北京雨潤(rùn)華公司試驗(yàn)演示視頻
具有防水、防塵并保持低阻性能的帶式輸送機(jī)托輥密封研制方法 —— 文章正文
一．托輥密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)原理及技術(shù)依據(jù)：
直通式迷宮密封屬于流阻型非接觸式動(dòng)密封，其工作原理為:密封齒和轉(zhuǎn)軸組合形成一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，流體流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，即流體流過間隙時(shí)，流動(dòng)截面積變小，流體降壓加速，之后進(jìn)入空腔時(shí)形成旋渦，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減少流體泄露量，形成密封的結(jié)果。
迷宮密封的泄露特性由流量系數(shù)來(lái)表征，流量系數(shù)等于實(shí)際泄露量與理想泄露量之比。流量系數(shù)大都由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)取得。流量系數(shù)越小則表示密封性能越好，因此，設(shè)計(jì)良好的密封應(yīng)該具有較小的流量系數(shù)。
經(jīng)仿真和試驗(yàn)獲得，直通式迷宮密封的性能取決于齒隙處的節(jié)流損失和密封腔內(nèi)部動(dòng)能耗散的大?。?a href=http://m.71xy.cn target=_blank class=infotextkey>密封結(jié)構(gòu)組件中對(duì)泄露量影響的關(guān)鍵參數(shù)為：齒隙、齒厚及齒間距（齒前后腔距），齒厚對(duì)流量系數(shù)的影響不是單調(diào)的，在齒厚<0.2mm時(shí)，流量系數(shù)增加迅速，之后趨向穩(wěn)定，并在齒厚為0.3mm時(shí)達(dá)到最大值，隨著齒厚的增加，然后緩慢遞減，原因在于齒厚非常薄時(shí)，流體局部損失最大，隨著齒厚增加，降低了節(jié)流效果，所以導(dǎo)致了流量系數(shù)的增加，當(dāng)增加到一定值時(shí)，節(jié)流趨于穩(wěn)定，而沿程損失最大；齒間距（齒前后腔距）對(duì)流量系數(shù)影響較弱，隨著間距的增加，流量系數(shù)線性遞減；齒隙和齒厚對(duì)流量系數(shù)的影響較大，但在工程上，為了保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行，齒隙已經(jīng)沒有多少可以減小的余地，對(duì)于齒厚，如果太小則影響密封齒的強(qiáng)度；增加齒間距（齒后腔距），會(huì)由于部件標(biāo)準(zhǔn)尺寸的受限，不可能無(wú)限增加。因而，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)齒厚、齒隙及齒后腔的手段，可提高密封的節(jié)流損失和密封腔內(nèi)部動(dòng)能耗，即密封性能。
經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)，齒主要幾何參數(shù)變化時(shí)對(duì)流量系數(shù)的影響結(jié)果如下圖:
齒厚對(duì)流量系數(shù)的影響圖 齒隙對(duì)流量系數(shù)的影響圖
齒間距（齒后腔室）對(duì)流量系數(shù)的影響圖
經(jīng)對(duì)直通式密封結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究，本項(xiàng)目對(duì)密封結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響獲得了以下結(jié)論：
- 隨著密封結(jié)構(gòu)進(jìn)出口壓比（Pa/Po）的減小，流量系數(shù)Cd開始增加較快，然后逐漸趨于一個(gè)定值；
- 影響直齒迷宮結(jié)構(gòu)密封效率的參數(shù)主要是：齒間相對(duì)厚度（T/δ)、空腔數(shù)N、間隙厚度與空腔寬度之比（δ/W）及空腔深度比（H/W），影響規(guī)律為：
1）給定其它條件，流量系數(shù)Cd隨T/δ的變化存在極大值；
2）在一定范圍內(nèi)增加齒數(shù)N可以降低泄露量，但超過某一齒數(shù)后（N=6)效果就不明顯了；
3）給定結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度，存在著使泄露量最小的最佳空腔數(shù)或空腔寬度；
4）臨界流量系數(shù)隨著δ/W的增大而增大；
5）過分加深空腔并不能提高迷宮式密封結(jié)構(gòu)的密封性能，空腔深度比H/W≈0.3時(shí)，臨界流量系數(shù) Cd最小，密封效果最好；
6）迷宮式密封結(jié)構(gòu)中首道密封效率對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的密封總效率是重要的；
3.齒形對(duì)密封效率有影響：
1）齒形背部呈凹面對(duì)密封不利；
2）曲面不優(yōu)于平面；
3）尖邊緣或尖角對(duì)密封有利；
4）非對(duì)稱齒形的齒尖朝來(lái)流方向前傾明顯提高密封效果；
4.梯形齒與斜齒結(jié)構(gòu)密封效率及工藝性能比較好，是定常流工況下應(yīng)優(yōu)先采用的齒形，其中對(duì)35°<β<90°時(shí)，梯形齒傾角愈小，密封效率高，而斜齒的傾斜角45°（同時(shí)直齒尖朝來(lái)流方向前傾45°角）左右時(shí)，密封效率最佳；
