高速旋轉(zhuǎn)碟式分離機(jī)密封技術(shù)

李 邦，趙奇峰，尹延經(jīng)，李 麗，閆媛媛

（1. 南京中船綠洲機(jī)器有限公司，南京 210000；2. 洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南洛陽(yáng) 471000）

0 引言

碟式分離機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的分離機(jī)械，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速范圍為4 000 r/min～12 000 r/min，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力實(shí)現(xiàn)液-液、液-固、液-液-固分離，具有分離因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，碟式分離機(jī)正向高速小型化方向發(fā)展，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的密封件隨轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)密封件受到的液壓離心壓力也越來(lái)越大，對(duì)橡膠密封件（高速旋轉(zhuǎn)或高速旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)）提出了更高的使用要求。

本文提出一種利用有限元技術(shù)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)碟式分離機(jī)密封技術(shù)研究的方法。通過對(duì)碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)密封件溝槽和密封件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，并利用有限元分析軟件建立溝槽－橡膠密封件的有限元分析模型，施加相應(yīng)的載荷和約束，然后再進(jìn)行有限元仿真分析，通過分析橡膠密封件的變形圖和等效應(yīng)力圖，從而確定密封溝槽是否滿足要求，既要保證密封性，又要防止橡膠密封件擠入零件間隙出現(xiàn)“咬傷”損壞。

1 計(jì)算分析

1.1 溝槽-密封件簡(jiǎn)化模型

碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)零部件均為不銹鋼金屬材料，密封件材料為非金屬橡膠，轉(zhuǎn)鼓零部件相對(duì)于橡膠密封件剛度和硬度是無(wú)窮大的，可以將轉(zhuǎn)鼓零部件（轉(zhuǎn)鼓體和滑塊）作為剛性考慮，根據(jù)碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立溝槽-密封件簡(jiǎn)化模型（見圖1）。

圖1 溝槽-密封件簡(jiǎn)化模型圖

1.2 溝槽-密封件有限元計(jì)算模型

以某型碟式分離機(jī)作用滑塊密封圈為例進(jìn)行分析，按照溝槽－密封件簡(jiǎn)化模型在Pro/E軟件中建立了轉(zhuǎn)鼓體、滑塊和橡膠密封圈三維模型并完成了三者裝配，為了提高計(jì)算效率，將裝配后的模型取1/12作為有限分析模型，然后將模型導(dǎo)入有限元分析軟件，在有限元分析軟件環(huán)境中，對(duì)轉(zhuǎn)鼓體、滑塊和橡膠密封圈劃分網(wǎng)格。其中，對(duì)橡膠密封圈進(jìn)行了細(xì)化網(wǎng)格，防止計(jì)算結(jié)果不收斂，在有限元分析軟件環(huán)境定義材料屬性、施加載荷和約束、添加結(jié)果并求解，再查看分析結(jié)果。如何定義材料屬性、施加載荷和約束如下。

定義材料屬性：由于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)零部件均為不銹鋼件，采用有限元分析軟件自帶的Structural Steel材料，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7.8×10?6kg/mm3。

橡膠密封圈采用有限元分析軟件自帶的Mooney-Rivlin材料，通過調(diào)節(jié)Mooney-Rivlin內(nèi)部參數(shù)C10和C01來(lái)模擬橡膠密封圈的變形情況。取C10＝0.586，C01＝0.147。

施加的載荷主要包括重力、離心力（見圖2）和液體離心壓力。重力可以通過standard earth gravity實(shí)現(xiàn)；離心力可以通過添加旋轉(zhuǎn)角速度實(shí)現(xiàn)；液體離心壓力采用commands命令編制的函數(shù)進(jìn)行加載。

不銹鋼件的密封溝槽剛度是橡膠密封圈的幾萬(wàn)倍，所以不考慮其變形，即密封圈溝槽及密封圈接觸的零件均視為剛體邊界。添加的約束主要包括：無(wú)摩擦支承和圓柱支承（見圖2）。

圖2 溝槽-密封件載荷和邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果分析

本文主要研究密封溝槽尺寸和密封件硬度對(duì)密封件使用壽命的影響。關(guān)于橡膠密封圈的失效準(zhǔn)則和失效判據(jù)，目前普遍采用的是最大接觸壓應(yīng)力大于工作壓力。從有限元仿真分析結(jié)果來(lái)看，在滿足密封條件下，相同尺寸密封圈在不同密封溝槽中，溝槽尺寸小的橡膠圈更容易變形，更容易擠入間隙中。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果，在科研試驗(yàn)站進(jìn)行了裝機(jī)測(cè)試，具體試驗(yàn)情況如下。

1）試驗(yàn)介質(zhì)：潤(rùn)滑油。

2）溫度：95 ℃～98 ℃。

3）每隔20 min執(zhí)行一次排渣動(dòng)作。

4）轉(zhuǎn)速：11 000 r/min。

5）運(yùn)行時(shí)間：約70 h（排渣次數(shù)約210次）。

為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，滑塊座和作用滑塊采用相同的密封圈，作用滑塊的溝槽尺寸比橡膠密封圈大；滑塊座的溝槽尺寸比橡膠密封圈小。由圖3可知，對(duì)于相同密封圈，溝槽尺寸大的密封圈無(wú)任何損壞現(xiàn)象，而溝槽尺寸小的密封圈出現(xiàn)了“擠出”和“拉毛”損壞。

圖3 不同溝槽尺寸下橡膠密封圈損壞情況

4 結(jié)論

綜上所述，密封件溝槽尺寸對(duì)密封件使用壽命影響很大，同時(shí)考慮碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓零部件裝拆可以會(huì)導(dǎo)致密封件剪切，密封圈應(yīng)該沉入溝槽內(nèi)，并配置一定角度的導(dǎo)入角，兩零件間的間隙也應(yīng)當(dāng)控制好，否則也會(huì)出現(xiàn)間隙過大導(dǎo)致密封件“咬”傷，影響密封圈使用壽命。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，利用有限元法可以進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)碟式分離機(jī)密封件分析，在分析過程中，首先建立有限元分析模型，再施加相應(yīng)的載荷和約束，然后經(jīng)過求解計(jì)算可以有效分析溝槽－密封件特性，試驗(yàn)驗(yàn)證這種分析方法對(duì)碟式分離機(jī)密封件的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。