水平篩主軸密封研究及結構改進

趙琴，孫濤，葉劍

（貴州成智重工科技有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

振動篩作為機制砂石骨料加工工藝中系統核心篩分分級設備已獲得廣泛運用，是決定產品級配穩定、系統產能的關鍵設備之一。隨著砂石生產系統集成化、規?；陌l展趨勢，傳統圓振篩的處理量已無法滿足現代大型機制砂石生產線的加工工藝要求。為此，國內陸續開發了具有振動強度大、篩分篩率高、處理量大的水平篩[1]。水平篩的運用，減少了砂石生產線的篩分設備數量，減少了占地面積，同時減少了皮帶機、除塵器等輔助裝備的數量，大幅度簡化了砂石生產系統流程，為砂石生產線的集成化發展提供了裝備技術保障。

但水平篩的優秀的工作特性決定了其具有高振幅、高跳動和大變形的特點，相對于傳統振動篩分設備，水平篩具有更高的振動強度（約6 g），這給水平篩的主軸密封性能要求帶來了較大挑戰。如依然采用傳統的振動篩主軸密封結構，受裝配工藝、裝配環境及零件加工精度等多種客觀因素綜合影響，極易出現密封圈損壞、滲油甚至漏油問題。若未能及時維修更換，可引發軸承燒毀、齒輪打齒等故障，嚴重時會導致設備大修，嚴重影響企業正常生產經營。

通過對工程中遇到的故障案例總結分析，開展了水平篩主軸密封技術研究，提出了優化改進方案[2]。發明了成本低、可靠性高的密封結構，解決了傳統密封技術存在的不足。經工程實踐驗證，設備使用壽命及可靠性獲得大幅提升。

1 水平篩傳統主軸密封技術

1.1 密封結構與密封原理

水平篩的密封有箱體的密封和主軸的密封。箱體的密封件之間無相對運動，傳統的密封技術可以實現較好的密封效果。但主軸的密封因主軸和箱體之間存在相對運動，傳統的主軸密封技術已經不適用于高振動設備。

傳統振動篩主軸密封裝置結構如圖1所示，由安裝座、骨架油封組成，通過雙唇形密封圈內填充的高溫潤滑脂，利用高溫潤滑脂滴點高，黏度大的特性，實現潤滑油的密封。

圖1 水平篩傳統密封結構

1.2 傳統技術方案分析

1.2.1 油箱封板變形量檢測

主軸貫穿油箱，通過軸端皮帶輪，與電機通過帶傳動實現電機扭矩的傳遞。主軸與油箱的密封通過密封安裝座內的唇形密封圈及內注高溫潤滑脂實現。密封安裝座固定在由薄鋼板制作成的油箱封板上。主軸在周期性激振力作用下，在油箱安裝座周圍產生周期性交變應力。通過對運行一段時間后的水平篩油箱封板仔細觀察，軸承座周圍產生了較大程度的變形，間接影響了密封性能。

為研究水平篩油箱運行一段時間后油箱封板的變形量，針對某項目水平篩運行200 h后的油箱封板進行了測量，測試采集點如圖2所示，測試結果見表1。測試結果表明，沿著主軸徑向方向，油箱封板變形量逐漸遞減，最大變形量12 mm，遠超正常變形范圍。油箱封板的變形，導致密封座的失穩，影響了密封圈與主軸的貼合，降低密封性，設備運行后稀油隨運行時間溫度逐漸上升，高溫稀油大量進入潤滑脂密封腔，稀釋潤滑脂，降低黏度，同時隨機體高頻往復振動，潤滑脂密封腔內的稀釋潤滑脂會排出濺落，影響主軸密封。

圖2 油箱封板變形量檢測區

表1 油箱封板變形量測量結果

1.2.2 主軸撓度的計算

主軸的結構為懸臂結構，懸臂末端裝有皮帶輪，在三角帶的作用下，主軸有沿著主從皮帶輪中心線變形的趨勢。通過對主動軸的帶傳的初拉力、軸拉力、最大加速度、受力分析進行計算，原始計算參數如表2所示。計算結果表明在現有懸臂距離上，撓度偏大。傳動機構的相關參數列于見表2。

