臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置設計

摘" 要：為避免混凝土攪拌機作業期間攪拌筒內的混凝土泄漏至筒外，并探究混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化設計方案。應用文獻法與案例分析的方式，簡單分析臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置的設計需求，并提出一種混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化設計方案。結果表明，依托材料的更新、補償機構及密封結構的優化設計，實現對臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化。說明通過設計并使用優化設計后的臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置，提升密封保護效果，實現對軸端密封裝置有效使用年限的延長。

關鍵詞：臥軸式混凝土攪拌機；軸端密封裝置；液壓油缸；密封圈；耐久性

中圖分類號：TH213.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0119-04

Abstract： In order to prevent the concrete from leaking out of the mixing cylinder during the operation of the concrete mixer， and to explore the optimal design scheme of the sealing device at the shaft end of the concrete mixer. By using the method of literature and case analysis， this paper briefly analyzes the design requirements of the shaft end sealing device of the horizontal shaft concrete mixer， and puts forward an optimal design scheme of the shaft end sealing device of the concrete mixer. The results show that the shaft end sealing device of horizontal shaft concrete mixer is optimized by the renewal of materials， the optimization of compensation mechanism and the optimization design of sealing structure. It shows that through the design and use of the optimized shaft end sealing device of the horizontal shaft concrete mixer， the sealing protection effect is improved and the effective service life of the shaft end sealing device is extended.

Keywords： horizontal shaft concrete mixer; shaft end sealing device; hydraulic cylinder; sealing ring; durability

在臥軸式混凝土攪拌機的實際運行作業期間，受到劇烈運動等多種因素的影響，攪拌筒內的混凝土很可能會發生泄漏至筒外的情況，不僅不利于混凝土攪拌機的長期穩定運行，也會使得實際的混凝土攪拌質量下降。為避免這一問題的發生，需要將軸端密封裝置加設在混凝土攪拌機軸中，結合對相應裝置的持續優化設計，實現對臥軸式混凝土攪拌機安全、高效運行狀態的有效維護。

1" 臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置的設計需求分析

混凝土攪拌機軸端密封裝置主要承擔著避免存在于攪拌筒內部的水泥砂漿通過攪拌機筒內壁與攪拌軸之間所存在縫隙而泄漏至攪拌筒外部的任務，其性能直接影響著攪拌機軸構件的使用年限，以及實際所生產的混凝土質量[1]。基于此，需要盡可能保證軸端密封裝置可以長時間穩定運行。

在本次對混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化設計期間，需要重點實現對軸端密封裝置內潤滑油脂向拌合區泄露這一問題的發生概率進行有效控制與降低，保證更為適應攪拌機的實際運行情況，延長軸端密封裝置的現實使用壽命，提升安裝與維護工作的展開便利程度。在此基礎上，還要保證相應混凝土攪拌機軸端密封裝置的外形尺寸合適，不會對現有結構展開過多、過大的改變，提升軸端密封裝置的適用性。

2" 臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置的總體方案分析

選取某型號臥軸式混凝土攪拌機，針對其軸端密封裝置進行優化設計。該臥軸式混凝土攪拌機的規格尺寸為5 680 mm×2 250 mm×2 735 mm；生產率最大值為100 m3/h；電機功率為37 kW；攪拌軸轉速為25 r/min。本臥軸式混凝土攪拌機原有的軸端密封裝置在實際運行期間，主要在油泵的支持下向軸端密封裝置打入潤滑油脂；該油泵結構保持間歇運行的狀態，每運行3 min會停止運行30 min，每8 h所消耗的潤滑油脂量保持在0.8～1 L的水平。

為滿足上述設計需求，在本次針對臥軸式混凝土攪拌機的軸端密封裝置展開優化設計，其結構如圖1所示，主要從材料、補償機構、密封結構這幾方面入手進行調整，選定兼具耐磨性、易加工且使用壽命更長的復合材料；將原有的彈簧元件更換為液壓油缸，優化補償機構設計；完善密封環的設計，并加設保護油腔、防凝固油腔結構，提升密封保護效果。