5.迷宮密封中的節(jié)流過程和動(dòng)能耗過程決定了其密封性能，為了提高密封性能，必須使節(jié)流間隙足夠小且短（一般為0.2+0.6d/1000mm，d為旋轉(zhuǎn)軸的直徑），間隙長(zhǎng)度（或齒厚）通常小于0.5mm，以使壓力能夠充分地轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?，同時(shí)，還要求節(jié)流間隙后的空腔足夠大（齒間距一般為5~9mm），以使有足夠大的空間來(lái)形成正確的渦流，使動(dòng)能盡可能多地耗散為熱能。
此外，本項(xiàng)目中對(duì)密封所裝配設(shè)備的轉(zhuǎn)速對(duì)密封性能的影響也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，獲得了以下結(jié)論：
密封齒裝在動(dòng)部位，設(shè)備周轉(zhuǎn)速小于20米/秒時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)泄露量的影響很小，可忽略不計(jì)；密封齒裝在禁止部位，周轉(zhuǎn)速低于70米/秒，設(shè)備旋轉(zhuǎn)影響可忽略不計(jì)。根據(jù)《煤礦用托輥技術(shù)條件》給定，托輥轉(zhuǎn)速不得高于660轉(zhuǎn)/分鐘，換算為周轉(zhuǎn)速為1.56米/秒，因而，托輥旋轉(zhuǎn)對(duì)密封結(jié)構(gòu)的密封性能的影響可忽略不計(jì)。
本項(xiàng)目基于密封泄露特性的基本原理以及影響密封流量系數(shù)的密封結(jié)構(gòu)組成的關(guān)鍵組件（密封齒和膨脹空腔)作用機(jī)理和帶式輸送機(jī)托輥實(shí)際工作環(huán)境中粉塵、流水等需阻隔流體的物理特性，并依據(jù)實(shí)現(xiàn)較小的流量系數(shù)的同時(shí)達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、裝配簡(jiǎn)潔、材料低廉、安全可靠等原則，采用計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的手段對(duì)通用型迷宮密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（優(yōu)化密封齒間隙、齒厚和齒形和齒間距等關(guān)鍵參數(shù)），以創(chuàng)新手段設(shè)計(jì)出良好的密封結(jié)構(gòu)、密封材料及密封組件加工和裝配工藝。
密封優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：
- 基于保持密封組件安全可靠、易加工及價(jià)格相對(duì)低廉的性能原則，密封結(jié)構(gòu)組件的材料選用具有優(yōu)異物理性能的UHMW-PE材料；
- 密封結(jié)構(gòu)突破通用的迷宮型密封結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)密封結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵組件幾何參數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響結(jié)果以及保持密封結(jié)構(gòu)安全可靠和密封組件裝配簡(jiǎn)潔等原則，改變密封齒的齒尖幾何形狀，齒尖設(shè)計(jì)為450角，既能保持齒強(qiáng)度，又可盡量提高流體動(dòng)能局部損失，增強(qiáng)節(jié)流效果；采用雙排齒，兩齒間距為前齒前腔距和后齒后腔距;
由于密封類型為無(wú)接觸式，齒間隙可以選擇的余地較小，節(jié)流主要依靠盡可能減小齒尖厚度彌補(bǔ)，一般選擇0.2~0.3mm齒間隙。上述設(shè)計(jì)思想同時(shí)考慮到了煤礦用帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行環(huán)境中至少包括粉塵、礦井水兩種流體對(duì)托輥的侵害以及粉塵、礦井水等流體的不同物理特性和流動(dòng)特點(diǎn)。 （3）為保證密封組件在加工時(shí)及在使用中幾何參數(shù)具有良好的穩(wěn)定性、在加工時(shí)保證設(shè)計(jì)參數(shù)的精準(zhǔn)以及可有效提高密封組件的加工效率，密封組件的加工工藝設(shè)計(jì)為以阻燃和抗靜電改性UHMW-PE為原料，標(biāo)準(zhǔn)模具模壓成型；
（4）為保證密封組件裝配時(shí)操作工藝簡(jiǎn)潔及一次性裝配后組件間幾何參數(shù)精準(zhǔn)，密封組件的裝配工藝設(shè)計(jì)為托輥軸向定位、組件模塊化組裝工藝。
密封結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后選擇結(jié)構(gòu)為：
L.齒間距 t.齒厚 c.齒隙
本項(xiàng)目對(duì)托輥密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要通過仿真實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，主要分別對(duì)密封腔結(jié)構(gòu)形式和齒型的優(yōu)化進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，對(duì)齒隙的優(yōu)化主要依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了合理選擇。
本項(xiàng)目對(duì)密封腔結(jié)構(gòu)形式和齒型的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
