一種新型HXD氣鎖軸密封件

摘 要：山東中煙工業(yè)公司青島卷煙廠制絲車間使用的煙絲高溫在線膨脹干燥系統(tǒng)簡稱HXD，干燥后的物料通過旋轉(zhuǎn)出料氣鎖分離后出料，煙絲中脫出的水份通過排氣管道排出。為了防止氣鎖軸與殼體鏈接處泄漏，在氣鎖軸和氣鎖殼體鏈接處用密封材料密封。一旦盤根密封泄露，由于進(jìn)、出料氣鎖尺寸較大，檢修更換需要較多的人力和時(shí)間；氣鎖盤根損壞漏氣不僅使得煙絲隨旋風(fēng)落料器吸走，造成煙絲浪費(fèi)，而且對煙絲內(nèi)在質(zhì)量也有較大影響。文章從問題著手，詳細(xì)介紹了分析設(shè)計(jì)改進(jìn)的全過程，在結(jié)構(gòu)做出了較大的改進(jìn)。采用新結(jié)構(gòu)和新材料提高了HXD氣鎖軸密封件的使用壽命運(yùn)。

關(guān)鍵詞：氣鎖軸密封件；機(jī)械密封結(jié)構(gòu)原理；密封件材料及形式；可靠性

1 HXD進(jìn)、出料氣鎖在使用過程中，主要存在的問題

（1）由于HXD氣鎖運(yùn)行過程中有輕微震動(dòng)，清洗過程中帶有煙油的臟水進(jìn)入浸泡，使密封材料使用壽命較短，較難保證進(jìn)、出料氣鎖性能完好；

（2）一旦盤根密封泄露，由于氣鎖尺寸較大，檢修更換需要較多的人力和時(shí)間；

（3）氣鎖盤根損壞漏氣不僅使得煙絲隨旋風(fēng)落料器吸走，造成煙絲浪費(fèi)，而且對煙絲內(nèi)在質(zhì)量也有較大影響。

2 密封組件結(jié)構(gòu)原理分析

2.1 密封組件結(jié)構(gòu)分析

從氣鎖盤根盒尺寸和結(jié)構(gòu)來看，氣鎖盤根盒的底部由于長期使用、腐蝕、磨損等原因，使得其底部成一斜面。這樣在盤根緊固后，密封環(huán)的受力是單邊受力，對軸的表面接觸不是整個(gè)的密封環(huán)端面。盤根盒的底部是一個(gè)斜面；當(dāng)擰緊盤根壓蓋，那么密封環(huán)與軸接觸的一邊受的壓蓋緊力明顯會(huì)比另一邊受的壓蓋緊力小，而且密封環(huán)的邊與軸不能完好的接觸，不能很好的對軸進(jìn)行包裹。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)密封環(huán)與軸的摩擦主要在劃紅線的位置，這樣只會(huì)加速對密封環(huán)和軸的磨損。

在密封環(huán)磨損的初期階段，由于與軸接觸的地方很窄，接觸的地方也是軸磨最容易摩損的地方，也可以說對軸的磨損主要也在這個(gè)階段。初期表現(xiàn)的是密封環(huán)處出現(xiàn)小的泄漏，當(dāng)適當(dāng)緊固盤根后，密封環(huán)處的初期感覺泄漏變小，但實(shí)際上當(dāng)緊固盤根壓蓋后，是加速了軸與密封環(huán)的磨損。由于過渡的磨損泄漏也就會(huì)變大，最終就出現(xiàn)了緊固沒多長時(shí)間比原來泄漏還大的現(xiàn)象。

解決方法：將盤根盒底部加工成與安裝軸垂直的平面形式。

2.2 密封組件原理分析

通常一個(gè)完整的密封組件由被密封軸、盤根盒、盤根、盤根壓蓋、壓蓋緊固螺栓組成。

盤根對軸的壓緊力由擰緊壓蓋螺栓產(chǎn)生。由于盤根是彈塑性體，當(dāng)受到軸向壓緊后產(chǎn)生摩擦力致使壓緊力沿軸向逐漸減小，同時(shí)所產(chǎn)生的徑向壓緊力使盤根緊貼軸的表面來阻止介質(zhì)外漏。其外端向內(nèi)端先是急劇遞減后趨向平緩，介質(zhì)壓力由內(nèi)向外逐漸遞減，當(dāng)外端的介質(zhì)壓力為零時(shí)，則沒有泄漏，當(dāng)外端介質(zhì)大于零時(shí)泄漏產(chǎn)生。

