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具有防水、防塵并保持低阻性能的帶式輸送機托輥密封研制方法 —— 文章正文
一．托輥密封結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)原理及技術(shù)依據(jù)：
直通式迷宮密封屬于流阻型非接觸式動密封，其工作原理為:密封齒和轉(zhuǎn)軸組合形成一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，流體流過時會產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，即流體流過間隙時，流動截面積變小，流體降壓加速，之后進入空腔時形成旋渦，一部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到減少流體泄露量，形成密封的結(jié)果。
迷宮密封的泄露特性由流量系數(shù)來表征，流量系數(shù)等于實際泄露量與理想泄露量之比。流量系數(shù)大都由試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗來取得。流量系數(shù)越小則表示密封性能越好，因此，設(shè)計良好的密封應(yīng)該具有較小的流量系數(shù)。
經(jīng)仿真和試驗獲得，直通式迷宮密封的性能取決于齒隙處的節(jié)流損失和密封腔內(nèi)部動能耗散的大?。?a href=http://www.hotmiamicondo.com target=_blank class=infotextkey>密封結(jié)構(gòu)組件中對泄露量影響的關(guān)鍵參數(shù)為：齒隙、齒厚及齒間距（齒前后腔距），齒厚對流量系數(shù)的影響不是單調(diào)的，在齒厚<0.2mm時，流量系數(shù)增加迅速，之后趨向穩(wěn)定，并在齒厚為0.3mm時達到最大值，隨著齒厚的增加，然后緩慢遞減，原因在于齒厚非常薄時，流體局部損失最大，隨著齒厚增加，降低了節(jié)流效果，所以導(dǎo)致了流量系數(shù)的增加，當增加到一定值時，節(jié)流趨于穩(wěn)定，而沿程損失最大；齒間距（齒前后腔距）對流量系數(shù)影響較弱，隨著間距的增加，流量系數(shù)線性遞減；齒隙和齒厚對流量系數(shù)的影響較大，但在工程上，為了保證設(shè)備安全、可靠運行，齒隙已經(jīng)沒有多少可以減小的余地，對于齒厚，如果太小則影響密封齒的強度；增加齒間距（齒后腔距），會由于部件標準尺寸的受限，不可能無限增加。因而，通過優(yōu)化設(shè)計齒厚、齒隙及齒后腔的手段，可提高密封的節(jié)流損失和密封腔內(nèi)部動能耗，即密封性能。
經(jīng)仿真實驗，齒主要幾何參數(shù)變化時對流量系數(shù)的影響結(jié)果如下圖:
齒厚對流量系數(shù)的影響圖 齒隙對流量系數(shù)的影響圖
齒間距（齒后腔室）對流量系數(shù)的影響圖
經(jīng)對直通式密封結(jié)構(gòu)進一步研究，本項目對密封結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)對流量系數(shù)的影響獲得了以下結(jié)論：
- 隨著密封結(jié)構(gòu)進出口壓比（Pa/Po）的減小，流量系數(shù)Cd開始增加較快，然后逐漸趨于一個定值；
- 影響直齒迷宮結(jié)構(gòu)密封效率的參數(shù)主要是：齒間相對厚度（T/δ)、空腔數(shù)N、間隙厚度與空腔寬度之比（δ/W）及空腔深度比（H/W），影響規(guī)律為：
1）給定其它條件，流量系數(shù)Cd隨T/δ的變化存在極大值；
2）在一定范圍內(nèi)增加齒數(shù)N可以降低泄露量，但超過某一齒數(shù)后（N=6)效果就不明顯了；
3）給定結(jié)構(gòu)總長度，存在著使泄露量最小的最佳空腔數(shù)或空腔寬度；
4）臨界流量系數(shù)隨著δ/W的增大而增大；
5）過分加深空腔并不能提高迷宮式密封結(jié)構(gòu)的密封性能，空腔深度比H/W≈0.3時，臨界流量系數(shù) Cd最小，密封效果最好；
6）迷宮式密封結(jié)構(gòu)中首道密封效率對整個結(jié)構(gòu)的密封總效率是重要的；
3.齒形對密封效率有影響：
