密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面密封裝置增速及同步性能提升研究*

陳英

(樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川樂(lè)山 614004)

0 引言

密煉機(jī)［1］是一種高強(qiáng)度的混煉設(shè)備，主要用于橡膠的塑煉和混煉，是橡膠企業(yè)主要的煉膠設(shè)備之一。密煉機(jī)的密煉室工作時(shí)壓力很高，由于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸頸與密煉室側(cè)壁之間存在環(huán)形間隙，高壓下，物料就容易從環(huán)形間隙處泄漏，所以必須采用專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)子軸端密封裝置來(lái)阻止密煉室內(nèi)的物料外泄。由于密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面密封裝置的性能對(duì)煉膠配方的精確性及所生產(chǎn)膠料的質(zhì)量穩(wěn)定性具有很大的影響，因此，密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面密封的好壞，已成為衡量密煉機(jī)性能的重要指標(biāo)，研究密封裝置非常有必要。

1 密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面密封裝置工作原理

密煉機(jī)的密封裝置［2］形式有端面密封、迷宮密封、反螺紋密封、填料密封等，密煉機(jī)轉(zhuǎn)子軸端密封通常采用由一對(duì)相對(duì)滑動(dòng)的動(dòng)環(huán)與靜環(huán)耐磨環(huán)組成的平面摩擦副，通過(guò)作用力使動(dòng)環(huán)和靜環(huán)緊密貼合的接觸式端面密封形式，使動(dòng)靜耐磨環(huán)貼緊的作用力為彈簧力的稱(chēng)為機(jī)械密封，機(jī)械密封根據(jù)動(dòng)環(huán)相對(duì)密封面位置不同，從而作用于靜環(huán)上力的方向不同，分為外壓式和內(nèi)壓式，外壓式又分螺栓彈簧壓緊式、撥叉彈簧壓緊式;使動(dòng)靜耐磨環(huán)貼緊的作用力由液壓油缸提供的稱(chēng)為液壓密封，根據(jù)液壓油缸的作用位置不同分為撥叉(杠桿)式和油缸直接作用式。

X(S)M系列密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面密封裝置［3］采用單油缸撥叉(杠桿)作用式密封，它是由油缸、壓緊環(huán)、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)、叉板等零件組成。油缸的缸體與叉板固定在一起，壓縮彈簧對(duì)插板產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。工作時(shí)油缸通入壓力油，液壓缸移動(dòng)，從而帶動(dòng)叉板移動(dòng)，叉板中間的螺栓起著杠桿支點(diǎn)作用，使叉板運(yùn)動(dòng)的力作用于靜環(huán)上關(guān)于中心對(duì)稱(chēng)的兩點(diǎn)，將靜環(huán)與動(dòng)環(huán)壓緊。油缸作用力通過(guò)撥叉(杠桿)轉(zhuǎn)化為對(duì)壓緊環(huán)的壓力。這種裝置在每個(gè)轉(zhuǎn)子的密封處都安裝了一套，整個(gè)密封裝置需4個(gè)油缸，工作時(shí)利用油缸之力向內(nèi)推動(dòng)外密封環(huán)，使之緊貼內(nèi)密封環(huán)的密封面，以達(dá)到密封的目的。密封面的壓緊壓力可由減壓閥通過(guò)調(diào)整油缸壓力調(diào)整。每套密封裝置上還設(shè)有4個(gè)進(jìn)油孔，分別通入兩股32 MPa的高壓軟化油和高壓潤(rùn)滑油，以加強(qiáng)密封裝置的密封效果和減少密封環(huán)的磨損。

