水平篩主軸密封研究及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

趙琴，孫濤，葉劍

（貴州成智重工科技有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

振動(dòng)篩作為機(jī)制砂石骨料加工工藝中系統(tǒng)核心篩分分級設(shè)備已獲得廣泛運(yùn)用，是決定產(chǎn)品級配穩(wěn)定、系統(tǒng)產(chǎn)能的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著砂石生產(chǎn)系統(tǒng)集成化、規(guī)?；陌l(fā)展趨勢，傳統(tǒng)圓振篩的處理量已無法滿足現(xiàn)代大型機(jī)制砂石生產(chǎn)線的加工工藝要求。為此，國內(nèi)陸續(xù)開發(fā)了具有振動(dòng)強(qiáng)度大、篩分篩率高、處理量大的水平篩[1]。水平篩的運(yùn)用，減少了砂石生產(chǎn)線的篩分設(shè)備數(shù)量，減少了占地面積，同時(shí)減少了皮帶機(jī)、除塵器等輔助裝備的數(shù)量，大幅度簡化了砂石生產(chǎn)系統(tǒng)流程，為砂石生產(chǎn)線的集成化發(fā)展提供了裝備技術(shù)保障。

但水平篩的優(yōu)秀的工作特性決定了其具有高振幅、高跳動(dòng)和大變形的特點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)振動(dòng)篩分設(shè)備，水平篩具有更高的振動(dòng)強(qiáng)度（約6 g），這給水平篩的主軸密封性能要求帶來了較大挑戰(zhàn)。如依然采用傳統(tǒng)的振動(dòng)篩主軸密封結(jié)構(gòu)，受裝配工藝、裝配環(huán)境及零件加工精度等多種客觀因素綜合影響，極易出現(xiàn)密封圈損壞、滲油甚至漏油問題。若未能及時(shí)維修更換，可引發(fā)軸承燒毀、齒輪打齒等故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備大修，嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營。

通過對工程中遇到的故障案例總結(jié)分析，開展了水平篩主軸密封技術(shù)研究，提出了優(yōu)化改進(jìn)方案[2]。發(fā)明了成本低、可靠性高的密封結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)密封技術(shù)存在的不足。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，設(shè)備使用壽命及可靠性獲得大幅提升。

1 水平篩傳統(tǒng)主軸密封技術(shù)

1.1 密封結(jié)構(gòu)與密封原理

水平篩的密封有箱體的密封和主軸的密封。箱體的密封件之間無相對運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的密封技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較好的密封效果。但主軸的密封因主軸和箱體之間存在相對運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的主軸密封技術(shù)已經(jīng)不適用于高振動(dòng)設(shè)備。

傳統(tǒng)振動(dòng)篩主軸密封裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由安裝座、骨架油封組成，通過雙唇形密封圈內(nèi)填充的高溫潤滑脂，利用高溫潤滑脂滴點(diǎn)高，黏度大的特性，實(shí)現(xiàn)潤滑油的密封。

圖1 水平篩傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)

1.2 傳統(tǒng)技術(shù)方案分析

1.2.1 油箱封板變形量檢測

主軸貫穿油箱，通過軸端皮帶輪，與電機(jī)通過帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)扭矩的傳遞。主軸與油箱的密封通過密封安裝座內(nèi)的唇形密封圈及內(nèi)注高溫潤滑脂實(shí)現(xiàn)。密封安裝座固定在由薄鋼板制作成的油箱封板上。主軸在周期性激振力作用下，在油箱安裝座周圍產(chǎn)生周期性交變應(yīng)力。通過對運(yùn)行一段時(shí)間后的水平篩油箱封板仔細(xì)觀察，軸承座周圍產(chǎn)生了較大程度的變形，間接影響了密封性能。

