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重型機(jī)械上的密封技術(shù)

2008-04-02

  重型大型機(jī)械設(shè)備投資巨大,為了能Z大程度地使用設(shè)備,盡快盡早收回投資,對(duì)設(shè)備運(yùn)行的可靠性有很高的要求。重型大型機(jī)械設(shè)備中密封件無(wú)處不有,雖然其價(jià)值只占總成本很小的比例,但對(duì)保證設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。密封件往往是設(shè)備上控制和執(zhí)行部件的關(guān)鍵,又是易損件,如果是因?yàn)槊芊饧倪^(guò)早失效而造成整套設(shè)備的非計(jì)劃停產(chǎn)檢修更換密封件,其損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于密封件本身的價(jià)值。
  重型大型機(jī)械設(shè)備上的主密封部位尺寸較大,需要大尺寸的密封件,例如用于隧道施工設(shè)備中主軸處旋轉(zhuǎn)油封直徑可達(dá)10m以上,萬(wàn)噸壓機(jī)上的液壓缸往復(fù)密封直徑能達(dá)2m以上。由于加工制造的原因,即使提高加工的精度等級(jí),超大尺寸的金屬件也有較大的配合尺寸公差。加上結(jié)構(gòu)件的受力變形,密封處往往有較大的縫隙和偏心,要求密封件能在大間隙高壓工況下可靠地工作,并有很好的跟隨性。
  大尺寸密封件的安裝也是重要的一個(gè)方面。特別是設(shè)備維修時(shí)密封件的現(xiàn)場(chǎng)更換并非易事,需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧。在特定的設(shè)備和應(yīng)用場(chǎng)合下,要求使用剖分式(開(kāi)式結(jié)構(gòu))的密封件,能夠在現(xiàn)場(chǎng)粘接安裝,無(wú)需拆卸液壓缸活塞桿或傳動(dòng)軸。
  重型大型機(jī)械的應(yīng)用范圍很廣,工況條件也不盡相同,其關(guān)鍵部位的密封件尺寸巨大,對(duì)密封件的性能要求又極高,往往需要特殊設(shè)計(jì)的密封件。以下介紹3個(gè)重型大型機(jī)械領(lǐng)域成功的密封案例。
   隧道掘進(jìn)機(jī)上主軸軸承密封系統(tǒng)
  隧道掘進(jìn)機(jī)(圖1)也稱盾構(gòu)機(jī),是一種先進(jìn)的地下掘進(jìn)作業(yè)設(shè)備,結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大,工況條件惡劣。例如在德國(guó)漢堡市的易北河過(guò)江隧道工地上施工的一臺(tái)隧道掘進(jìn)機(jī),刀盤(pán)直徑14.2m,設(shè)備總長(zhǎng)度58m,總重量計(jì)2500t,價(jià)值3千萬(wàn)歐元。隧道掘進(jìn)機(jī)上的主軸承密封系統(tǒng)是設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵部件,位于刀盤(pán)的驅(qū)動(dòng)主軸和盾殼的鋼結(jié)構(gòu)之間,其作用是隔離作業(yè)區(qū)的土石方和設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)及電氣控制部分,阻止泥漿進(jìn)入主軸承,重要性可想而知。因?yàn)槭堑叵伦鳂I(yè),該密封系統(tǒng)難以在現(xiàn)場(chǎng)更換,其壽命必須要保證隧道掘進(jìn)機(jī)完成整條隧道的作業(yè)。


(圖1)

  圖2是專門(mén)為隧道掘進(jìn)機(jī)主軸承密封設(shè)計(jì)的大尺寸旋轉(zhuǎn)油封TBM系列,材料為耐油耐水高強(qiáng)度耐磨丁腈橡膠B248,密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證密封唇口有很好的跟隨性,保持與旋轉(zhuǎn)軸有Z佳的接觸角度;在保證密封效果的同時(shí)減小密封件的動(dòng)接觸面積,在Z大程度上降低摩擦發(fā)熱和密封唇口磨損,使之能用于壓力工況(如土壓平衡式作業(yè)工況)。


(圖2)

  根據(jù)隧道掘進(jìn)機(jī)的工況條件,推薦使用多個(gè)密封件串聯(lián)的密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖3。建議在道TBM密封件前設(shè)置一道迷宮式密封,并用油脂進(jìn)行連續(xù)"沖洗"潤(rùn)滑,油脂的消耗量視工況而定,每小時(shí)每米密封周長(zhǎng)約消耗0.1-0.3kg油脂。前3道密封件之間也需要油脂潤(rùn)滑,Z后兩道密封件之間應(yīng)用潤(rùn)滑油進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑,或至少有一道0.5m高度的油浴潤(rùn)滑。因?yàn)槊芊饧加幸欢ǖ?quot;泵油"能力,油浴潤(rùn)滑時(shí)需及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油。


(圖3)

