污水泵橡膠波紋管密封失效分析及解決方案探究

劉廣棟， 劉勇進(jìn)， 曹春榮

（青島航保機(jī)電設(shè)備有限公司， 山東 青島 266114）

引言

引進(jìn)的某型進(jìn)口柴油機(jī)帶污水泵使用環(huán)境惡劣，泵振動(dòng)大、轉(zhuǎn)速變化大、輸送介質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜（污水）、介質(zhì)含雜質(zhì)多（泥沙等），密封工作空間狹小、沒有冷卻沖洗條件；系統(tǒng)對(duì)機(jī)械密封工作安全性、可靠性及壽命要求較高。這些因素提升了機(jī)械密封設(shè)計(jì)生產(chǎn)難度。

1 密封動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)性能分析

原機(jī)封動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)為橡膠波紋管密封，使用單個(gè)大彈簧。此類機(jī)封是市場(chǎng)上比較常見的密封，設(shè)計(jì)精巧，結(jié)構(gòu)緊湊，通過密封環(huán)、彈簧，依靠膠圈與金屬支架之間的摩擦力傳遞扭矩。橡膠波紋管機(jī)封特點(diǎn)：橡膠波紋管本身建立平衡直徑，使機(jī)封處于平衡工作狀態(tài)；機(jī)封設(shè)計(jì)緊湊，占用空間小；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比較高；動(dòng)環(huán)與軸、靜環(huán)與泵腔之間的密封點(diǎn)可以等效為墊片，密封效果安全、可靠，整體機(jī)封泄漏點(diǎn)主要是密封環(huán)工作面。基于以上特點(diǎn)，橡膠波紋管市場(chǎng)占有率較高，廣泛應(yīng)用于輸送清水和有顆粒的廢水、污水等各種泵組中。

某型進(jìn)口柴油機(jī)橡膠波紋管密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示。1~7 為機(jī)械密封結(jié)構(gòu)組件，8~10 為泵體組件。密封工作狀態(tài)下，各部件功能如下：

圖1 橡膠波紋管式機(jī)械密封

橡膠波紋管提供機(jī)封與軸之間靜密封，傳遞軸與動(dòng)環(huán)之間部分扭矩，橡膠波紋管材質(zhì)為氟橡膠。

動(dòng)環(huán)與靜環(huán)組對(duì)形成機(jī)械密封的徑向密封組件，靜環(huán)材質(zhì)SSiC，動(dòng)環(huán)材質(zhì)RBSiC。

L 型膠圈布置在泵體和靜環(huán)之間，膠圈設(shè)計(jì)為過盈配合，過盈量控制在12%~13%，固定靜環(huán)、形成密封靜環(huán)與泵腔之間靜密封，兼具平衡機(jī)械密封工作時(shí)靜環(huán)上扭矩作用，材質(zhì)氟橡膠。

大彈簧提供機(jī)封密封環(huán)閉合壓力、傳遞部分扭矩，彈簧材質(zhì)為316 不銹鋼。

彈簧座為彈簧安裝基座；上彈簧座與泵軸配對(duì)，使橡膠波紋管型膠圈在此處形成過盈配合，達(dá)到固定橡膠波紋管作用；動(dòng)環(huán)與下彈簧座通過橡膠波紋管固定、傳動(dòng)扭矩，此處橡膠波紋管的過盈量需要控制在12%~13%。

密封環(huán)配合形成密封組件；與橡膠波紋管之間密封、通過摩擦力傳遞扭矩。

2 密封泄漏主要原因分析

1）彈簧使用單一大彈簧，具有旋轉(zhuǎn)方向限制，在泵軸轉(zhuǎn)向與彈簧旋向不匹配情況下，彈簧性能下降，導(dǎo)致機(jī)械密封性能下降，乃至失效。

2）橡膠波紋管高溫環(huán)境下失效。橡膠波紋管在機(jī)封泵腔沒有沖洗、雜質(zhì)多等惡劣工況下，如果采用一般的材質(zhì)（丁腈、氟橡膠等），比較容易產(chǎn)生加速老化，導(dǎo)致強(qiáng)度等性能下降、失效，乃至破裂。

3）橡膠波紋管因傳遞扭矩過大失效。原機(jī)封結(jié)構(gòu)依靠橡膠波紋管自身強(qiáng)度來將泵軸扭矩傳遞至動(dòng)環(huán)。在機(jī)封使用一段時(shí)間后，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間因雜質(zhì)殘留、密封面磨合吸和等原因，動(dòng)環(huán)、靜環(huán)啟動(dòng)扭矩逐步增大。在機(jī)封啟動(dòng)扭矩增加的同時(shí)，橡膠波紋管因工作時(shí)間增加、高溫環(huán)境、介質(zhì)復(fù)雜等原因，總體性能下降，因此運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)逐步增加。

