礦用 行星減速器浮封腔軸向間隙的取值研究

劉建剛

（中煤張家口煤礦機械有限責(zé)任公司，張家口 075000 ）

礦用 行星減速器浮封腔軸向間隙的取值研究

劉建剛

（中煤張家口煤礦機械有限責(zé)任公司，張家口 075000 ）

本文選擇DO型4290浮動油封及浮封腔作為典型研究對象，通過受力分析，計算取得浮封腔之間理論軸向間隙，然后開展模擬實驗，將實驗結(jié)果與理論數(shù)據(jù)做對比分析，最終得出最佳的軸向組裝間隙值。

浮封腔 端面比壓 軸向間隙

1 浮動油封密封機理

DO型浮動油封由成對的兩個浮封環(huán)組成，每個浮封環(huán)則由金屬環(huán)和O形圈配套組成。使用中，兩個浮封環(huán)分別裝在減速器輸出端的軸套和端蓋上，兩個浮封環(huán)中的金屬環(huán)亮帶保持面面重合。減速器運轉(zhuǎn)中，一個浮封環(huán)隨軸套轉(zhuǎn)動，另一個則在端蓋上相對靜止，這樣就使兩個金屬環(huán)亮帶做相對滑動旋轉(zhuǎn)。而此時O形圈在各自浮封腔中受軸向擠壓產(chǎn)生變形，在兩個金屬環(huán)之間產(chǎn)生一定的軸向預(yù)載力（預(yù)先加載），從而使密封亮帶之間緊密對合，產(chǎn)生一定的端面比壓。此時，在兩個亮帶之間含有一層非常稀薄的油膜，就是它完成了內(nèi)外隔離從而達到密封。

但是，如果端面比壓值太小，兩金屬環(huán)不能正常貼合，將直接產(chǎn)生泄漏油。反之，如果太大，會使兩密封面之間的油膜變得稀薄甚至缺失，導(dǎo)致干磨加速金屬環(huán)損壞，縮短使用壽命。

2 浮動油封在使用中的力學(xué)分析

這樣看來，在最初組裝時應(yīng)該給定一個合理的預(yù)載力，而這個力f1的大小則取決于O形圈在浮封腔內(nèi)擠壓變形量的大小。因此，可以通過調(diào)整軸套和端蓋之間的軸向間隙值“A”，來控制浮動油封金屬環(huán)間預(yù)載力的大小。圖1為O形圈在浮封腔內(nèi)受力分析。可以想象，隨著不停地運轉(zhuǎn)使用，這個預(yù)載力會逐漸減小直至失效。那么，在組裝時給出一個最佳的預(yù)載力，就能使浮動油封具有較長的使用壽命。

下面選擇4290浮動油封作為研究對象，其密封亮帶外圈直徑45.7cm，內(nèi)圈直徑45.2cm，可計算接觸亮帶的面積M。由以下推導(dǎo)公式可得端面比壓值Pc與軸向間隙值A(chǔ)的關(guān)系：

圖1 O形圈在浮封腔內(nèi)受力分析

其中，W是O形圈受擠壓變形率，L是受壓接觸面寬度，D是O形圈在自然狀態(tài)下形狀平均直徑（cm），d是O形圈在無受力狀態(tài)下的截面直徑（mm），H0是單個金屬環(huán)在自然組裝狀態(tài)下相較于端蓋浮封腔的距離，f1是O形圈產(chǎn)生的軸向分力。

按照浮動油封結(jié)構(gòu)尺寸，金屬環(huán)背錐角度α=20°，密封腔錐面角度β=10°。根據(jù)經(jīng)驗取值，橡膠圈彈性模量Ea=28.5kg/cm2。

按照以上公式，選取不同的軸向間隙值A(chǔ)依次計算，A取值2mm～10mm之間所對應(yīng)的端面比壓值從0.637MPa一直遞減到0.268MPa。在此范圍內(nèi)，O形橡膠圈的單向受擠壓變形量范圍是14.1%到21.5%之間。結(jié)合油封廠家的推薦，得知浮動油封O形圈單向壓縮變形率應(yīng)控制在15%～25%之間。顯然，這樣的間隙值選擇能夠保證O形橡膠圈的使用性能。

3 DO型4290浮動油封工作狀態(tài)模擬實驗

為進一步分析，對4290型浮動油封做如下實驗。圖2為減速器輸出端浮動油封密封處的結(jié)構(gòu)。組裝時，先將油封兩個浮封環(huán)分別裝在軸套與端蓋上，軸套與端蓋的浮封腔基面間產(chǎn)生間隙尺寸A，就是組裝調(diào)整需保證的的軸向間隙值。