為研究水平篩油箱運(yùn)行一段時(shí)間后油箱封板的變形量，針對某項(xiàng)目水平篩運(yùn)行200 h后的油箱封板進(jìn)行了測量，測試采集點(diǎn)如圖2所示，測試結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明，沿著主軸徑向方向，油箱封板變形量逐漸遞減，最大變形量12 mm，遠(yuǎn)超正常變形范圍。油箱封板的變形，導(dǎo)致密封座的失穩(wěn)，影響了密封圈與主軸的貼合，降低密封性，設(shè)備運(yùn)行后稀油隨運(yùn)行時(shí)間溫度逐漸上升，高溫稀油大量進(jìn)入潤滑脂密封腔，稀釋潤滑脂，降低黏度，同時(shí)隨機(jī)體高頻往復(fù)振動(dòng)，潤滑脂密封腔內(nèi)的稀釋潤滑脂會(huì)排出濺落，影響主軸密封。

圖2 油箱封板變形量檢測區(qū)

表1 油箱封板變形量測量結(jié)果

1.2.2 主軸撓度的計(jì)算

主軸的結(jié)構(gòu)為懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂末端裝有皮帶輪，在三角帶的作用下，主軸有沿著主從皮帶輪中心線變形的趨勢。通過對主動(dòng)軸的帶傳的初拉力、軸拉力、最大加速度、受力分析進(jìn)行計(jì)算，原始計(jì)算參數(shù)如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明在現(xiàn)有懸臂距離上，撓度偏大。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)列于見表2。

表2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)表

計(jì)算過程如下：

（1）功率Pca計(jì)算公式：

（2）帶傳動(dòng)的初始拉力F0：

（3）帶傳動(dòng)的軸拉力FP[3]：

將技術(shù)參數(shù)帶入公式（1）（2）（3），計(jì)算結(jié)果如下：

（4）工作面加速度計(jì)算

由橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)方程[4]：

式中：a、b為常數(shù)；λ為橢圓運(yùn)動(dòng)方向的振幅；ω為角速度；t為時(shí)間。

可推導(dǎo)出工作面的加速度公式：

（5）主軸受力分析

受力分析如圖3所示。當(dāng)加速度a為正向時(shí)：

圖3 受力分析

當(dāng)加速度a為負(fù)向時(shí)：

取加速度為正向時(shí)，即F合最大時(shí)進(jìn)行撓度計(jì)算（圖4）：

圖4 撓度示意

式中，L為集中荷載離左端點(diǎn)A的距離，mm；F為集中荷載值，N；ymax為端點(diǎn)B處的最大撓度，mm；E為彈性模量，N/mm2；I為慣性矩，mm4；d為軸徑，mm。

圖5 主動(dòng)軸撓度示意

結(jié)論：主動(dòng)軸在C、D兩處位置時(shí)撓度產(chǎn)生的間隙對密封有較大影響。

結(jié)論：主動(dòng)軸在A、B密封處的撓度間隙影響骨架油封的密封。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的不足，基于現(xiàn)有技術(shù)方案，在不大幅度提高成本的原則下，分別從結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和阻油的方向，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)

對封板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。由原來的3 mm厚改為5 mm厚，材料由原來的Q235A改為Q460C，同時(shí)在封板內(nèi)面增加加強(qiáng)條設(shè)計(jì)，減少形變。通過測量：A區(qū)形變在：2～3 mm，B區(qū)形變在：0～2 mm。形變大幅減少。

2.2 組合迷宮設(shè)計(jì)

針對封板變形引起的密封座失穩(wěn)引起稀油稀釋潤滑脂的問題，發(fā)明了一種如圖6所示的組合密封結(jié)構(gòu)[5]，通過在封板內(nèi)部主軸周圍增加密封結(jié)構(gòu)的方案，阻止稀油大量進(jìn)入油封內(nèi)同時(shí)利用組合迷宮齒形富余配合來包容主動(dòng)軸運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生軸向的和徑向的間隙。確保油封內(nèi)高溫潤滑脂的長期高效密封。其工作原理為：主動(dòng)軸帶動(dòng)迷宮密封圈1旋轉(zhuǎn)，迷宮密封圈1利用與主軸隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)起甩油環(huán)作用，把濺落在表面的潤滑油利用離心力把油甩走，防止油料堆積，進(jìn)入迷宮，達(dá)到動(dòng)態(tài)密封。

