凝汽器在線清洗機器人的水下旋轉動密封設計*

王 成，顧 萍，張 瑞，禹建勇

(1.南京科遠智慧科技集團股份有限公司，江蘇 南京 211102； 2.南京拓耘達智慧科技有限公司，江蘇 南京 211102；3.江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室，江蘇 南京 211102)

0 引 言

在凝汽器長期運行過程中，凝汽器冷凝管內壁因水質和溫度等原因會導致結垢現象，從而使凝汽器傳熱性能下降[1]。因此，為了提高冷凝管的熱傳導性電廠必須對冷凝管進行定期的清洗。凝汽器在線清洗機器人是用于火電廠凝汽器清洗的一種自動化裝置，其通過機械臂引導高壓水管對準每根冷凝管，絞盤控制高壓水管收放，并利用高壓水管進入冷凝管內清洗[2]。因機械臂長期置于水室中運行，內部有伺服電機、絕對編碼器等精密電氣部件，故防水密封尤為重要 。

凝汽器清洗機器人機械臂的密封分為靜密封和動密封兩種，靜密封相對容易解決，旋轉關節的動密封為難點。關節旋轉時，軸孔間存在配合間隙，就會產生泄露。且水室中的循環水多取自江河水，部分為海水，水介質中的氯離子、微生物等產生的腐蝕作用，以及硬質雜質如泥沙等產生的磨損，均會影響機械臂旋轉關節的密封。目前，凝汽器在線清洗機器人機械臂的旋轉關節多采用機械密封。實際應用中，使用機封的旋轉關節運行約兩年便會出現內部進水，導致電機損壞等故障。為解決機械臂旋轉關節進水問題，筆者設計出一種組合密封結構，經驗證滿足凝汽器在線清洗機器人機械臂在水室環境中的長期密封。

圖1 凝汽器在線清洗機器人

1 機械臂關節旋轉動密封設計

1.1 動密封結構設計

凝汽器在線清洗機器人應用場合為可能有海水倒灌、含泥沙的水室，部分為氯離子濃度≤20 g/L的海水水室，含固量為10%。水室中定期會添加阻垢劑等酸性或堿性溶劑。水下壓力小于0.6 MPa，溫度：5～55 ℃。機械臂兩旋轉關節電機轉速最大限制為100 r/min,減速比分別為：242.1,150.1，即第一關節轉速<0.41 r/min，第二關節<0.66 r/min。機械臂旋轉幅度正反均<180°。密封要求內部水位不得到達電機位置，壽命為8年。

目前采用的機械密封型式，其密封端面之間有垂直于軸線的相對滑動，在流體壓力和補償機構的作用下始終保持貼合，端面之間始終維持一層薄的液體膜來輔助密封[3]。但是，凝汽器水室中壓力不超過0.6MPa為低壓，線速度很低僅0.023m/s，密封端面液膜不易形成和維持，可能導致干摩擦，加劇密封端面的磨損。而且由于潤滑液膜的存在，密封端面間始終維持一定的間隙，同時流體壓力和補償機構的不平衡也會造成端面打開，導致介質中的顆粒狀物進入密封面，加劇磨損造成密封失效。此外，安裝不良、摩擦副端面形成水垢、振動等因素均可能導致泄露。

旋轉關節的動密封方式除機械密封外，還有多種其他的密封方式，如：O型圈密封、O形圈與聚四氟乙烯滑環組合密封、迷宮密封、磁流體密封等。這些密封各有優缺點，其比較見表1。[4]凝汽器在線清洗機器人機械臂旋轉關節的密封介質為水，故磁流體密封方式不適用。迷宮密封適用于高轉速密封且結構復雜，而機械臂轉速很低，故也不作為考慮。組合密封因其結合了聚四氟乙烯自潤滑及O形圈的彈性補償作用，在旋轉密封中使用較廣，但一般結構尺寸小，機械臂的關節直徑達到200 mm以上，沒有適用規格；且組合密封對軸的硬度要求較高，旋轉時間長了之后軸上磨損會導致泄露。O形圈動密封結構簡單、成本低、安裝方便、應用范圍廣。凝汽器在線清洗機器人的旋轉關節轉速低，密封壓力小，故首先考慮O形圈方式作為凝汽器在線清洗機器人的旋轉關節動密封方式。

表1 動密封方式比較[4]

為保證密封的可靠性，采用雙O形圈密封，且兩O形圈溝槽中間設置一個儲油槽，裝配時在其中填充潤滑脂。潤滑脂采用防水密封潤滑脂，是一種高粘附性防水密封硅脂，具有抗腐蝕性，同時具備潤滑和輔助密封作用。