此端面密封裝置也稱(chēng)為FYH型［4－6］，在使用過(guò)程中具有如下優(yōu)點(diǎn):①工作端面壓力均勻，密封比壓穩(wěn)定，因?yàn)橐簤菏矫芊庋b置，是采用杠桿原理，使作用力均勻地作用在密封端面上，且由于4個(gè)油缸的油壓是一致的，所以煉膠時(shí)工作壓力是恒定的，密封比壓穩(wěn)定，能確保密封性能良好;②端面密封比壓可調(diào)，且快捷方便，因?yàn)楣ぷ鞫嗣娴拿芊獗葔菏呛陀透子蛪撼杀壤那铱烧{(diào)，所以只要調(diào)整液壓系統(tǒng)有關(guān)的減壓閥，便可得到不同的密封比壓;③拆裝維修方便:動(dòng)環(huán)和定圈工作端面都經(jīng)硬化處理，使用壽命長(zhǎng)。定圈是兩半結(jié)構(gòu)，可很容易的維修或更換;④由于密封裝置緊靠轉(zhuǎn)子工作端面，所以比其它密封裝置耗油量小。

2 密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面密封裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 增速原理［7］

液壓系統(tǒng)常采用雙泵供油、蓄能器供油、變量泵供油、液壓缸差動(dòng)連接等四種方式來(lái)增大回路的流量。液壓缸產(chǎn)品通常分為活塞式液壓缸、柱塞缸、伸縮缸、齒輪缸，其中活塞式液壓缸又分為雙桿式和單桿式兩種。在前面的增壓設(shè)計(jì)中，已將原有的柱塞缸換成了單桿式活塞缸，本設(shè)計(jì)采用單桿式活塞缸差動(dòng)連接方式來(lái)增速。

如圖1所示，單桿式活塞缸中左右兩腔的油液量的變化與活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系可用液體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)公式來(lái)表示，即V=q/A，v代表的是活塞桿運(yùn)動(dòng)速度、q代表流量、A代表液壓缸有效面積。在這個(gè)數(shù)學(xué)式中，當(dāng)分母A一定時(shí)即液壓缸有效面積保持不變時(shí)，活塞桿運(yùn)動(dòng)速度v與流量q之間成正比關(guān)系，即流量越大則速度越大，流量越小則速度越小，可以作出推論，活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度與液壓缸的流量密切相關(guān)。

圖1 單桿式活塞缸

因此，在增加速度方案設(shè)計(jì)中，考慮增大進(jìn)入液壓缸的流量這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿的快速運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)液壓缸差動(dòng)連接方式時(shí)，如圖2所示，單桿活塞缸的兩腔同時(shí)通入壓力油，由于兩腔的承壓面積不同，迫使有桿腔的回油重新進(jìn)入油缸的無(wú)桿腔，這種連接稱(chēng)為差動(dòng)連接。

在差動(dòng)連接回路中，把液壓缸的進(jìn)油路和回油路連接在一起，把油缸的有桿腔油液壓回流到無(wú)桿腔，無(wú)桿腔流量增加后，即可以增大液壓缸活塞桿往外推出的速度。

假設(shè)進(jìn)入液壓缸左腔的油液流量為Q，右腔中排出的油液流量為Q'，差動(dòng)連接時(shí)，Q'也進(jìn)入左腔，使左腔的流量增加到Q+Q'，從而也加快了活塞移動(dòng)的速度。

圖2 液壓缸差動(dòng)連接

工作時(shí)，為了使快進(jìn)速度V3與快退速度V2相等，假設(shè):液壓缸的輸入流量為Qv，據(jù)圖2，則V2=Qv/ A2;V3=Qv/A1－A2，若要使V2=V3，則

實(shí)際生產(chǎn)中，若要求單活塞桿液壓缸的快進(jìn)與快退速度相等，則應(yīng)取活塞桿的面積等于活塞面積的一半。差動(dòng)快進(jìn)回路的優(yōu)點(diǎn)是在單泵工作時(shí)不增加液壓泵流量的前提下，只需改變油路的連接方式，即可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單易行，因而差動(dòng)快進(jìn)回路在工程機(jī)械上得到最多的使用。

2.2 對(duì)X(S)M－160系列密煉機(jī)的增速方案設(shè)計(jì)

