選礦設備軸承密封結構的設計及優化

李元新

（沈陽遠大鋁業工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

我國是一個礦產資源大國，為了提高我國在世界組織上的地位與競爭力，應當加大對礦產資源的開采量，以提高選礦質量，帶動我國市場經濟的發展。在此種社會發展背景下，有關技術單位設計了針對礦區的選礦設備，為了方便后期的使用與維修，選擇密封軸承結構作為設備的主要結構[1]。通常情況下，密封結構可被劃分為接觸式密封結構與非接觸式密封結構，前者存在啟動時，動力軸距大的問題，即啟動設備需要耗費較多的能源，而后者存在密封性能差、使用時存在漏脂現象的問題，總之，現如今常用的軸承密封結構均無法滿足礦產行業對于選礦設備應用提出的問題[2]。甚至會在實際使用中，為采礦技術人員帶來一些不必要的麻煩。但優化改造結構需要耗費的成本或資金較大，我國一直沒有相關研究單位對此方面的工作進行組織，因此，有必要對選礦設備軸承密封結構進行優化設計，以此種方式，提高設備在使用中發揮的效果，從而為我國礦山工程的有序實施提供指導，避免由于選礦設備結構方面的問題，導致礦山工程的實施受到抑制。

1 選礦設備軸承密封結構的優化設計

1.1 構建選礦設備軸承密封結構參數優化目標模型

對于選礦設備軸承密封結構而言，其密封面的內側和外側都會形成接觸應力峰值，并且內側接觸應力的峰值應當遠遠高于外側應接觸應力的峰值，以此才能夠確保多余的潤滑脂不會進入到密封結構當中，影響結構的密封效果。因此，綜合上述分析，將密封結構內側接觸應力峰值Tnmax和外側接觸應力峰值Twmax作為本文優化設計當中的主要優化參數[3]。同時，在選礦設備實際應用中，由于軸承密封結構接觸應力的分布呈現出中間應力值低于兩側應力值的現象，會引起密封結構失去原本的密封性能，而實際密封區域會比理想狀態下更小。因此，對于軸承密封面之間的最小接觸應力Tmin進行調節。若Tmin能夠獲得一個相對較大的數值，則能夠進一步提高軸承結構的密封效果。

綜合選礦設備實際應用效果，選擇將軸承密封結構靜環與動環密封面之間的寬度、傾斜面角度以及入角徑向長度作為結構優化設計的主要變量，構建如公式（1）所示的選礦設備軸承密封結構參數優化目標模型。

公式（1）中，x1表示為軸承密封結構靜環與動環密封面之間的寬度；x2表示為軸承密封結構靜環與動環密封傾斜面角度；x3表示為軸承密封結構靜環與動環密封傾斜面入角徑向長度；f1、f2和f3分別表示為上述三個優化目標[4]。對于多個結構參數的優化而言，為了方便后續實現，需要將其轉換為單一目標的優化問題，因此本文采用線性加權法對上述多目標函數進行轉換，得出如公式（2）所示的單一總目標函數：

公式（2）中，a1表示為密封結構內側接觸應力峰值Tnmax的加權系數；a2表示為密封結構外側接觸應力峰值Twmax的加權系數；a3表示為密封結構密封面之間的最小接觸應力Tmin的加權系數。同時，為了實現對三種不同優化目標重要性的描述，可通過公式（3）表達式表示：

公式（3）中，i表示為上述總目標函數當中某一目標優化參數，通過計算得出ai，利用該數值對各個單一優化目標對整個多目標問題當中的重要程度進行表示，并以此對三個不同優化目標結構進行排序，選擇出影響選礦設備軸承密封結構的密封性能最重要的結構參數，并以此為后續基于遺傳算法的多目標密封結構關鍵參數優化提供數據依據。

1.2 基于遺傳算法的多目標密封結構關鍵參數優化

在對選礦設備軸承密封結構進行優化時，利用遺傳算法對多目標密封結構的關鍵參數進行優化，其運算流程如圖1所示。

圖1 基于遺傳算法的多目標密封結構關鍵參數優化流程

將通過神經網絡訓練得出的映射函數作為遺傳算法當中的適應度函數，計算出選礦設備軸承密封結構參數組合下，三個接觸位置的應力值大小，并對圖1流程中的主要參數進行設定。根據選礦設備軸承密封結構特點，設置在參數優化求解過程中群體大小為60，遺傳代數為150代，交叉率為85%，變異率為1%。將本文上述構建的選礦設備軸承密封結構參數優化目標模型轉換為單目標函數，并利用線性加權法對其進行求解[5]。由于在選礦設備實際運行過程中，軸承密封結構的各個單目標函數的加權關系無法確定，因此需要對單目標函數的加權系數進行模糊處理。由于權重發生改變時，總目標函數的最優值變化幅度不明顯，因此說明加權系數的變化對于最終結構優化參數的影響較小，因此考慮到上述三種單目標對總目標的影響程度，假設單目標的加權系數為A1，A2和A3，則取總目標的加權系數為A1=A2= A3=1/3。

按照上述優化流程，當完成60次遺傳迭代后，選礦設備軸承密封結構的密封面上內側最大接觸應力的最小值、外側最大基礎應力最大值都達到了最優值。而在完成規定的60次遺傳迭代次數后，總目標函數的解沒有發生較大變化，并逐漸趨于穩定。因此，說明在第60次遺傳迭代得出的結果，即為最優選礦設備軸承密封結構參數結果。

2 實例應用分析

本文以選礦設備當中常見的6314系列產品為例，該產品在優化前密封結構的內圈外徑為直臺式密封結構，如圖2所示。

圖2 優化前6314系列選礦設備軸承密封結構示意圖

這種結構的密封結構相對簡單，其密封性能會直接影響軸承零部件的加工精度以及密封圈的質量。當前該系列選礦設備存在防塵、抗漏脂性能差的問題。對此，本文引入上述提出的優化設計思路，對該設備的軸承密封結構進行優化。優化后內圈外徑帶牙槽式密封結構具有良好的密封性，并且不論述軸承內部，或是軸承外部都不存在油脂漏出或灰塵進入的現象。為進一步驗證優化前后密封結構的性能，選擇在高壓工況條件下，通過增加軸承運行速度，對其最大溫升進行記錄，如表1所示。

表1 優化前后不同軸承轉速條件下最大溫升變化表

從表1中可以看出，優化前軸承密封結構隨著轉速的增加，最大溫升也不斷增加，并且增加幅度明顯，而優化后軸承密封結構的最大溫升雖然也隨著轉速增加而增加，但增加幅度較小。在高壓工況條件下，出現最大溫升增加的主要原因是動靜環之間的接觸應力增加，進而造成密封面的摩擦熱產生，從而使得最大溫升增加，若增加幅度過大，則會造成軸承密封結構失去密封效果。因此，從表1當中的數據得出，優化后的軸承密封結構最大溫升的上升幅度緩慢，能夠保證軸承結構具有良好的密封性。

3 結語

通過本文上述論述，針對當前選礦設備軸承密封性差的問題，提出了一種全新的優化設計方法，并通過實例分析證明了該優化思路的可行性。本文雖然對選礦設備軸承密封結構進行優化，但由于研究能力有限，文章中還存在一些方面不足，例如本文僅針對軸承密封結構在理想狀態下進行了性能分析，在今后的研究中還將建立針對選礦設備軸承結構偏載和振動工況下的分析模型，從而實現對結構參數變化的全面分析，提出更加符合實際工況的密封結構優化方案。