3" 臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置的具體設計與要點分析

3.1" 材料更新

為更好實現對混凝土攪拌機軸端密封裝置性能的維護與提升，延長關鍵構件的使用壽命，主要將當前常用的合金鋼材料變更為精細陶瓷材料。現階段，常規的攪拌機軸端密封關鍵構件普遍使用了合金鋼材料，雖然韌性理想，且機加工性能好，但是壽命偏低、容易磨損。而對于精細陶瓷材料而言，其實際所具備的耐腐蝕性能、耐熱性能、耐磨性能更好，強度高且低密度，能夠對合金鋼材料的不足進行一定程度的彌補。但是，由于精細陶瓷材料加工難度大、延性低且脆性高，所以并不適合單純使用精細陶瓷材料替換合金鋼材料，完成對混凝土攪拌機軸端密封裝置中關鍵構件的制作。基于這樣的情況，在本次混凝土攪拌機軸端密封裝置的設計實踐中，主要應用了基于精細陶瓷材料、合金鋼材料的復合材料，以此提升軸端密封耐久性。

在此過程中，主要將原有的合金鋼材質的整體式構件劃分為內圈鋼套、錐面以及外圈這兩部分，投放不同的材質[2]。其中，利用40Cr合金鋼制作內圈鋼套；用ZTA精細陶瓷制作錐面以及外圈；利用高強度黏結劑對這兩部分實施連接處理。對于精細陶瓷環需要與基于橡膠、聚氯脂等材質的密封圈之間實現接觸連接，所以必須要保證其尺寸精度更高，形位公差、粗糙度也要切實滿足相關要求，規避尖角、臺階、溝槽等結構形式的出現。

另外，在本次混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化設計期間，還針對這種材料的更新操作進行了可行性檢測，使用的方式為軸端密封耐久性檢測，具體方法見表1。所得到的結果表明，依托精細陶瓷材料、合金鋼材料的復合應用，能夠保證在使用壽命范疇內兩結構不會發生脫落、損壞，極限黏結強度5.5 MPa遠遠高于0.36 MPa的標準值，可行性與可靠性理想。

3.2" 補償機構

在當前的實踐中，對將彈簧作為補償機構的混凝土攪拌機軸端密封裝置而言，更多選用圓柱形螺旋彈簧作為其中的彈簧元件[3]。金屬波紋管也是彈性元件的一種，相比于彈簧來說，其應用優勢更為明顯見表2，能夠促使兩密封環接觸面的貼合性得到進一步提升。但是，無論是彈簧還是金屬波紋管，二者雖然結構簡單且容易安裝維護，但是均具備難以克服的缺陷，即無法精準、穩定提供彈性力，很容易導致泄露等問題的發生，且相應問題也很難能夠得到及時發現與處理，從而會引發更為嚴重的損失。

基于這樣的情況，在本次混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化設計期間，主要引入了一種設計可以精準、穩定提供推力的構件作為補償機構，并保證在發生問題后可以及時發現處理，為密封環持續提供推力支持。為實現這一目標，主要使用液壓油缸對彈簧、金屬波紋管這些傳統彈性元件進行替代，將其設定為本混凝土攪拌機軸端密封裝置的補償機構。對于液壓油缸而言，其可以向密封環施加一個相對均勻的壓力。此時，需要投放單個液壓油缸，并保證混凝土攪拌機的軸線能夠與液壓油缸活塞的安裝軸線保持在同軸的水平。為實現這一目標，選定了中空型油缸作為在本次混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化設計中所使用的油缸類型，并應用直接套在攪拌軸上的方式完成安裝處理。同時，由于密封環的磨損速度相對較慢，所以液壓油缸的運行速度偏低。基于此，投放了以輸出力為主的液壓油缸。

液壓油缸中包含著的主要結構有缸筒外壁、后端蓋、前缸活塞、缸筒內壁、J形密封圈、支撐導向環、前端蓋、鍵槽和防轉螺釘等。其中，缸筒是液壓油缸的重要結構，由于攪拌軸需要穿越中空液壓油缸，所以在進行缸筒設計期間，要控制其內壁內徑保持在高于安裝區域攪拌軸直徑的狀態。取缸筒的內壁內徑為150 mm，外徑為180 mm，壁厚為15 mm。由于2個密封環要充分發揮出密封作用，所以要保證其內外徑均高于所在攪拌軸的直徑，同時，因為需要在液壓油缸的活塞上加設靜密封，所以設定缸筒的外壁外徑為300 mm、內徑為280 mm、壁厚為10 mm。使用如下公式展開對最大輸出推力條件下液壓油缸的工作壓力最大值，即

