關(guān)于一種應(yīng)用于化工機械的傳動密封裝置設(shè)計

張博，雷夢龍(天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著石油煉化技術(shù)的高速發(fā)展，流體機械的應(yīng)用參數(shù)水平也在不斷提高，對機械性能要求也在不斷提高，轉(zhuǎn)軸密封的作用非常突出。于化工機械來說，機械密封是非常關(guān)鍵的部分，只有良好的密封效果才可以保證機械設(shè)備的安全性和可靠性?，F(xiàn)階段的機械密封主要包括傳統(tǒng)機械密封、非接觸式機械密封兩種，由于非接觸式機械密封可以通過流體膜減少內(nèi)部摩擦，可以有效延長機械設(shè)備的使用壽命。本文針對化工機械所需密封設(shè)計了相應(yīng)的密封裝置，同時利用試驗對此裝置工作效果進行了驗證，能夠為化工機械進一步發(fā)展提供相應(yīng)參考。

1 非接觸式機械傳動密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計原理分析

現(xiàn)階段最為常用的機械密封主要有流體靜壓型、流體動壓型、動靜壓組合型等，化工機械所采用的傳輸密封主要利用流體動壓效應(yīng)來實現(xiàn)密封。非接觸式泵送機械密封裝置能夠通過流體在動壓槽內(nèi)部旋轉(zhuǎn)運動在機械設(shè)備的外部形成液體膜，此種膜具有較強的剛度以及較大的端面間隙，所以比較適合應(yīng)用在化工機械的密封方面，磨損相對較小。此傳動密封裝置主要包括高壓側(cè)、低壓側(cè)、密封壩、螺旋槽、密封堰等部分，裝置的不同部位密封方式有所差異，其中上部采取的是零泄漏泵送密封方式，下部采取的是零泄漏上游泵送密封方式。此種方式不但能夠確保裝置可以傳送飽和蒸汽壓力超過環(huán)境氣壓的液體介質(zhì)密封，同時也能夠?qū)Φ陀陲柡驼羝麎旱妮p烴介質(zhì)進行傳輸。若是傳動密封裝置傳動環(huán)進行旋轉(zhuǎn)時，在動壓效應(yīng)作用下會使螺旋槽內(nèi)黏性流體在動、靜環(huán)間形成流體膜，通過此膜的作用能夠隔離動環(huán)和靜環(huán)，避免兩環(huán)端面發(fā)生接觸[1]。

2 應(yīng)用于化工機械的傳動密封裝置設(shè)計內(nèi)容

以上述傳動密封裝置結(jié)構(gòu)原理為基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)用于化工機械的傳動密封裝置，如圖1所示。

圖1 化工機械傳動密封裝置示意圖

(1)此化工機械傳動密封裝置主要是利用單軸實現(xiàn)傳動，在此裝置內(nèi)部單吸單級懸臂式離心泵是最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)之一，是傳動結(jié)構(gòu)的核心，和其他零部件共同聯(lián)動完成傳動。在傳動時主要是通過調(diào)速電機提供動力，并通過彈性柱銷聯(lián)軸器和傳動軸進行連接實現(xiàn)動力的傳輸。為了最大程度降低傳動過程中的功耗，機械密封裝置的傳動軸外部要設(shè)置有軸套，但是因為在實施機械密封傳動過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的軸向力，因此最好在和聯(lián)軸器側(cè)相接近的對稱部位再設(shè)置同樣規(guī)格型號的密封裝置，此密封裝置還可以避免流體發(fā)生側(cè)漏。

(2)此化工機械傳動密封裝置具有非常強的消除功能，可以抵消掉傳動軸上所具有的軸向推力，提升密封效果。在傳動裝置轉(zhuǎn)軸的兩邊分別設(shè)置一個滾珠軸，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的支撐。另外，通過皮帶和傳動軸連接調(diào)速電機，通過在滾珠軸承中部設(shè)置皮帶輪能夠確保密封裝置的平衡性。隨著化工機械裝置的差異，采用的皮帶輪尺寸也會有所差異，在實際應(yīng)用時利用更換軸套、法蘭等方式可以滿足化工機械的要求。

(3)在確保良好密封功能的同時也要注重整體成本的控制，所以在進行化工機械密封傳動裝置設(shè)計過程中要特別加強核心部件的設(shè)計。對于該裝置來說，主動軸是最為關(guān)鍵的部件，發(fā)揮著主體支撐的作用。該軸的一側(cè)和聯(lián)軸器進行連接，另一側(cè)進入到密封腔內(nèi)部，在化工機械運行過程中傳遞著動力。在實際應(yīng)用中需要在同軸線加入電機軸、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀軸以及相應(yīng)的傳動軸，以此來提升轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定性。

