高溫低壓高速旋轉軸密封

安徽六安江淮永達機械制造有限公司技術部 （237010） 王忠新

加熱溫度在500～1000℃的熱加工設備中，有很多設備都是通過攪拌的方式來保證加熱區溫度或爐內添加介質的均勻，而攪拌的動力都是通過外部的電動機驅動，其轉速大都在1400r/min，而設備內部由于加熱后空氣膨脹或設備內要增添其他成分的介質，所以爐膛一般帶有≤0.005MPa的正壓力。因此，高速攪拌軸的軸頸密封難度很大。一般密封方法容易磨損失效，且失效后不容易發現。而一旦密封不可靠，就會影響爐內產品的質量。

1. 密封的失效模式

圖1

目前高溫、低壓狀態下的高速攪拌軸采用的密封方式主要有兩種：一種比較傳統的是采用耐高溫材料（如石棉、石墨等）進行填料式密封（見圖1）；另一種是采用一組活塞環進行機械式密封（見圖2）。這兩種都是接觸式密封，第二種相對于第一種來說壽命長一點，但更換麻煩。對各種接觸式密封的失效方式進行分析，可歸納為：一是磨損引起失效；二是磨損后不能長期有效地補償；三是磨損后更換不方便。

圖2

2. 失效原理分析

針對上述問題，要想徹底解決密封失效模式，只有從密封結構原理上重新設計，針對密封結構的磨損不斷進行有效的補償，才能根本解決問題。

密封作用好的零件，其材質是比較軟的，有彈性，一般是用橡膠，但只能用于≤200℃場所。熱加工設備的工作條件惡劣：溫度500～1000℃、壓力≤0.005MPa、軸轉速1400r/min。這種低壓力不允許有輕微的密封失效，適合該條件的密封目前只有填料式和機械式。對于旋轉部位，這兩種方式主要的缺陷就是磨損后補償性能非常有限，造成密封性能失效。改進主要從密封材料和密封結構兩個方面入手。

3. 解決方案

（1）改進密封材料 由于傳統的橡膠密封圈只能在彈性限度內起到密封作用，為接觸式密封，也有磨損問題，在高溫場合適用。因此，必須尋找一種有同樣效果的替代材料。

因為壓力較低，所以我們將替代材料的主要作用確定在耐高溫和柔軟性較好兩點上。在日常靜態機械密封中，我們經常在石棉等密封材料的表面涂上一層潤滑脂來加強密封效果，而市場上二硫化鎢類高溫潤滑脂有使用溫度在600～800℃的產品。這一點符合此種場合要求，可以借用。

（2）改進密封結構 機械類所有接觸式的密封都會有磨損，解決磨損的辦法最好是采用非接觸式密封。但非接觸式密封又存在著不能密封高溫氣體的問題。因此需要另尋路徑，先從這方面入手，尋求一種新的結構來解決該種矛盾。

要想密封性能好，就必須用軟性材料作密封介質，并結合使用連續不斷自動補償密封材料磨損的結構。要將這兩者有效地結合起來，利用各自的長處來解決密封問題。因此，考慮借用旋轉軸的動力來實現補償。

4. 新密封結構說明

經過反復試驗，選擇采用如圖3所示的結構，徹底解決了上述問題。新的密封結構中，接觸式填料密封仍然被采用，只是當作粗密封來用，在此基礎上增加了上述“二硫化鎢類高溫潤滑脂+離心甩油盤”的新密封結構。

圖3

工作原理是：工作前離心甩油盤10周圍裝滿二硫化鎢類高溫潤滑脂5，工作時攪拌軸7旋轉的摩擦力帶動裝潤滑脂螺母8（螺紋旋向與攪拌軸7旋轉方向相同）產生向下的壓力，將二硫化鎢類高溫潤滑脂不斷向下推，壓在離心甩油盤上。為防止裝潤滑脂螺母在將潤滑脂向下擠壓的過程中，潤滑脂從裝潤滑脂螺母和攪拌軸之間的縫隙中泄漏，特在裝潤滑脂螺母和攪拌軸結合處增加一O形密封圈6。攪拌軸帶動離心甩油盤高速旋轉，由于離心力的作用，二硫化鎢類高溫潤滑脂順著離心甩油盤將周圍填滿，并帶有一定的壓力，將從耐高溫材料2處泄漏出來的部分氣體封閉。同時，由于冷卻水的作用，高溫氣體流到二硫化鎢類高溫潤滑脂處時溫度已經降低很多，二硫化鎢類高溫潤滑脂已經能承受流到此處的氣體溫度。為了增強冷卻效果，特將密封座12靠近耐高溫材料的位置內側加工成三角槽，以增加熱交換面積。補充潤滑脂的方法：旋開裝潤滑脂螺母，加入二硫化鎢類高溫潤滑脂，旋上裝潤滑脂螺母，向離心甩油盤上壓入二硫化鎢類高溫潤滑脂，直至壓滿為止。

從新密封結構的工作原理可以看出，它仍然屬于接觸式密封，但其密封材料選用了軟性材料——高溫潤滑脂，并結合高速旋轉軸的動力產生的離心力，來自動補償接觸式密封產生的磨損，徹底解決了高溫、低壓、高速旋轉軸的密封問題。

經過改進后的密封機構已在我公司多臺熱處理電阻爐上使用多年，且從未更換過。

5. 結語

綜上所述，高速攪拌軸的密封是熱加工設備中重要功能之一，該功能的好壞直接影響到熱加工設備所加工產品的質量。經實際生產數據表明，根據該類設備的實際工作狀況來改進密封部位的結構設計和材料選用，確實能提高設備的性能和產品的質量。此項技術已申請實用新型專利，專利號zl 2009 2 0143083.4。