1）齒形背部呈凹面對密封不利；
2）曲面不優(yōu)于平面；
3）尖邊緣或尖角對密封有利；
4）非對稱齒形的齒尖朝來流方向前傾明顯提高密封效果；
4.梯形齒與斜齒結(jié)構(gòu)密封效率及工藝性能比較好，是定常流工況下應(yīng)優(yōu)先采用的齒形，其中對35°<β<90°時，梯形齒傾角愈小，密封效率高，而斜齒的傾斜角45°（同時直齒尖朝來流方向前傾45°角）左右時，密封效率最佳；
5.迷宮密封中的節(jié)流過程和動能耗過程決定了其密封性能，為了提高密封性能，必須使節(jié)流間隙足夠小且短（一般為0.2+0.6d/1000mm，d為旋轉(zhuǎn)軸的直徑），間隙長度（或齒厚）通常小于0.5mm，以使壓力能夠充分地轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?，同時，還要求節(jié)流間隙后的空腔足夠大（齒間距一般為5~9mm），以使有足夠大的空間來形成正確的渦流，使動能盡可能多地耗散為熱能。
此外，本項目中對密封所裝配設(shè)備的轉(zhuǎn)速對密封性能的影響也進行了實驗分析，獲得了以下結(jié)論：
密封齒裝在動部位，設(shè)備周轉(zhuǎn)速小于20米/秒時，旋轉(zhuǎn)運動對泄露量的影響很小，可忽略不計；密封齒裝在禁止部位，周轉(zhuǎn)速低于70米/秒，設(shè)備旋轉(zhuǎn)影響可忽略不計。根據(jù)《煤礦用托輥技術(shù)條件》給定，托輥轉(zhuǎn)速不得高于660轉(zhuǎn)/分鐘，換算為周轉(zhuǎn)速為1.56米/秒，因而，托輥旋轉(zhuǎn)對密封結(jié)構(gòu)的密封性能的影響可忽略不計。
本項目基于密封泄露特性的基本原理以及影響密封流量系數(shù)的密封結(jié)構(gòu)組成的關(guān)鍵組件（密封齒和膨脹空腔)作用機理和帶式輸送機托輥實際工作環(huán)境中粉塵、流水等需阻隔流體的物理特性，并依據(jù)實現(xiàn)較小的流量系數(shù)的同時達到結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、裝配簡潔、材料低廉、安全可靠等原則，采用計算機仿真和試驗臺試驗的手段對通用型迷宮密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計（優(yōu)化密封齒間隙、齒厚和齒形和齒間距等關(guān)鍵參數(shù)），以創(chuàng)新手段設(shè)計出良好的密封結(jié)構(gòu)、密封材料及密封組件加工和裝配工藝。
密封優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容主要包括：
- 基于保持密封組件安全可靠、易加工及價格相對低廉的性能原則，密封結(jié)構(gòu)組件的材料選用具有優(yōu)異物理性能的UHMW-PE材料；
- 密封結(jié)構(gòu)突破通用的迷宮型密封結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)密封結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵組件幾何參數(shù)對流量系數(shù)的影響結(jié)果以及保持密封結(jié)構(gòu)安全可靠和密封組件裝配簡潔等原則，改變密封齒的齒尖幾何形狀，齒尖設(shè)計為450角，既能保持齒強度，又可盡量提高流體動能局部損失，增強節(jié)流效果；采用雙排齒，兩齒間距為前齒前腔距和后齒后腔距;
由于密封類型為無接觸式，齒間隙可以選擇的余地較小，節(jié)流主要依靠盡可能減小齒尖厚度彌補，一般選擇0.2~0.3mm齒間隙。上述設(shè)計思想同時考慮到了煤礦用帶式輸送機托輥運行環(huán)境中至少包括粉塵、礦井水兩種流體對托輥的侵害以及粉塵、礦井水等流體的不同物理特性和流動特點。 （3）為保證密封組件在加工時及在使用中幾何參數(shù)具有良好的穩(wěn)定性、在加工時保證設(shè)計參數(shù)的精準以及可有效提高密封組件的加工效率，密封組件的加工工藝設(shè)計為以阻燃和抗靜電改性UHMW-PE為原料，標準模具模壓成型；
（4）為保證密封組件裝配時操作工藝簡潔及一次性裝配后組件間幾何參數(shù)精準，密封組件的裝配工藝設(shè)計為托輥軸向定位、組件模塊化組裝工藝。