4）靜環(huán)與動(dòng)環(huán)質(zhì)量不穩(wěn)定導(dǎo)致密封泄漏。機(jī)械密封動(dòng)環(huán)與靜環(huán)工作面要求較高，特別在高溫、介質(zhì)復(fù)雜、振動(dòng)大情況下，對(duì)密封環(huán)的機(jī)械性能有較高要求。密封環(huán)材質(zhì)、形位公差、工作面表面粗糙度等對(duì)密封性能產(chǎn)生較大影響。

3 改進(jìn)措施

改進(jìn)型密封結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)型機(jī)械密封

1）補(bǔ)償彈簧改型。原設(shè)計(jì)單一大彈簧兼具為機(jī)封提供軸向閉合壓力以及傳遞部分扭矩功能，彈簧工作狀態(tài)、性能受泵轉(zhuǎn)向影響。

新設(shè)計(jì)方案：將大彈簧更換為波形彈簧。波形彈簧只為密封提供軸向密封環(huán)閉合彈力，不傳遞扭矩，工作性能不受泵旋向影響；波形彈簧具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向工作距離短特點(diǎn)，適應(yīng)小機(jī)封空間狹小應(yīng)用場(chǎng)合。

2）動(dòng)環(huán)傳動(dòng)方式優(yōu)化。原設(shè)計(jì)動(dòng)環(huán)傳動(dòng)由橡膠波紋管及大彈簧完成，在泵軸頻繁啟動(dòng)、變轉(zhuǎn)速情況下，橡膠波紋管在高溫、介質(zhì)成分復(fù)雜條件下傳遞扭矩，使用壽命存在不可控風(fēng)險(xiǎn)。

新設(shè)計(jì)方案：動(dòng)環(huán)與泵軸之間扭矩傳遞通過金屬結(jié)構(gòu)代替原波紋管來實(shí)現(xiàn)，具有高效、安全優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)環(huán)與動(dòng)環(huán)座之間通過卡槽傳動(dòng)，動(dòng)環(huán)座與軸之間通過2個(gè)Ф5 mm 傳動(dòng)銷傳動(dòng)。

3）動(dòng)環(huán)與泵軸之間密封由Ο 型密封圈代替橡膠波紋管。密封圈采用耐高溫的全氟醚材質(zhì)，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力增強(qiáng)。此處Ο 型密封圈只承擔(dān)密封功能，并且隨著動(dòng)環(huán)在波形彈簧作用下進(jìn)行軸向滑移，輔助動(dòng)環(huán)完成機(jī)械密封軸向補(bǔ)償功能。

為適應(yīng)機(jī)封無沖洗、密封環(huán)摩擦熱量無法排出、泵腔介質(zhì)溫度存在過高的實(shí)際情況，Ο 型密封圈選用耐高溫的全氟醚材質(zhì)。全氟醚膠圈價(jià)格相對(duì)于丁腈橡膠、氟橡膠比較昂貴，機(jī)封成本上升。

4）密封環(huán)材質(zhì)改型。原設(shè)計(jì)密封環(huán)組對(duì)為動(dòng)環(huán)RBSIC，靜環(huán)SSIC。此方案優(yōu)點(diǎn)為成本低、可適應(yīng)復(fù)雜介質(zhì)條件，但碳化硅陶瓷材質(zhì)較脆、易碎，抗沖擊性能弱。

新設(shè)計(jì)方案將密封環(huán)改型為高精度金屬碳化鎢密封環(huán)（YWN8），可適應(yīng)復(fù)雜介質(zhì)條件，同時(shí)抗沖擊能力較碳化硅有較大增加，生產(chǎn)成本上升。

5）機(jī)封動(dòng)環(huán)座設(shè)置4 個(gè)M4 頂絲孔，便于機(jī)封拆卸。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

密封設(shè)計(jì)、生產(chǎn)后進(jìn)行了100 h 定型考核，外觀無泄漏、系統(tǒng)壓力正常。試驗(yàn)完畢拆檢，密封各部件未見異常。

密封安裝到柴油機(jī)帶泵設(shè)備上進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用與考核（50 臺(tái)），隨設(shè)備運(yùn)行1 年未見異常[1-2]。

5 結(jié)語

機(jī)封改型后，靜環(huán)與L 型膠圈結(jié)構(gòu)基本不變，動(dòng)環(huán)與軸密封方式改變，動(dòng)環(huán)傳遞扭矩方式改變，彈簧型式改變，各部件材質(zhì)升級(jí)。

改型后機(jī)封因結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬件增加，各部件材質(zhì)升級(jí)，機(jī)封密封性增強(qiáng)，但生產(chǎn)成本增加。

某型進(jìn)口柴油機(jī)機(jī)帶泵的橡膠波紋管密封改型、國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，解決了進(jìn)口波紋管密封價(jià)格高、海外采購渠道單一、通關(guān)手續(xù)復(fù)雜、采購難度大的問題，以及原配機(jī)封壽命短、橡膠波紋管容易破損的問題。