密封腔結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：
相同邊界下不同密封腔結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)流量系數(shù)實(shí)驗(yàn)表：
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于盡可能降低流量系數(shù)，同時(shí)便于工業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)，本項(xiàng)目對(duì)密封腔結(jié)構(gòu)形式選擇上表中的NO.13方案，同時(shí)為進(jìn)一步驗(yàn)證其性能又進(jìn)行了密封結(jié)構(gòu)密封腔內(nèi)流場(chǎng)及云圖仿真。
優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)密封腔內(nèi)流場(chǎng)及云圖如下：
本項(xiàng)目對(duì)密封結(jié)構(gòu)中齒型的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)主要包括齒形及齒的布局方式的實(shí)驗(yàn)，基于盡可能降低流量系數(shù)和保證齒的可靠性的目標(biāo)，齒形的優(yōu)化采用將齒尖削成45度角的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，另對(duì)前后齒型的布局進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：
對(duì)齒型進(jìn)行改進(jìn)，即把齒頂削去一角，形成45度的齒尖，有A、B兩種齒型可選，如下圖：
前后齒分別依次采用A、B兩種齒型，對(duì)不同組合進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下表，可看出后齒對(duì)流量系數(shù)影響較小，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，方案6和7的流量系數(shù)很接近，考慮加工的方便性，采用方案7.
方案7齒型密封結(jié)構(gòu)的密封腔流場(chǎng)及云圖
本項(xiàng)目依據(jù)上述技術(shù)原理對(duì)托輥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的新型直通式迷宮密封結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真和樣品經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，密封結(jié)構(gòu)對(duì)粉塵和淋水具有顯著的密封效果，但對(duì)浸水密封效果不顯著，為此，依據(jù)不增加密封組件數(shù)量和復(fù)雜度，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)同一密封結(jié)構(gòu)對(duì)粉塵、淋水、浸水同時(shí)具備顯著密封效果，并易于加工生產(chǎn)的原則，對(duì)托輥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將密封組件中外密封件添加設(shè)計(jì)螺桿式向內(nèi)雙向螺旋密封（朝向來(lái)流方向后螺紋長(zhǎng)度略長(zhǎng)于前螺紋），在雙向螺紋間設(shè)置儲(chǔ)脂腔并加注防水密封潤(rùn)滑脂的方法。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)螺旋密封時(shí)主要依據(jù)以下技術(shù)原理：
螺旋密封結(jié)構(gòu)主要有螺桿和螺套兩類。螺旋密封中流體的流動(dòng)主要由泵送流動(dòng)和泄露流動(dòng)以及由這兩種流動(dòng)而引起的橫向流組成，螺旋密封的機(jī)理就是這幾種流量的平衡，即泵送流量、泄露流量以及由橫向流所造成的流量損失三者之和等于零。螺旋密封的封液能力主要影響參數(shù)包括：螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)（K1-螺旋相對(duì)槽寬、K2-螺旋相對(duì)槽深及α-螺旋角，K1=s(s+a),s-槽寬，a-齒寬，K2=(h+c)/c,c-半徑間隙，h-槽深）、密封間隙和封液的動(dòng)力粘度，通過優(yōu)化上述參數(shù)可獲得最大的封液能力。另根據(jù)螺旋密封適合于氣相介質(zhì)條件，適合在低壓（壓力小于1~2MPa）條件下工作，不適合在高壓（壓力大于2.5~3.5MPa)條件下工作，也不適合在高速（線速度大于30m/s）條件下工作，本項(xiàng)目中托輥工作工況（即使在浸水環(huán)境下介質(zhì)壓力不高于80mm汞柱，最大線速度低于1.6m/s）符合螺旋密封適合的工作條件。
本項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)示意圖：
（密封結(jié)構(gòu)示意總圖） （密封局部示意圖）
二．我公司研發(fā)的托輥密封結(jié)構(gòu)及加工工藝設(shè)計(jì)的創(chuàng)新內(nèi)容：
