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发表于 2008-10-23 16:46:39
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重型机械上的密封技术
$ w: p: B) i+ s4 }1 p) K# N7 b重型大型机械设备投资巨大，为了能最大程度地使用设备，尽快尽早收回投资，对设备运行的可靠性有很高的要求。重型大型机械设备中密封件无处不有，虽然其价值只占总成本很小的比例，但对保证设备的正常运行至关重要。密封件往往是设备上控制和执行部件的关键，又是易损件，如果是因为密封件的过早失效而造成整套设备的非计划停产检修更换密封件，其损失将远远高于密封件本身的价值。! A( s0 ^$ ^" K ]8 \: j; d
重型大型机械设备上的主密封部位尺寸较大，需要大尺寸的密封件，例如用于隧道施工设备中主轴处旋转油封直径可达10m以上，万吨压机上的液压缸往复密封直径能达2m以上。由于加工制造的原因，即使提高加工的精度等级，超大尺寸的金属件也有较大的绝对配合尺寸公差。加上结构件的受力变形，密封处往往有较大的缝隙和偏心，要求密封件能在大间隙高压工况下可靠地工作，并有很好的跟随性。
0 b2 s) @% M/ ^: k大尺寸密封件的安装也是重要的一个方面。特别是设备维修时密封件的现场更换并非易事，需要一定的经验和技巧。在特定的设备和应用场合下，要求使用剖分式（开式结构）的密封件，能够在现场粘接安装，无需拆卸液压缸活塞杆或传动轴。 n6 Z1 E% \/ s0 y1 K
重型大型机械的应用范围很广，工况条件也不尽相同，其关键部位的密封件尺寸巨大，对密封件的性能要求又极高，往往需要特殊设计的密封件。以下介绍3个重型大型机械领域成功的密封案例。, D6 g& j" ]/ b# ^3 w/ ]$ s
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隧道掘进机上主轴轴承密封系统
# K5 D R9 M; A 隧道掘进机(图1)也称盾构机，是一种先进的地下掘进作业设备，结构复杂庞大，工况条件恶劣。例如在德国汉堡市的易北河过江隧道工地上施工的一台隧道掘进机，刀盘直径14.2m，设备总长度58m，总重量计2500t，价值3千万欧元。隧道掘进机上的主轴承密封系统是设备的一个关键部件，位于刀盘的驱动主轴和盾壳的钢结构之间，其作用是隔离作业区的土石方和设备的机械传动及电气控制部分，阻止泥浆进入主轴承，重要性可想而知。因为是地下作业，该密封系统难以在现场更换，其寿命必须要保证隧道掘进机完成整条隧道的作业。% k2 p- B8 G" W! R+ l1 @
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图2是专门为隧道掘进机主轴承密封设计的大尺寸旋转油封TBM系列，材料为耐油耐水高强度耐磨丁腈橡胶B248，密封件的结构设计保证密封唇口有很好的跟随性，保持与旋转轴有最佳的接触角度；在保证密封效果的同时减小密封件的动接触面积，在最大程度上降低摩擦发热和密封唇口磨损，使之能用于压力工况（如土压平衡式作业工况）。
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根据隧道掘进机的工况条件，推荐使用多个密封件串联的密封系统结构，如图3。建议在第一道TBM密封件前设置一道迷宫式密封，并用油脂进行连续"冲洗"润滑，油脂的消耗量视工况而定，每小时每米密封周长约消耗0.1-0.3kg油脂。前3道密封件之间也需要油脂润滑，最后两道密封件之间应用润滑油进行循环润滑，或至少有一道0.5m高度的油浴润滑。因为密封件都有一定的"泵油"能力，油浴润滑时需及时补充润滑油。 TBM密封件背部受压时，密封唇口的开启压力约0.1-0.2 bar(1bar=0.1MPa)，主轴承的润滑油（脂）压力最好不要超过0.1 bar。如果超过0.1 bar，需将最后这道密封件的朝向反过来，朝向主轴承方向。