式中：需要提供的液壓力使用F進行表示，單位為N，取值為5 300 N；缸筒外壁內徑使用D進行表示，單位為mm；缸筒內部外徑使用d表示，單位為mm；液壓缸進液腔壓力使用p進行表示，單位為MPa。帶入已知數據，得到液壓缸進液腔壓力為1.47 MPa。出于對運行安全的考量，要求保證液壓缸進液腔壓力低于缸筒最大允許工作壓力值，即

式中：缸筒外徑使用D1進行表示，單位為m；缸筒內徑D進行表示，單位為m；缸筒材料的屈服強度使用σs進行表示，單位為MPa，缸筒外壁取值為360 MPa、缸筒內壁取值為250 MPa。帶入已知數據，缸筒內壁最大允許工作壓力為38.5 MPa，缸筒外壁最大允許工作壓力為16.24 MPa，高于液壓油缸的工作壓力最大值1.47 MPa，表明相應缸筒設計方案滿足實際使用要求。

結合缸筒外部與液壓油缸中的活塞，形成導向作用。基于此，為確保液壓油缸的性能滿足臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置的現實運行與使用需要，就必須對缸筒外壁落實高精度設計與制作，同時實現高精度安裝。出于對加工工藝、成本等因素的綜合性考量，選取內孔經過珩磨或是精加工的無縫鋼管作為油缸外壁，選定20號鋼為主要材料；在硬連接的支持下，連接油缸外壁與后端蓋，同時使用焊接的方式，促使油缸外壁可以與后端蓋相固定，以此提升連接位置的密封性與可靠性，也獲取更加理想的油缸外壁安裝精度。

對于缸筒內壁而言，其并不需要與液壓油缸內的活塞落實搭配使用，在臥軸式混凝土攪拌機軸端密封裝置實際運行期間所承擔著的任務為避免液壓油缸內部的液壓油發生泄漏問題，因此，其對于設計、加工與安裝的精度要求并不高。選定45號鋼為缸筒內壁主要材料，在法蘭與螺栓的支持下，促使該結構與后端蓋實現連接。為進一步提升連接位置的密封性，主要將O型圈投放在了后端蓋上，確保相應位置所發揮出的密封效果滿足現實使用要求。

液壓油缸的端蓋可以細分為兩部分，即前端蓋以及后端蓋。其中，前端蓋承擔著封閉液壓油缸的任務，避免外部污染物隨著開口區域進入液壓油缸內部，也為活塞運動起到導向作用。由于前端蓋結構不需要封閉液壓油，所以將其與缸筒外壁進行連接處理時，選用了螺紋連接的方式；將O型環加設在開槽位置，實現對液壓油缸的密閉處理；將支撐導向環加設在開槽位置，發揮出活塞導向作用。后端蓋需要配合缸筒的內壁與外壁共同發揮出密封作用，因此在設計期間要重點落實對其安裝精度的把控，同時，也要將其與混凝土攪拌機的筒壁側板實施連接處理。基于這樣的情況，將凹凸臺設置在了后端蓋結構上，分別與缸筒的內壁與內壁相配合，確保安裝精度滿足預期與相關要求。在此基礎上，對后端蓋的外徑進行了適當的加大處理，以此可以保證更好地使用螺栓連接的方式，完成后端蓋與混凝土攪拌機筒壁的連接安裝。

3.3" 密封結構

3.3.1" 密封環

在密封環設計期間，主要參考前期對于材料更新的探究與試驗結果，完成對動密封環及靜密封環這兩部分材料的確定[4]。為方便后續的更換與維護，主要將動密封環設定為軟環，其磨損速度較快，需要頻繁更換；將靜密封環設定為硬環。其中，針對硬密封環部分，主要投放了基于精細陶瓷材料、合金鋼材料的復合材料作為主要制作材料，耐磨性與彈性模量均保持在理想水平；針對軟密封環部分，投放了GCr15軸承鋼作為主要制作材料。