目前帶式輸送機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)托輥密封的設(shè)計(jì)思想通常為通過盡可能增加密封齒數(shù)量及增加密封齒復(fù)雜度的方法，以增加流道長(zhǎng)度及流體流通彎道陡度的途徑提高密封性能，但在設(shè)計(jì)時(shí)未能準(zhǔn)確地以密封機(jī)理以及密封結(jié)構(gòu)組件的幾何參數(shù)對(duì)流量系數(shù)影響的線性關(guān)系為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，因而，普遍存在以下缺陷：
- 因受托輥徑向尺寸及加工難度等限制，密封流道的長(zhǎng)度和密封齒的布局均為有限，密封的效果均不顯著，同時(shí)，對(duì)于煤礦井下運(yùn)行環(huán)境會(huì)同時(shí)阻隔粉塵、淋水等至少兩種流體，且不同流體的物理性能和流動(dòng)性能的差異明顯，所以，對(duì)兩種及以上不同性能的流體均達(dá)到良好的密封效果更難以實(shí)現(xiàn)；
- 在運(yùn)行一定的周期后，特別是運(yùn)行3000小時(shí)后，由于臨近托輥軸端的密封齒內(nèi)無(wú)法消除積灰的堆積，從而顯著降低密封效果，同時(shí)明顯增加托輥的旋轉(zhuǎn)阻力；
- 由于密封組件的加工材料通常選用塑料，在運(yùn)行一定周期后因材料的老化或變形，易導(dǎo)致密封效果下降明顯，同時(shí)增加密封齒間的摩擦阻力造成托輥旋轉(zhuǎn)阻力增加。
本項(xiàng)目在進(jìn)行托輥密封設(shè)計(jì)時(shí)充分、準(zhǔn)確地依據(jù)了密封機(jī)理及密封結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)流量系數(shù)影響的線性關(guān)系，并根據(jù)煤礦井下粉塵和污水的物理特性和流動(dòng)特點(diǎn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法，通過優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系參數(shù)，選用適應(yīng)的密封組件加工材料及其加工工藝，對(duì)托輥密封進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的密封具有對(duì)污水（包括淋水、浸水）和粉塵同時(shí)有效阻隔，運(yùn)行中無(wú)添加托輥旋轉(zhuǎn)阻力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工和裝配方法簡(jiǎn)潔、價(jià)格較低等特點(diǎn)。
本項(xiàng)目中托輥密封設(shè)計(jì)及加工工藝創(chuàng)新內(nèi)容主要包括：
- 在密封設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)密封原理及密封結(jié)構(gòu)的密封性能影響因素采用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)分析手段進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并依據(jù)研究結(jié)果中密封組件中齒厚、齒高（齒與壁的間隙）及齒間距（齒前后腔）三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)以及其相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)流量系數(shù)的影響，煤礦井下環(huán)境存在的侵害介質(zhì)（污水、粉塵等，且具有腐蝕性）的特性及流動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而，優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的技術(shù)原理和技術(shù)依據(jù)。
- 密封組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單的單齒雙腔室，并在同一結(jié)構(gòu)中適合部件添加螺紋和儲(chǔ)脂腔，實(shí)現(xiàn)了密封對(duì)污水（包括淋水和浸水）和粉塵的同時(shí)有效阻隔；密封結(jié)構(gòu)為非接觸型，對(duì)托輥旋轉(zhuǎn)阻力無(wú)明顯添加；密封組件簡(jiǎn)化為僅三個(gè)零件；密封零件的加工方法為注塑工藝，密封組件的裝配為模塊化裝配；密封零件的加工材料選用適用于煤礦井下環(huán)境并性能穩(wěn)定的阻燃和抗靜電改性UHMW-PE材料。
- 為保證密封結(jié)構(gòu)的可靠性和密封性能及易加工與裝配性，在保持齒強(qiáng)度的條件下齒尖優(yōu)化為450倒角以降低齒厚；根據(jù)齒高對(duì)流量系數(shù)影響的拐點(diǎn)，齒間隙選擇0.2~0.3mm；根據(jù)齒前后腔室對(duì)流量系數(shù)有影響但非顯著的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，齒后距設(shè)計(jì)為齒前距的兩倍。
（4）為防治泥塵在托輥軸端堆積或粘附，延長(zhǎng)密封組件的壽命，保持密封效果，在密封組件中外部件上附加設(shè)計(jì)了泥塵清除器，作為密封組件的輔助。
（5）密封組件的所有零件采用注塑成型加工工藝，裝配采用模塊化裝配工藝，一次性密封組件裝配精準(zhǔn)度可達(dá)到99%以上，并為托輥實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)裝配”提供了條件。
Keywords（關(guān)鍵詞）：帶式輸送機(jī),托輥密封
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