方面不足，例如本文僅針對(duì)軸承密封結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)下進(jìn)行了性能分析，在今后的研究中還將建立針對(duì)選礦設(shè)備軸承結(jié)構(gòu)偏載和振動(dòng)工況下的分析模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的全面分析，提出更加符合實(shí)際工況的密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。