從上面的分析表明，盤根徑向壓緊力的分布與介質(zhì)壓力分布剛好相反，內(nèi)端介質(zhì)壓力最大，應(yīng)給予較大的密封力，而此時(shí)盤根的徑向壓緊力卻是最小，感覺壓緊力沒有很好的發(fā)揮作用。在實(shí)際的運(yùn)用中，為獲得好的密封性能，往往增加盤根的壓緊力，但是摩擦力也就相應(yīng)增大。這樣對設(shè)備軸與盤根就會(huì)產(chǎn)生異常的磨損情況，最終導(dǎo)致盤根處泄漏。

3 層數(shù)的確定

根據(jù)密封組件結(jié)構(gòu)及原理分析的總結(jié)，并參考其應(yīng)力分布綜合考慮，決定將密封環(huán)設(shè)計(jì)成由兩種材料組成，分三層的夾層式結(jié)構(gòu)，以改變其徑向壓力分布。試想通過減少壓蓋的壓力從而減少密封環(huán)的徑向壓力，使得密封環(huán)磨損速度降低，延長密封環(huán)使用壽命。

外夾層加工制作時(shí)采取過盈配合，使得即使壓蓋的軸向壓力減少了，但由于其采用過盈配合，從而使得其徑向壓力依然比較大。

參數(shù)如表1所示。

結(jié)合HXD氣鎖實(shí)際檢測情況，發(fā)現(xiàn)壓力、溫度、線速度、PH值這三種材料基本上都能滿足設(shè)計(jì)的要求，所以從線脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、摩擦系數(shù)上進(jìn)行了分析選擇。

（1）機(jī)械密封在回轉(zhuǎn)過程中端面產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)使摩擦副環(huán)產(chǎn)生溫度差，從而使摩擦副環(huán)產(chǎn)生溫度變形，摩擦副環(huán)的變形角在一維傳熱的情況下為：

由于溫度變形會(huì)使端面磨損加劇，漏泄嚴(yán)重，因此在選擇材料應(yīng)該注意到這一點(diǎn)。由以上計(jì)算結(jié)果可以看出摩擦副環(huán)的溫度變形角與摩擦副所用材料的線脹系數(shù)成正比，與導(dǎo)熱系數(shù)成反比，要減少溫度變形從材料上考慮就應(yīng)盡量選擇線脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大的材料做摩擦副環(huán)。

（2）摩擦副環(huán)的材料選擇除了從溫度變形上考慮應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的、線脹系數(shù)小的以外， 還由于對摩擦副環(huán)最常見的破壞形式之一熱裂進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于端面摩擦熱使摩擦副環(huán)端面產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力為：

由此可以看出，摩擦副環(huán)的最大熱應(yīng)力與線脹系數(shù)成正比， 與導(dǎo)熱系數(shù)成反比，所以從防止摩擦副端面熱裂的角度出發(fā)也應(yīng)該選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的、線脹系數(shù)小的材料制造端面摩擦副環(huán)。

經(jīng)過對三種材料的分析比以及結(jié)合以上兩公式的推導(dǎo)，最終選擇膨脹石墨作為內(nèi)芯層材料，聚乙烯作為外夾層材料。

4 效果檢驗(yàn)

使用新型HXD氣鎖軸密封件后，在4個(gè)月的跟蹤試用過程中，由氣鎖運(yùn)行1996小時(shí)更換6次降至為設(shè)備運(yùn)行1892小時(shí)無泄漏（0次），提高了設(shè)備的安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。并由于備件更換減少和節(jié)約原料而取得的經(jīng)濟(jì)效益約為28萬元。

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