刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件密封實(shí)效及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

郭鋒濤

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307）

1 概況

鏈輪組件是礦用刮板運(yùn)輸機(jī)的重要部件，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件的密封失效問題頻發(fā)，對(duì)于產(chǎn)能提升和運(yùn)營成本控制等方面均造成了嚴(yán)重的制約。為有效規(guī)避此類問題，以黃陵一號(hào)煤礦SGZ800/1050 型刮板運(yùn)輸機(jī)為例，對(duì)刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件密封失效問題進(jìn)行分析，并基于當(dāng)前新興的指尖密封設(shè)計(jì)模式，對(duì)該刮板運(yùn)輸機(jī)密封方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 浮動(dòng)油封問題分析

黃陵一號(hào)煤礦應(yīng)用多臺(tái)SGZ800/1050 型刮板輸送機(jī)進(jìn)行煤炭開采運(yùn)輸作業(yè)，該型刮板輸送機(jī)鏈輪組件中，均采用浮動(dòng)油封進(jìn)行密封，該浮動(dòng)油封在結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡單，由一對(duì)O 型圈和一對(duì)浮封環(huán)所組成，如圖1所示。

由圖1可知，浮動(dòng)油封的密封原理是在實(shí)際運(yùn)行過程中，左側(cè)的O 型圈在浮封環(huán)的支撐下，分別壓緊軸承座與浮封環(huán)1，右側(cè)的O 型圈在浮封環(huán)的支撐下，分別壓緊鏈輪體與浮封環(huán)2。由于浮動(dòng)油封安裝過程中，安裝人員已經(jīng)預(yù)先壓縮了一部分O 型圈的體積，因此在整個(gè)密封過程中，兩側(cè)的O型圈始終能夠?yàn)楦》猸h(huán)提供壓緊力，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

圖1 浮動(dòng)油封基本原理示意Fig.1 Basic principle of floating oil sea

但從實(shí)際情況來看，黃陵一號(hào)煤礦SGZ800/1050 型刮板運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中，刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件內(nèi)的浮動(dòng)油封失效問題頻發(fā)，潤滑油泄漏問題突出。根據(jù)黃陵一號(hào)煤礦SGZ800/1050 型刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件維修資料顯示，密封圈的老化斷裂情況較多，密封腔大多被煤粉所填充。

針對(duì)這種情況，對(duì)引發(fā)這些問題的因素進(jìn)行了分析，主要原因是由于實(shí)際生產(chǎn)過程中，刮板鏈長度存在差異，且采煤機(jī)切割下的煤炭分布區(qū)域通常不一致，導(dǎo)致鏈輪體受到間斷的軸向力作用。由于圓錐滾子軸承存在游隙（該數(shù)值經(jīng)測(cè)量約為0.8 mm），且在鏈輪組件運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承座不發(fā)生位移，因此鏈輪體將在軸承游隙范圍內(nèi)擺動(dòng)，引發(fā)O型圈在密封腔表面上產(chǎn)生滾動(dòng)的趨勢(shì)。同時(shí)，由于鏈輪組件工作環(huán)境惡劣，刮板鏈上的煤塵經(jīng)常落在鏈輪組件表面，煤塵進(jìn)入到鏈輪組件密封處后，即附著在軸承座與鏈輪體的密封腔表面。此時(shí)如O型圈發(fā)生滾動(dòng)，則這些顆粒狀煤塵將進(jìn)一步流入密封腔金屬面上，造成O 型圈與軸承座及鏈輪體的密封腔脫離，引發(fā)浮封環(huán)與O 型圈、密封腔之間的復(fù)雜混合摩擦，摩擦過程難免會(huì)產(chǎn)生一定熱量，受到熱量影響則會(huì)加速O 型圈老化而失去彈性，一旦發(fā)生錯(cuò)位，浮動(dòng)油封將無法自動(dòng)復(fù)位，密封的磨損也將加劇，最終引發(fā)潤滑油的大量泄漏。

結(jié)合上述分析與已掌握的資料，決定對(duì)黃陵一號(hào)煤礦SGZ800/1050 型刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件的密封進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)要求密封方式的布置應(yīng)當(dāng)盡可能簡便，密封方式應(yīng)具有較高使用周期、耐磨且能夠二次使用。據(jù)此，決定采用指尖密封方式取代傳統(tǒng)的浮動(dòng)油封方式。

3 刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 指尖密封方式

指尖密封屬于一種柔性密封模式，通常用于軸向動(dòng)密封場(chǎng)合，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 指尖密封的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of finger seal

從圖2中可知，指尖密封的基本結(jié)構(gòu)包括一系列金屬薄片和擋板，密封片通過與擋板固定，擋板連同密封片均通過卡圈安裝于密封結(jié)構(gòu)中。在密封片內(nèi)，由數(shù)個(gè)相同的指尖片通過陣列對(duì)稱形成指尖梁，指尖梁的底部為指尖靴，圍繞在轉(zhuǎn)子表面上，形成接觸式摩擦密封。交錯(cuò)排列的指尖梁互相將前后指尖梁露出的縫隙遮擋，因此密封流體泄漏區(qū)域只剩下軸向方向。由于指尖梁具備柔性的特點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生跳動(dòng)量時(shí)，每個(gè)指尖梁能夠很好的被壓入與恢復(fù)，而且當(dāng)指尖梁被壓入一定程度時(shí)，密封前后擋板會(huì)阻擋轉(zhuǎn)子繼續(xù)跳動(dòng)，較好的保護(hù)了其內(nèi)部的密封片。因此指尖密封模式適用于鏈輪組件工況。