表2 傳動機構參數表

計算過程如下：

（1）功率Pca計算公式：

（2）帶傳動的初始拉力F0：

（3）帶傳動的軸拉力FP[3]：

將技術參數帶入公式（1）（2）（3），計算結果如下：

（4）工作面加速度計算

由橢圓軌跡運動方程[4]：

式中：a、b為常數；λ為橢圓運動方向的振幅；ω為角速度；t為時間。

可推導出工作面的加速度公式：

（5）主軸受力分析

受力分析如圖3所示。當加速度a為正向時：

圖3 受力分析

當加速度a為負向時：

取加速度為正向時，即F合最大時進行撓度計算（圖4）：

圖4 撓度示意

式中，L為集中荷載離左端點A的距離，mm；F為集中荷載值，N；ymax為端點B處的最大撓度，mm；E為彈性模量，N/mm2；I為慣性矩，mm4；d為軸徑，mm。

圖5 主動軸撓度示意

結論：主動軸在C、D兩處位置時撓度產生的間隙對密封有較大影響。

結論：主動軸在A、B密封處的撓度間隙影響骨架油封的密封。

2 結構優化改進

針對現有結構存在的不足，基于現有技術方案，在不大幅度提高成本的原則下，分別從結構加強和阻油的方向，對結構進行優化設計。

2.1 結構加強設計

對封板進行改進設計。由原來的3 mm厚改為5 mm厚，材料由原來的Q235A改為Q460C，同時在封板內面增加加強條設計，減少形變。通過測量：A區形變在：2～3 mm，B區形變在：0～2 mm。形變大幅減少。

2.2 組合迷宮設計

針對封板變形引起的密封座失穩引起稀油稀釋潤滑脂的問題，發明了一種如圖6所示的組合密封結構[5]，通過在封板內部主軸周圍增加密封結構的方案，阻止稀油大量進入油封內同時利用組合迷宮齒形富余配合來包容主動軸運行時產生軸向的和徑向的間隙。確保油封內高溫潤滑脂的長期高效密封。其工作原理為：主動軸帶動迷宮密封圈1旋轉，迷宮密封圈1利用與主軸隨動旋轉起甩油環作用，把濺落在表面的潤滑油利用離心力把油甩走，防止油料堆積，進入迷宮，達到動態密封。

圖6 組合迷宮

經過車間空載試驗130 h后拆卸觀察，可見唇形密封圈周圍依然有少量的稀油浸入，但潤滑脂的性能依然完好，肉眼看不到潤滑脂有稀釋跡象，表明此方案達到了預計的阻油效果。

2.3 新增防塵圈密封結構

針對迷宮設計方案依然可能存在少量稀油侵入問題，在迷宮結構內層增加防塵圈結構。相對于唇形密封圈，防塵圈具有更大的壓縮變形量，可以保證高振動、大變形工況下密封圈的正常工作性能。其工作原理為：利用防塵圈材料翼面固有的延展性，設計上要求防塵圈翼面與安裝座1內圈面有大于軸向竄動量的貼合余量，始終保證防塵圈翼面與安裝座1內圈面保持抵觸，形成緊貼密封。裝配時在防塵圈翼面與安裝座1內圈面涂抹高溫潤滑脂，保證防塵圈翼面與安裝座1內圈面潤滑和再次密封。

經過車間空載試驗160 h后拆卸觀察，可見唇形密封圈周圍已經沒有稀油浸入，表明此方案達到了預期的密封效果。

圖7 防塵圈安裝示意圖

3 工程應用效果

本研究完成的優化設計，2020年01月對密封裝置進行了長時間的可靠性試驗。在設備運行260 h停機檢查未發現漏油現象，達到了預期效果。2020年03月起，正式將該改進方案進行工程應用驗證，通過對貴定縣某砂石料場水平篩技改后，至今已運行4600 h，未見漏油現象。

摒棄傳統簡單加強的方案，通過對現有結構進行分析，在不大幅度修改原結構的基礎上，通過優化設計增加迷宮和防塵圈組合設計，低成本、高效率地解決了漏油問題。其核心思路如下：

（1）在組合迷宮結構中齒、槽對接形成了幾道屏障，并通過在內填充高溫油脂實現了柔性粘連隔離密封。

（2）利用迷宮密封圈1高速轉動實現了甩油的動態密封。

（3）在迷宮密封圈1內安裝防塵圈，完全阻斷侵入的油跡，進行再次密封。

本方案較為創新地采用了組合迷宮+迷宮密封圈1甩油的思維，對類似具有大變形，高振動，高轉速的密封性提出了較好的解決思路。

4 結語

通過對水平篩主軸密封裝置優化設計，實現了良好的密封效果，該密封裝置運行安全可靠，使用效果良好，大幅提高了設備使用率，降低了更換密封裝置的全系統停機概率，帶來了顯著的經濟效益。

本研究所采用的迷宮+防塵圈的組合阻油甩油思路，具有結構簡單、制作方便、安全可靠等特點。對工作人員技能要求不高，現場維護方便和快捷，因此，具有較強的操作性和推廣性，可廣泛應用于振動裝備的稀油潤滑的主動軸的密封上。特別對具有高振動、高跳動、高形變，惡劣狀況運行下的振動設備主動軸有很好的密封效果，同時也為其他類型設備密封結構提供了借鑒和思路。