由于水室中的水介質中含有泥沙，故主密封外需增加一道保護密封用來擋泥沙。一般情況下擋泥沙采用毛氈密封，但機械臂旋轉關節尺寸相對較大，毛氈斜切口的銜接有泄露的風險。故采用PTFE密封環作為保護密封。PTFE密封環采用PTFE添加20%的碳纖提高耐磨性，外圈與殼體之間為過盈配合，內圈與旋轉軸配合，密封面涂抹防水密封潤滑脂。密封截面為矩形，在運動的接觸表面加開了兩個儲油槽，在減小接觸面積的基礎上儲油槽內部油脂起潤滑作用，降低摩擦阻力。PTFE即聚四氟乙烯，其摩擦系數低，可自潤滑，適用于旋轉、搖擺、往復運動[7]。

如圖2所示，即為本文設計的機械臂旋轉密封關節結構示意圖，使用雙O型圈作為主要密封，PTFE環阻擋泥沙、保護O型圈密封，同時設置油槽填充密封潤滑脂。

圖2 密封關節結構示意圖

1.2 O型圈理論計算

O型圈密封雖然結構簡單、安裝方便且成本低，但容易出現啟動摩擦阻力大、摩擦生熱等問題。旋轉軸高速旋轉時，O型圈受熱膨脹導致和軸之間的抱緊力加大，產生“卡夫-焦耳效應”，從而加劇旋轉軸的磨損最終可能會磨出一條溝槽導致泄漏[5-6]。故設計時在保證足夠的密封面接觸壓力的基礎上，盡量使O型圈內徑與旋轉軸外徑之間接觸減少，減小摩擦力。故采取外徑壓縮量的設計方法， O形圈外徑大于密封溝槽的內徑，控制外徑壓縮率3%～8%[5];O形圈的內徑稍大于旋轉軸的軸徑以減少抱緊力；同時密封面涂抹潤滑脂，避免干摩擦，減緩了這種磨損的惡性循環，同時摩擦阻力減小。考慮到O型圈本身的尺寸精度，應盡量選擇截面直徑較大的O形圈。同時，選擇較高硬度的O形圈，以邵氏硬度HS70～80為宜。根據凝汽器水室的循環水環境以及密封壽命要求，O形圈材質取氟橡膠材質，硬度為HS75，其耐海水腐蝕性基本同丁晴橡膠，但耐化學腐蝕性及耐候性及耐老化性能優于丁晴橡膠，其儲存穩定性達20年。除此之外，應盡量選用分型飛邊不明顯的或者45°分型的O形圈，避免凸起的分型線加劇軸的“卡夫-焦耳效應”。

圖3 O型圈參數說明

如圖3所示，在旋轉動密封中，O形圈外徑壓縮率W通常用以下公式求出：

其中：D2為O形圈在自由狀態下的實際外徑(mm)，D1為O形圈溝槽底直徑(mm)。以機械臂一關節為例，進行O形圈設計計算，一關節軸徑設計為D=φ266mm，O形圈內徑d1比軸徑大3%～5%，取d1=φ276； O形圈截面直徑為φ7，故O形圈外徑D2=φ290；外徑壓縮率要求取3%～8%，取溝槽底徑D1=278，此時溝槽底距軸距離H>標準O形圈槽深，即O形圈截面壓縮比一般情況小。考慮加工公差，外徑壓縮量校核亦滿足3%～8%范圍內。

2 試驗驗證

為驗證上述密封結構用于凝汽器在線清洗機器人機械臂旋轉關節的實際效果，按照一關節結構及尺寸制作如圖4、5所示工裝進行驗證。

圖4 測試工裝結構 圖5 測試工裝外觀

外殼腔體內注滿水，模擬水室環境添加10%泥沙，添加鹽使氯離子濃度為20 g/L，加壓達0.6 MPa并保壓。機械臂運行1年清洗20次，清洗一根冷凝管1 min，機械臂運動5 s，按10 000根冷凝管計算，清洗一次約7天，則8年大臂關節實際運轉時間為8×20×7×24×5/60=2 240 h。為縮短測試周期提高至4倍轉速測試，運行560 h即滿足8年密封壽命。

560 h后測試結果如圖6、7所示，內部保持無可見液態水，泥沙堆積在密封結構外。測試過程中對摩擦阻力矩進行監控，如圖8所示，力矩值比較穩定。

圖6 試驗后腔體內干燥 圖7 密封結構外部泥沙

圖8 試驗過程摩擦阻力監控曲線

壽命測試完成后，該密封測試工裝繼續測試累計1 200 h，超2倍壽命，依舊保持內部干燥，無可見液態水。

3 結 語

驗證結果表明，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護密封及防水密封潤滑脂，形成組合密封方案適用于凝汽器在線清洗機器人使用工況，在對應的速度、壓力下可實現有效密封，真正實現零泄露。同時，該方案結構簡單、易拆裝、便于維護，目前該結構已成功應用到海水型凝汽器在線清洗機器人產品中。