計算混凝土攪拌機軸端密封裝置的端面寬度期間，可以使用的計算公式為

式中：密封端面的寬度使用bf進行表示，單位為mm；軸徑使用d進行表示，單位為mm。在本研究中更新設計的混凝土攪拌機軸端密封裝置中，軸徑為218 mm，以此可以計算出密封端面的寬度為7.3 mm。出于對安裝與加工等方面問題的綜合考量，在本次混凝土攪拌機軸端密封裝置的優化設計期間，設定了18.5 mm為硬質密封環的寬度，內徑控制在219 mm，外徑控制在255 mm，厚度控制在15 mm。同時，為防止硬質密封環嵌入軟質密封環內，需要設定兩環之間存在著一定的差值，要求控制硬質密封環的接觸斷面寬度高于軟質密封環的接觸斷面寬度。通常情況下，針對軸徑保持在15～200 mm的密封環，需要將硬質密封環與軟質密封環這二者之間的寬度差保持在1～4 mm的水平。在本次設計中，出于對裝配簡單程度的考量，選定了3.5 mm為二者的寬度差；設定兩邊的寬度差分別保持在1.5～2 mm的水平。最終，確定出軟質密封環的內徑為221 mm、外徑為251 mm、厚度為26.5 mm。

3.3.2" 輔助密封結構

第一，保護油腔。攪拌機筒壁側板上固定的黃膠密封圈、液壓油缸前端蓋及2個密封環、在液壓油缸端蓋上設置的缸筒，共同組成保護油腔，結合極壓鋰基潤滑脂的引入，避免混凝土直接沖擊影響兩密封環之間的接觸縫隙[5]。為促使黃膠密封圈的實際使用年限有所延長，實現對攪拌軸磨損的有效預防，會將寬度為1 mm的縫隙設在攪拌軸與黃膠密封圈之間，而在攪拌機實際運行期間，受到混凝土劇烈運動等多種因素的影響，混凝土可能會從通過該縫隙進入保護油腔內部，避免保護油腔內的潤滑脂向攪拌機的拌合區內泄漏。此時，只需要定期對保護油腔內的潤滑油脂實施更換處理，就能夠促使保護油腔長期穩定運行。

第二，防凝固油腔。將油腔加設在2個密封環的內側，避免從主密封位置泄漏的混凝土轉入凝固狀態。在油腔的支持下，從主密封位置泄漏的混凝土會與潤滑油實現混合，使得相應混凝土的凝結性明顯下降，防止泄漏混凝土凝固。在此過程中，將端蓋設置在液壓油腔的底部位置，配套引入J型密封圈，以此在液壓油缸內部與攪拌軸之間完成密封區域的構建，這一密封區域就是防凝固油腔。

4" 結束語

綜上所述，完善設計臥軸式混凝土攪拌機的軸端密封裝置期間，主要從材料、補償機構、密封結構這幾方面入手，選定兼具耐磨性、易加工且使用壽命更長的復合材料，即基于精細陶瓷材料、合金鋼材料的復合材料，延長軸端密封裝置使用年限；將原有的彈簧元件更換為液壓油缸，優化補償機構設計；完善密封環的設計，并加設保護油腔、防凝固油腔結構，提升密封保護效果。

參考文獻：

[1] 張慶林，湯明，顏偉澤.雙軸混凝土攪拌機攪拌方式研究[C]//澳汰爾工程軟件（上海）有限公司.2021Altair技術大會論文集.福建南方路面機械有限公司，2021：9.

[2] 郭首君，莫勁風，王瑞，等.基于精細陶瓷在混凝土攪拌機軸端密封上應用的可行性及耐久性研究[J].中國工程機械學報，2021， 19（3）：207-211.

[3] 趙家棟，陳再勝.基于有限元模型的雙臥軸混凝土攪拌機攪拌參數優化研究[J].新型工業化，2021，11（2）：246-247.

[4] 員險鋒，曾立文.JS6000型大方量雙臥軸混凝土攪拌機的設計研究[J].工程機械，2020，51（8）：80-85，9.

[5] 徐曉立，馮新紅.大型高支點自落式混凝土攪拌機研制技術要點[J].建筑機械，2020（8）：29-31.