  TBM密封件背部受壓時(shí),密封唇口的開(kāi)啟壓力約0.1-0.2 bar(1bar=0.1MPa),主軸承的潤(rùn)滑油(脂)壓力Z好不要超過(guò)0.1 bar。如果超過(guò)0.1 bar,需將Z后這道密封件的朝向反過(guò)來(lái),朝向主軸承方向。
  安裝TBM密封件時(shí),需要軸向壓緊。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),需要有每毫米周長(zhǎng)約14N的軸向壓緊力。 


(圖4)

  大型板材軋機(jī)上液壓壓下油缸的密封系統(tǒng)
  液壓壓下裝置(AGC Automatic Gauge Control)是熱軋和冷軋?jiān)O(shè)備上的關(guān)鍵部件,其中的液壓壓下油缸是該裝置的執(zhí)行元件,屬于大直徑短行程伺服油缸,對(duì)其可靠性和摩擦力性能有很高的要求。液壓壓下油缸的典型工況參數(shù)為:
  正常工作壓力:280 bar (無(wú)桿腔) / 60 bar (有桿腔)
  液壓油溫度:60℃
  速度:約2 mm/s
  工作頻率:約20 Hz
  行程:Z大15 mm,正常工況下在30mm?2mm之間
  液壓壓下油缸在正常運(yùn)行時(shí)處于高頻震動(dòng)和調(diào)節(jié)工況,為了達(dá)到很高的頻率響應(yīng)和控制精度,要求密封件有較低且恒定的摩擦力,低速運(yùn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn),無(wú)低速爬行現(xiàn)象。
  圖4為一典型的液壓壓下油缸用密封系統(tǒng)。所有的密封元件以及防塵圈的材料為填充聚四氟乙烯(PTFE),PTFE材料有Z低的摩擦系數(shù),其啟動(dòng)摩擦系數(shù)相對(duì)接近滑動(dòng)摩擦系數(shù),所以不會(huì)出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。該填充聚四氟乙烯是我們自己的配方,積累了多年在密封材料領(lǐng)域的研究成果,具有很高的耐磨性和抗縫隙擠出能力??子妹芊釵MK-S和桿用密封OMS-S使用帶弧度的彈性元件,其PTFE滑環(huán)設(shè)計(jì)有較大的截面尺寸,使之Z佳適用于大尺寸短行程并有高頻震動(dòng)的液壓壓下油缸的工況。防塵圈PT2 是專門(mén)為液壓壓下油缸的工況設(shè)計(jì)的雙作用防塵圈,防塵唇口的設(shè)計(jì),即使是垂直安裝且活塞桿朝下的油缸,活塞桿進(jìn)口處也不會(huì)有灰塵積累。建議在桿封OMS-S和防塵圈PT2之間設(shè)計(jì)一安全孔,確保無(wú)背壓形成和困油出現(xiàn),多年來(lái)的使用經(jīng)驗(yàn)證明,在正常工況下不會(huì)因?yàn)橛邪踩锥霈F(xiàn)外泄漏。
  大型液壓機(jī)上的主油缸密封系統(tǒng)
  
經(jīng)典的密封系統(tǒng)是夾布橡膠V形組合圈ES型(圖5)。這種多件組合密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是性能可靠,堅(jiān)固耐用,并且能用于表面質(zhì)量不是十分理想的密封場(chǎng)合,密封件可以做成剖分式結(jié)構(gòu),便于維修時(shí)密封件的更換,至今仍在廣泛地使用。


(圖5)

   針對(duì)超大尺寸(d > 1000 mm) 的壓機(jī)主缸密封,專門(mén)研制開(kāi)發(fā)了重型V形組合圈V-1000系列 ( 圖6 )。該密封件的截面比ES型要大得多,更加堅(jiān)固可靠,一般選用5件套 (3個(gè)密封環(huán)) 或6件套 (4個(gè)密封環(huán))的開(kāi)式密封結(jié)構(gòu),方便密封件的安裝。密封件的材料有棉布浸丁腈橡膠NBR和棉布浸天然橡膠NR兩種,出于介質(zhì)相容性的考慮,建議當(dāng)介質(zhì)為水基乳化液或水時(shí)選用棉布浸天然橡膠NR的密封件。考慮到超大尺寸金屬件有較大的加工公差,加上金屬件在壓力作用下的變形,密封處往往有較大的配合間隙(徑向),為了保證密封件在高壓工況下仍能可靠地工作,在V-1000系列的壓環(huán)的內(nèi)外徑上分別組合了一個(gè)PA材料的擋圈,進(jìn)一步提高密封件的使用壽命。
 

 
(圖6)

  對(duì)于連續(xù)作業(yè)且行程頻率頗高的陶瓷壓機(jī)的主缸密封,建議采用以填充聚四氟乙烯PTFE為材料的組合密封(圖7)。該密封系統(tǒng)的特點(diǎn)是摩擦力小,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),桿用主密封OMS-MR PR 有泄壓功能,系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)困油和背壓,因而又有很高的工作可靠性和使用壽命。防塵圈PT 1有防塵和密封的功能,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的密封效果,實(shí)現(xiàn)零泄漏。


(圖7)
 

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