為了防止轉(zhuǎn)子端面密封滲漏，讓油缸保持足夠的壓力施壓，以保證良好的密封效果，本課題研究首先進(jìn)行了該液壓支路的增壓設(shè)計(jì)。增壓后，根據(jù)能量守衡的原則，其總能量P總=pq是保持不變，所以輸出壓力p的增加必然導(dǎo)致輸出流量q的減少，施壓速度v會(huì)隨之減慢。所以，為增加工作效率，在增壓之后，再進(jìn)行液壓支路的增速設(shè)計(jì)。

2.2.1 采用液壓缸差動(dòng)連接方式［7］

如圖3所示，將原有的柱塞缸換成了單桿式活塞缸，采用單桿活塞缸差動(dòng)連接方式，使單桿活塞缸的兩腔同時(shí)通入壓力油。

由于兩腔的承壓面積不同，迫使有桿腔的回油重新進(jìn)入油缸的無(wú)桿腔，從而也加快了活塞移動(dòng)的速度，實(shí)現(xiàn)活塞桿向右高速行進(jìn)的增速功能，讓液壓缸快速接近轉(zhuǎn)子端面施加壓力，達(dá)到縮短密封動(dòng)作時(shí)間，提高工作效率的目的。

(1)快進(jìn)階段:左右兩端電磁鐵不通電，3位4通電磁閥中位進(jìn)入工作狀態(tài)，泵輸出來(lái)的油液經(jīng)過(guò)3位4通電磁閥進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，活塞桿右行，此時(shí)，從有桿腔流出的油液經(jīng)過(guò)3位4通電磁閥中位返回液壓缸無(wú)桿腔，這種差動(dòng)連接方式使液壓缸無(wú)桿腔的流量增大，活塞桿向右快速行進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子端面的快速密封。

(2)工進(jìn)階段:右端電磁鐵通電，左端電磁鐵斷電時(shí)，3位4通電磁閥右位進(jìn)入工作狀態(tài)，從有桿腔流出的油液通過(guò)3位4通電磁閥進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，活塞桿右行，活塞桿向右速度減慢。

(3)快退階段:右端電磁鐵斷電，左端電磁鐵通電時(shí)，3位4通電磁閥左位進(jìn)入工作狀態(tài)，泵輸出來(lái)的油液經(jīng)過(guò)3位4通電磁閥左位進(jìn)入液壓缸的有桿腔，活塞桿向左快速返回。

圖3 液壓缸差動(dòng)連接方式

2.2.2 差動(dòng)連接快速運(yùn)動(dòng)回路的匹配要求

在密煉機(jī)產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先對(duì)通過(guò)各液壓閥油液的最高壓力和最大流量進(jìn)行計(jì)算分析，選用匹配的液壓元件規(guī)格型號(hào)，才能盡量減少液壓系統(tǒng)的泄漏、氣穴及溫升現(xiàn)象，有效地發(fā)揮差動(dòng)連接快速運(yùn)動(dòng)回路的工作性能。

3 密封裝置4個(gè)液壓缸同步動(dòng)作控制方案

轉(zhuǎn)子端面密封裝置的4個(gè)液壓缸以900間隔的方式排列，以4個(gè)點(diǎn)位施壓，只有4個(gè)點(diǎn)位施壓均勻，才能保證密封效果。要求4個(gè)液壓執(zhí)行元件以相同的位移或相同的速度(或固定速度比)同步運(yùn)行時(shí)，就需要用優(yōu)化現(xiàn)有的同步回路?？紤]到執(zhí)行元件所受到的不均的載荷、不相同的摩擦阻力、有差別的泄漏量、制造上的差異等都會(huì)影響同步精度，為了彌補(bǔ)上述影響，液壓系統(tǒng)中采取分流集流閥的同步方式，以克服負(fù)載、摩擦阻力、泄露、制造質(zhì)量和結(jié)構(gòu)變形上的差異，從而保證4個(gè)液壓缸在運(yùn)動(dòng)上的同步。