圖2 浮動油封實驗圖示

3.1 實驗需求

①目前使用的兩個廠家（廠家A和廠家B）的4290型浮動油封各一套；②試驗用加壓法碼，最好以10公斤為系列制作，也可用產(chǎn)品零件替代；③具有4290型浮動油封的密封腔，且能夠配對的軸套和端蓋各一套；④實驗平臺1塊。

3.2 實驗內(nèi)容

將實驗平臺清理干凈，將兩個浮封環(huán)分別裝在軸套和端蓋各自浮封腔內(nèi)。事先測量好所需數(shù)據(jù)，按照實際使用狀態(tài)組裝軸套和端蓋，并放置在實驗平臺上。然后，對軸套逐漸加壓，每增加一個砝碼的重量，測量圖示尺寸H。由于這種類型的減速器目前設(shè)計的軸向間隙是3±0.5mm，加工件一般加工在尺寸3mm，即圖2中A=3mm。那么，計算H+A就是每增加一個砝碼時所對應(yīng)的軸向間隙值，并根據(jù)對應(yīng)的砝碼數(shù)量計算重量（kg）。兩者之間呈現(xiàn)一定關(guān)系，記錄好實驗數(shù)據(jù)，可以繪制曲線圖。

3.3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)A廠家和B廠家經(jīng)過實驗的數(shù)據(jù)，繪制間隙值A(chǔ)與端面比壓值Pc的關(guān)系曲線，與之前理論計算所得曲線比較結(jié)果，如圖3所示。

圖3 實驗取點數(shù)據(jù)與曲線對比圖（理論-A廠家-B廠家）

由圖3可知，兩者呈近似于線性的關(guān)系。在一定的范圍內(nèi)，間隙值A(chǔ)越小，比壓值Pc越大；反之，遞減。間隙值與端面比壓成反比例曲線關(guān)系。由兩種浮動油封做實驗得出的關(guān)系曲線變化情況非常接近，將理論計算繪制的曲線與之合在一個曲線圖上，很容易看出實驗所得與理論計算結(jié)果非常吻合。由實驗首先計算在A=3.0mm、A=3.5mm和A=4.0mm三個特殊間隙值時產(chǎn)生的浮動端面比壓值Pc。將以上實驗數(shù)值與之前純理論計算所得數(shù)值做具體比較，可以看到兩者數(shù)值非常接近。

可是，相較于理論計算，實驗?zāi)軌蚋诱鎸嵎从掣佑头獾男阅芴卣?。那么，當軸套和端蓋間軸向間隙壓縮到3mm時，浮封環(huán)端面比壓值已經(jīng)接近于或超過0.6MPa。由于行業(yè)標準制定比壓值范圍在0.3MPa～0.6MPa之間，可知在3mm調(diào)整間隙值情況下，已達到許允比壓值的臨界上限值。而以往設(shè)計給定的間隙調(diào)整值為3±0.5mm，當調(diào)整間隙時取值3mm以下的范圍，將使金屬環(huán)承受較大預(yù)載力，直接導(dǎo)致密封面間不能形成有效厚度的油膜，進而產(chǎn)生高溫發(fā)熱，從而加速O形圈的提前老化。綜合這兩種油封產(chǎn)品實驗結(jié)果，針對4290浮動油封來說，在保證O形圈和金屬環(huán)都在正確的位置前提下，浮動油封的設(shè)計要考慮讓其具有盡可能大的端面比壓，產(chǎn)生較大的彈性儲備，增大使用期限。調(diào)整浮封腔間的軸向間隙值A(chǔ)至少應(yīng)該選擇＞3mm的范圍，進而考慮到給組裝留出合理的調(diào)整范圍，選擇3.5～4mm之間，即3.5（+0.5/0）mm。

4 結(jié)語

參照典型型號的浮動油封和對應(yīng)浮封腔結(jié)構(gòu)特征，建立密封零件截面的二維模型，通過理論計算和實驗分析，得到軸向間隙值與密封端面比壓之間的關(guān)系。綜合兩種分析方法的結(jié)果，確定最佳組裝間隙值A(chǔ)。因此，也形成了一套研究兩個浮封腔零件軸向調(diào)整間隙值A(chǔ)的方法。該研究過程簡單明了，很具有實際指導(dǎo)意義。

[1]成大先.機械設(shè)計手冊[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Study on the Value of the Axial Clearance of the Floating Seal Chamber for the Mine Planetary Reducer

LIU Jiangang
(Zhangjiakou Coal Mine Machinery Co., Ltd., Zhangjiakou 075000)

This paper choose the dissolved oxygen (do) 4290 floating oil seal and floating seal cavity as a typical research object, through the stress analysis, obtained between the floating sealing cavity theory of axial clearance, then carry out simulation experiments, comparative analysis of experimental results with the theoretical data, finally obtains the optimum axial assembly clearance value.

floating seal cavity, end face pressure, axial clearance