(4)為了加強設(shè)計的有效性、準確性，要通過三維建模設(shè)計軟件進行實體建模，在實際設(shè)計時要通過尺寸驅(qū)動的方式進行設(shè)計，利用軟件中所具有的程序功能快速創(chuàng)建修改幾何體零件。現(xiàn)階段絕大部分領(lǐng)域都通過三維軟件進行繪圖，這些三維設(shè)計軟件中都嵌入了不同的有限元分析模塊，能夠?qū)Σ煌こ填愋?包括力學(xué)、傳熱、流體等)進行仿真模擬，將其應(yīng)用在機械密封試驗方面能夠起到非常好的作用。采用此類設(shè)計軟件進行密封試驗，能夠?qū)C械主體、油路、傳感器等關(guān)鍵部位實施有限元分析，利用分析優(yōu)化所得密封端面判定出傳感器最為科學(xué)、合理的安裝區(qū)域。通過此種方式進行密封裝置設(shè)計能夠有效解決安裝、制造等方面存在的問題，更加便捷、準確，能夠大大降低設(shè)計成本[2]。

通過軟件的有效應(yīng)用能夠明確相關(guān)零件中不合適的尺寸，從而可以對其進行必要的微調(diào)，之后可以形成實施用工程圖用于制造。另外，三維實體軟件無需繁復(fù)的渲染就可以形成零部件，能夠組合成最終的機械設(shè)備，更加真實的展示出來。通過三維實體軟件能夠明確各零部件的干涉情況，可以對不同零部件之間所具有的機械關(guān)系進行準確分析，同時也可以檢查不同零部件之間的摩擦情況以及運動關(guān)系等。

3 化工機械傳動密封裝置的試驗分析

為了進一步判定所設(shè)計的化工機械傳動密封裝置具體工作性能，本文利用有限元分析的方式對于傳動密封裝置動靜環(huán)間隙流場壓力分布情況、動靜環(huán)間隙流場溫度分布情況進行仿真分析，最終通過流線圖的分析判定最終密封效果。試驗主要是通過迭代計算的方式進行計算，通過近百次的計算來體現(xiàn)傳動過程中的各種信息(包括壓力、溫度、速度、密度等)[3]。

3.1 動靜環(huán)間隙流場壓力分布試驗分析

通過具體試驗?zāi)軌虻玫絼屿o環(huán)間隙流場壓力大小分布情況，從壓力分布情況來看，所設(shè)定的機械傳動密封裝置動靜環(huán)之間間隙設(shè)定為4 μm，所以對于Z軸來說壓力并不會發(fā)生相應(yīng)的改變，其中最大壓力出現(xiàn)在裝置內(nèi)部流體動壓槽的根部位置，從流體動壓槽根部的尖角開始壓力會漸漸下降。受到流體動壓效應(yīng)的影響，流體并不會向內(nèi)部泄漏，這樣就可以確保化工機械實際工作時動環(huán)和靜環(huán)的有效分割。對于該裝置的高壓區(qū)來說，所形成的環(huán)不具有連續(xù)性，因此在高壓區(qū)可以采取滾動軸承來取代動靜環(huán)進行工作。通過以上分析能夠得知，本文所設(shè)計的機械傳動密封裝置可以大大減小端面之間所形成的摩擦作用，能夠減少磨損，從而提升應(yīng)用時長。

3.2 動靜環(huán)間隙流場溫度分布試驗分析

通過具體試驗?zāi)軌虻玫絼屿o環(huán)間隙流場溫度大小分布情況，從中可知動靜環(huán)間隙流場溫度的最大值主要出現(xiàn)在密封壩位置，而最低溫度則和環(huán)境溫度相同。對溫度分布情況進一步分析能夠得知，在密封壩區(qū)域裝置的溫度相對較高，這就表明此區(qū)域流體會受到更多摩擦，相對其他區(qū)域摩擦嚴重，此時就可以利用槽區(qū)來增強整個裝置的流動性，能夠減小摩擦熱的產(chǎn)生，可以確保裝置內(nèi)部產(chǎn)生的熱量快速分散，從而避免受到較高溫度影響而造成機械密封無效，能夠確保機械傳動密封裝置的正常運行。

3.3 流線圖試驗分析

通過試驗?zāi)軌虻弥藱C械傳動密封裝置內(nèi)部流體流動阻力相對較小，流體可以正常流動，流動過程中不會發(fā)生較大的壓力損失，所設(shè)計的密封裝置可以有效確保流體動態(tài)平衡，能夠保證壓力穩(wěn)定性，可以進一步減小端面的溫升，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封，同時能夠進一步提升化工機械的使用周期。

4 結(jié)語

石油化工行業(yè)的高速發(fā)展，離不開生產(chǎn)設(shè)備的安全性保障。泵類裝置屬于石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要組成部分之一，在使用過程中比較容易出現(xiàn)泄漏問題與設(shè)備密封不足問題，為此，業(yè)界要加強對其使用安全性的研究，提出更加有效的解決辦法。化工機械不同于普通機械產(chǎn)品，其具有嚴格的安全要求，對于密封要求較嚴。隨著技術(shù)水平的快速提升，化工機械裝置密封水平也在提升。在機械密封裝置設(shè)計時需要利用現(xiàn)代信息技術(shù)的輔助來提升密封裝置的有效性，確保維持壓力的穩(wěn)定性、降低裝置工作時的溫度，保證化工機械較長的使用壽命[4]。