3.1 采用分流集流閥的同步動(dòng)作回路工作原理

分流集流閥［8］可以使2個(gè)液壓缸得到相同的或成比例的流量，使2個(gè)液壓缸同步動(dòng)作。

采用分流集流閥的同步動(dòng)作回路如圖4所示，當(dāng)換向閥1左位進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，壓力油經(jīng)分流集流閥3分成兩股等量的油進(jìn)入液壓缸5和6，使兩缸同步上升;當(dāng)換向閥1右位進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，分流集流閥3起集流作用，控制液壓缸5和6同步下降。其中，單向節(jié)流閥2的作用是控制兩活塞下降的速度，分流集流閥3的作用是控制兩活塞速度同步。

圖4 采用分流集流閥的同步動(dòng)作回路1.3位4通電磁閥 2.單向節(jié)流閥 3.分流集流閥4.液控單向閥 5、6.液壓缸

分流－集流閥工作可靠，性能穩(wěn)定，精度較高，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、使用和維修方便等特點(diǎn)。分流集流閥自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入兩個(gè)液壓缸的流量，以保證兩缸同步。

分流集流閥也稱(chēng)為同步閥，是集液壓分流閥、集流閥功能于一體的獨(dú)立液壓器件分流集流閥采用換向活塞結(jié)構(gòu)，它們?cè)谝簤合到y(tǒng)中，可使同一油泵供油的2～4個(gè)相同的執(zhí)行元件，無(wú)論負(fù)載大小如何，均能達(dá)到速度同步的目的。

3.2 對(duì)X(S)M－160系列密煉機(jī)同步動(dòng)作控制設(shè)計(jì)

3.2.1 改革原有的液壓缸同步方式

不再使用原有的液壓缸并聯(lián)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，原來(lái)的4個(gè)液壓缸是并聯(lián)的，這種同步回路雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但易受油溫、泄漏的影響且同步精度不高。

3.2.2 采用分流集流閥的同步動(dòng)作回路

在4個(gè)液壓缸前串接3個(gè)分流集流閥(見(jiàn)圖5)，第1個(gè)分流集流閥將流量分為相等的兩支，后面的兩支上再分別接2個(gè)分流集流閥，分成的4支等量流量供給4個(gè)液壓缸，以實(shí)現(xiàn)4個(gè)液壓缸的同步動(dòng)作。

圖5 采用3個(gè)分流集流閥的4缸同步回路方式

3.2.3 選用等流量式分流集流閥

分流集流閥若按調(diào)整方式分有固定式、可調(diào)式和自調(diào)式，其中固定式結(jié)構(gòu)同步閥又有換向活塞式和掛鉤式兩種結(jié)構(gòu)。分流集流閥若按流量分配方式分有等流量式和比例流量式(見(jiàn)圖6)。

圖6 分流集流閥種類(lèi)

比例流量常采用2:1的流量分配方式。為了減少方案元件，該方案采用等量式、可調(diào)式。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決密煉機(jī)轉(zhuǎn)子密封處容易出現(xiàn)的故障，針對(duì)X(S)M系列密煉機(jī)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子端面密封裝置方案，在4個(gè)液壓缸串聯(lián)同步動(dòng)作液壓控制回路中，作者對(duì)液壓元件及液壓回路組成類(lèi)型作了改進(jìn)，具體如下。

(1)以雙作用增壓缸串接在原來(lái)的普通液壓缸之前，實(shí)現(xiàn)增壓的目的。

(2)以液壓缸差動(dòng)連接方式代替普通連接方式，實(shí)現(xiàn)增速的目的。

(3)以采用分流集流閥的同步液壓缸回路代替沒(méi)有補(bǔ)償裝置的并聯(lián)液壓缸同步回路，實(shí)現(xiàn)更精確的同步動(dòng)作。

通過(guò)找到增壓、增速和同步動(dòng)作的最佳匹配參數(shù)，達(dá)到提升X(S)M系列密煉機(jī)工作性能的目的。

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