3.2 有限元模型的建立

考慮黃陵一號(hào)煤礦SGZ800/1050 型刮板運(yùn)輸機(jī)實(shí)際情況，此次選取漸開線型指尖密封方式，其有限元模型如圖3所示。

圖3 指尖密封幾何模型示意Fig.3 Geometric model of finger seal

指尖密封的密封片上存在多支曲線形態(tài)的指尖梁，這些指尖梁按照?qǐng)A周整列而成，曲梁頂端為指尖靴，指尖靴與轉(zhuǎn)子接觸后，即可形成摩擦型動(dòng)密封。在漸開線型密封模式下，每個(gè)指尖梁上的漸開線均通過密封圓心為起始繪制而成，其控制方程如下：

式中：rx表示漸開線中第x 個(gè)點(diǎn)的向徑；rz表示漸開線的基圓半徑；φx 表示漸開線中第x 個(gè)點(diǎn)的展角；αx表示漸開線中第x 點(diǎn)的壓力角。

在該漸開線上，rx點(diǎn)的向徑表達(dá)式如下所示：

式中：ry表示密封片外圓半徑；ru表示密封轉(zhuǎn)子半徑；n 表示指尖梁間隙角。

結(jié)合上述方程的相關(guān)參數(shù)，即可求出漸開型線第x 點(diǎn)的向徑和展角，繪制出漸開線型指尖密封結(jié)構(gòu)。

在確定具體的指尖密封方式后，結(jié)合工程設(shè)備圖紙，確定分析模型的幾何參數(shù)，并進(jìn)行有限元模型的建立，主要包括密封片、轉(zhuǎn)子和后擋板三部分。在材料選擇上，轉(zhuǎn)子與擋板模型的材料與鏈輪軸相同，均為合金鋼，密封片材料則選擇鈹青銅，具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型材料主要力學(xué)參數(shù)Table 1 Main mechanical parameters of model materials

在確定以上參數(shù)后，將相關(guān)參數(shù)輸入到SolidWorks 軟件中，對(duì)指尖密封模型進(jìn)行原比例建模，并導(dǎo)入到有限元分析軟件中，如圖4所示。

圖4 指尖密封模型圖Fig.4 Finger seal model

3.3 有限元模型接觸及邊界條件設(shè)定

考慮到鏈輪組件在指尖密封情況下，零部件之間的接觸區(qū)域較多，因此，為進(jìn)一步提高模擬的真實(shí)性，對(duì)密封片之間和擋板之間的接觸均設(shè)置為摩擦接觸，以考慮遲滯效應(yīng)的影響。同時(shí)對(duì)跑道與指尖靴、擋板等均設(shè)定法向剛度和法向穿透，以模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)指尖靴的力學(xué)性能，具體的接觸對(duì)設(shè)置見表2。

表2 指尖密封接觸對(duì)設(shè)置Table 2 Finger seal contact pair settings

設(shè)置有限元模型的邊界條件：限制密封片和擋板所有方向的自由度，添加全約束；對(duì)轉(zhuǎn)子、密封片和后擋板的周向?qū)ΨQ部位添加循環(huán)對(duì)稱約束；對(duì)轉(zhuǎn)子施加軸向約束；對(duì)密封片施加軸向壓力，以實(shí)現(xiàn)模擬裝配壓力。

3.4 指尖密封主要參數(shù)

結(jié)合黃陵一號(hào)煤礦已有的鏈輪組件密封維修相關(guān)資料，替換時(shí)最大程度上保留原鏈輪組件結(jié)構(gòu)，只對(duì)原定位套筒進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過分析后，確定改進(jìn)后的組件密封如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的鏈輪密封組件示意圖Fig.5 Illustration of improved sprocket seal assembly

根據(jù)改進(jìn)方法和前文所述計(jì)算，最后確定此次指尖密封的參數(shù)如下：

4 測(cè)試結(jié)果

在確定模型參數(shù)后，應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件，對(duì)優(yōu)化后的刮板運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行分析，根據(jù)黃陵一號(hào)煤礦實(shí)際情況，模擬實(shí)際工況下的模型動(dòng)態(tài)性能。通過模擬改變轉(zhuǎn)速和裝配壓力，進(jìn)行仿真泄漏實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 模擬泄漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Simulated leakage experimental results

從表3可以看出，隨著裝配壓力和轉(zhuǎn)速的增加，指尖密封的泄露量也呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)，最高值為4.91 mL，但仍明顯小于要求值7.0 mL，密封流體泄漏量在可承受范圍內(nèi)，證明了此次指尖密封方式優(yōu)化改進(jìn)的可行性。

5 結(jié)語

針對(duì)黃陵一號(hào)煤礦SGZ800/1050 型刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪組件密封圈老化斷裂，密封腔大多被煤粉所填充等問題，對(duì)出現(xiàn)問題的原因進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際需要，對(duì)原有浮動(dòng)油封的密封方式進(jìn)行改進(jìn)，確定采用指尖密封方式。對(duì)指尖密封方式進(jìn)行建模分析，確定了指尖密封方式的主要參數(shù)，應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件，對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明此次指尖密封設(shè)計(jì)達(dá)到了相關(guān)要求。