圖6 組合迷宮

經(jīng)過車間空載試驗(yàn)130 h后拆卸觀察，可見唇形密封圈周圍依然有少量的稀油浸入，但潤滑脂的性能依然完好，肉眼看不到潤滑脂有稀釋跡象，表明此方案達(dá)到了預(yù)計(jì)的阻油效果。

2.3 新增防塵圈密封結(jié)構(gòu)

針對迷宮設(shè)計(jì)方案依然可能存在少量稀油侵入問題，在迷宮結(jié)構(gòu)內(nèi)層增加防塵圈結(jié)構(gòu)。相對于唇形密封圈，防塵圈具有更大的壓縮變形量，可以保證高振動(dòng)、大變形工況下密封圈的正常工作性能。其工作原理為：利用防塵圈材料翼面固有的延展性，設(shè)計(jì)上要求防塵圈翼面與安裝座1內(nèi)圈面有大于軸向竄動(dòng)量的貼合余量，始終保證防塵圈翼面與安裝座1內(nèi)圈面保持抵觸，形成緊貼密封。裝配時(shí)在防塵圈翼面與安裝座1內(nèi)圈面涂抹高溫潤滑脂，保證防塵圈翼面與安裝座1內(nèi)圈面潤滑和再次密封。

經(jīng)過車間空載試驗(yàn)160 h后拆卸觀察，可見唇形密封圈周圍已經(jīng)沒有稀油浸入，表明此方案達(dá)到了預(yù)期的密封效果。

圖7 防塵圈安裝示意圖

3 工程應(yīng)用效果

本研究完成的優(yōu)化設(shè)計(jì)，2020年01月對密封裝置進(jìn)行了長時(shí)間的可靠性試驗(yàn)。在設(shè)備運(yùn)行260 h停機(jī)檢查未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期效果。2020年03月起，正式將該改進(jìn)方案進(jìn)行工程應(yīng)用驗(yàn)證，通過對貴定縣某砂石料場水平篩技改后，至今已運(yùn)行4600 h，未見漏油現(xiàn)象。

摒棄傳統(tǒng)簡單加強(qiáng)的方案，通過對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在不大幅度修改原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)增加迷宮和防塵圈組合設(shè)計(jì)，低成本、高效率地解決了漏油問題。其核心思路如下：

（1）在組合迷宮結(jié)構(gòu)中齒、槽對接形成了幾道屏障，并通過在內(nèi)填充高溫油脂實(shí)現(xiàn)了柔性粘連隔離密封。

（2）利用迷宮密封圈1高速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了甩油的動(dòng)態(tài)密封。

（3）在迷宮密封圈1內(nèi)安裝防塵圈，完全阻斷侵入的油跡，進(jìn)行再次密封。

本方案較為創(chuàng)新地采用了組合迷宮+迷宮密封圈1甩油的思維，對類似具有大變形，高振動(dòng)，高轉(zhuǎn)速的密封性提出了較好的解決思路。

4 結(jié)語

通過對水平篩主軸密封裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了良好的密封效果，該密封裝置運(yùn)行安全可靠，使用效果良好，大幅提高了設(shè)備使用率，降低了更換密封裝置的全系統(tǒng)停機(jī)概率，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

本研究所采用的迷宮+防塵圈的組合阻油甩油思路，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、安全可靠等特點(diǎn)。對工作人員技能要求不高，現(xiàn)場維護(hù)方便和快捷，因此，具有較強(qiáng)的操作性和推廣性，可廣泛應(yīng)用于振動(dòng)裝備的稀油潤滑的主動(dòng)軸的密封上。特別對具有高振動(dòng)、高跳動(dòng)、高形變，惡劣狀況運(yùn)行下的振動(dòng)設(shè)備主動(dòng)軸有很好的密封效果，同時(shí)也為其他類型設(shè)備密封結(jié)構(gòu)提供了借鑒和思路。