密封結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后選擇結(jié)構(gòu)為：
L.齒間距 t.齒厚 c.齒隙
本項目對托輥密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要通過仿真實驗和計算方法，主要分別對密封腔結(jié)構(gòu)形式和齒型的優(yōu)化進行比較實驗，對齒隙的優(yōu)化主要依據(jù)仿真結(jié)果進行了合理選擇。
本項目對密封腔結(jié)構(gòu)形式和齒型的優(yōu)化實驗結(jié)果如下：
密封腔結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化實驗結(jié)果為：
相同邊界下不同密封腔結(jié)構(gòu)及對應(yīng)流量系數(shù)實驗表：
根據(jù)上述實驗結(jié)果，基于盡可能降低流量系數(shù)，同時便于工業(yè)化生產(chǎn)的目標，本項目對密封腔結(jié)構(gòu)形式選擇上表中的NO.13方案，同時為進一步驗證其性能又進行了密封結(jié)構(gòu)密封腔內(nèi)流場及云圖仿真。
優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)密封腔內(nèi)流場及云圖如下：
本項目對密封結(jié)構(gòu)中齒型的優(yōu)化實驗主要包括齒形及齒的布局方式的實驗，基于盡可能降低流量系數(shù)和保證齒的可靠性的目標，齒形的優(yōu)化采用將齒尖削成45度角的方法來實現(xiàn)，另對前后齒型的布局進行了以下實驗：
對齒型進行改進，即把齒頂削去一角，形成45度的齒尖，有A、B兩種齒型可選，如下圖：
前后齒分別依次采用A、B兩種齒型，對不同組合進行計算，結(jié)果如下表，可看出后齒對流量系數(shù)影響較小，依據(jù)計算結(jié)果，方案6和7的流量系數(shù)很接近，考慮加工的方便性，采用方案7.
方案7齒型密封結(jié)構(gòu)的密封腔流場及云圖
本項目依據(jù)上述技術(shù)原理對托輥密封結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，所設(shè)計的新型直通式迷宮密封結(jié)構(gòu)經(jīng)計算機仿真和樣品經(jīng)標準試驗臺試驗，密封結(jié)構(gòu)對粉塵和淋水具有顯著的密封效果，但對浸水密封效果不顯著，為此，依據(jù)不增加密封組件數(shù)量和復(fù)雜度，同時，可實現(xiàn)同一密封結(jié)構(gòu)對粉塵、淋水、浸水同時具備顯著密封效果，并易于加工生產(chǎn)的原則，對托輥密封結(jié)構(gòu)進行了進一步優(yōu)化設(shè)計，即將密封組件中外密封件添加設(shè)計螺桿式向內(nèi)雙向螺旋密封（朝向來流方向后螺紋長度略長于前螺紋），在雙向螺紋間設(shè)置儲脂腔并加注防水密封潤滑脂的方法。本項目在設(shè)計螺旋密封時主要依據(jù)以下技術(shù)原理：
螺旋密封結(jié)構(gòu)主要有螺桿和螺套兩類。螺旋密封中流體的流動主要由泵送流動和泄露流動以及由這兩種流動而引起的橫向流組成，螺旋密封的機理就是這幾種流量的平衡，即泵送流量、泄露流量以及由橫向流所造成的流量損失三者之和等于零。螺旋密封的封液能力主要影響參數(shù)包括：螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)（K1-螺旋相對槽寬、K2-螺旋相對槽深及α-螺旋角，K1=s(s+a),s-槽寬，a-齒寬，K2=(h+c)/c,c-半徑間隙，h-槽深）、密封間隙和封液的動力粘度，通過優(yōu)化上述參數(shù)可獲得最大的封液能力。另根據(jù)螺旋密封適合于氣相介質(zhì)條件，適合在低壓（壓力小于1~2MPa）條件下工作，不適合在高壓（壓力大于2.5~3.5MPa)條件下工作，也不適合在高速（線速度大于30m/s）條件下工作，本項目中托輥工作工況（即使在浸水環(huán)境下介質(zhì)壓力不高于80mm汞柱，最大線速度低于1.6m/s）符合螺旋密封適合的工作條件。
本項目優(yōu)化設(shè)計的密封結(jié)構(gòu)示意圖：
（密封結(jié)構(gòu)示意總圖） （密封局部示意圖）
二．我公司研發(fā)的托輥密封結(jié)構(gòu)及加工工藝設(shè)計的創(chuàng)新內(nèi)容：
目前帶式輸送機生產(chǎn)企業(yè)對托輥密封的設(shè)計思想通常為通過盡可能增加密封齒數(shù)量及增加密封齒復(fù)雜度的方法，以增加流道長度及流體流通彎道陡度的途徑提高密封性能，但在設(shè)計時未能準確地以密封機理以及密封結(jié)構(gòu)組件的幾何參數(shù)對流量系數(shù)影響的線性關(guān)系為設(shè)計依據(jù)進行優(yōu)化，因而，普遍存在以下缺陷：
- 因受托輥徑向尺寸及加工難度等限制，密封流道的長度和密封齒的布局均為有限，密封的效果均不顯著，同時，對于煤礦井下運行環(huán)境會同時阻隔粉塵、淋水等至少兩種流體，且不同流體的物理性能和流動性能的差異明顯，所以，對兩種及以上不同性能的流體均達到良好的密封效果更難以實現(xiàn)；
- 在運行一定的周期后，特別是運行3000小時后，由于臨近托輥軸端的密封齒內(nèi)無法消除積灰的堆積，從而顯著降低密封效果，同時明顯增加托輥的旋轉(zhuǎn)阻力；
- 由于密封組件的加工材料通常選用塑料，在運行一定周期后因材料的老化或變形，易導(dǎo)致密封效果下降明顯，同時增加密封齒間的摩擦阻力造成托輥旋轉(zhuǎn)阻力增加。
本項目在進行托輥密封設(shè)計時充分、準確地依據(jù)了密封機理及密封結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對流量系數(shù)影響的線性關(guān)系，并根據(jù)煤礦井下粉塵和污水的物理特性和流動特點，應(yīng)用計算機仿真和實驗室實驗方法，通過優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系參數(shù)，選用適應(yīng)的密封組件加工材料及其加工工藝，對托輥密封進行了優(yōu)化設(shè)計。本項目優(yōu)化設(shè)計的密封具有對污水（包括淋水、浸水）和粉塵同時有效阻隔，運行中無添加托輥旋轉(zhuǎn)阻力，且結(jié)構(gòu)簡單、加工和裝配方法簡潔、價格較低等特點。
本項目中托輥密封設(shè)計及加工工藝創(chuàng)新內(nèi)容主要包括：
- 在密封設(shè)計時，對密封原理及密封結(jié)構(gòu)的密封性能影響因素采用計算機仿真和實驗分析手段進行了進一步研究，并依據(jù)研究結(jié)果中密封組件中齒厚、齒高（齒與壁的間隙）及齒間距（齒前后腔）三個關(guān)鍵參數(shù)以及其相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系對流量系數(shù)的影響，煤礦井下環(huán)境存在的侵害介質(zhì)（污水、粉塵等，且具有腐蝕性）的特性及流動特點，進行密封結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，因而，優(yōu)化設(shè)計具有良好的技術(shù)原理和技術(shù)依據(jù)。
- 密封組件結(jié)構(gòu)設(shè)計為簡單的單齒雙腔室，并在同一結(jié)構(gòu)中適合部件添加螺紋和儲脂腔，實現(xiàn)了密封對污水（包括淋水和浸水）和粉塵的同時有效阻隔；密封結(jié)構(gòu)為非接觸型，對托輥旋轉(zhuǎn)阻力無明顯添加；密封組件簡化為僅三個零件；密封零件的加工方法為注塑工藝，密封組件的裝配為模塊化裝配；密封零件的加工材料選用適用于煤礦井下環(huán)境并性能穩(wěn)定的阻燃和抗靜電改性UHMW-PE材料。
- 為保證密封結(jié)構(gòu)的可靠性和密封性能及易加工與裝配性，在保持齒強度的條件下齒尖優(yōu)化為450倒角以降低齒厚；根據(jù)齒高對流量系數(shù)影響的拐點，齒間隙選擇0.2~0.3mm；根據(jù)齒前后腔室對流量系數(shù)有影響但非顯著的實驗結(jié)論，齒后距設(shè)計為齒前距的兩倍。
（4）為防治泥塵在托輥軸端堆積或粘附，延長密封組件的壽命，保持密封效果，在密封組件中外部件上附加設(shè)計了泥塵清除器，作為密封組件的輔助。
（5）密封組件的所有零件采用注塑成型加工工藝，裝配采用模塊化裝配工藝，一次性密封組件裝配精準度可達到99%以上，并為托輥實現(xiàn)“精準裝配”提供了條件。
Keywords（關(guān)鍵詞）：帶式輸送機,托輥密封
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