$ G& h6 Y1 @- x$ ]安装TBM密封件时，需要轴向压紧。根据经验，需要有每毫米周长约14N的轴向压紧力。
9 e- J1 C- [4 c& [1 a; {% B大型板材轧机上液压压下油缸的密封系统9 Y5 X1 U5 g! [5 |: T. p
液压压下装置（AGC Automatic Gauge Control）是热轧和冷轧设备上的关键部件，其中的液压压下油缸是该装置的执行元件，属于大直径短行程伺服油缸，对其可靠性和摩擦力性能有很高的要求。液压压下油缸的典型工况参数为：
! y2 [1 ^; U* ?/ A/ a0 K# T 正常工作压力：280 bar (无杆腔) / 60 bar (有杆腔)
. t1 l( r2 n9 i. b: S9 Y$ O 液压油温度：60℃: D4 L- z; C i( i8 `3 e) v
速度：约2 mm/s
5 [ i* |# \ j0 Z& t" H 工作频率：约20 Hz; T8 |* y" z* n1 \- m- X6 X
行程：最大15 mm，正常工况下在30mm?2mm之间
0 M, u5 i' [1 ] 液压压下油缸在正常运行时处于高频震动和调节工况，为了达到很高的频率响应和控制精度，要求密封件有较低且恒定的摩擦力，低速运动时平稳，无低速爬行现象。
7 [+ |9 d/ }0 S3 w- r' D5 x1 R图4为一典型的液压压下油缸用密封系统。所有的密封元件以及防尘圈的材料为填充聚四氟乙烯(PTFE)，PTFE材料有最低的摩擦系数，其启动摩擦系数相对接近滑动摩擦系数，所以不会出现低速爬行现象。该填充聚四氟乙烯是我们自己的配方，积累了多年在密封材料领域的研究成果，具有很高的耐磨性和抗缝隙挤出能力。孔用密封OMK-S和杆用密封OMS-S使用带弧度的弹性元件，其PTFE滑环设计有较大的截面尺寸，使之最佳适用于大尺寸短行程并有高频震动的液压压下油缸的工况。防尘圈PT2 是专门为液压压下油缸的工况设计的双作用防尘圈，防尘唇口的设计，即使是垂直安装且活塞杆朝下的油缸，活塞杆进口处也不会有灰尘积累。建议在杆封OMS-S和防尘圈PT2之间设计一安全孔，确保无背压形成和困油出现，多年来的使用经验证明，在正常工况下不会因为有安全孔而出现外泄漏。. z9 G6 i J) _
大型液压机上的主油缸密封系统0 t# r- x- @* @! K) n$ G# @
经典的密封系统是夹布橡胶V形组合圈ES型（图5）。这种多件组合密封结构的特点是性能可靠，3 }" w J( { {: k4 U
坚固耐用，并且能用于表面质量不是十分理想的密封场合，密封件可以做成剖分式结构，便于维修时密封件的更换，至今仍在广泛地使用。; J7 {- O3 z+ M" b
4 m4 s4 u% Q) V% l* @ 针对超大尺寸(d > 1000 mm) 的压机主缸密封，专门研制开发了重型V形组合圈V-1000系列 ( 图6 )。该密封件的截面比ES型要大得多，更加坚固可靠，一般选用5件套 (3个密封环) 或6件套 (4个密封环)的开式密封结构，方便密封件的安装。密封件的材料有棉布浸丁腈橡胶NBR和棉布浸天然橡胶NR两种，出于介质相容性的考虑，建议当介质为水基乳化液或水时选用棉布浸天然橡胶NR的密封件。考虑到超大尺寸金属件有较大的绝对加工公差，加上金属件在压力作用下的变形，密封处往往有较大的配合间隙(径向)，为了保证密封件在高压工况下仍能可靠地工作，在V-1000系列的压环的内外径上分别组合了一个PA材料的挡圈，进一步提高密封件的使用寿命。1 _. p) J. o) [% H
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对于连续作业且行程频率颇高的陶瓷压机的主缸密封，建议采用以填充聚四氟乙烯PTFE为材料的组合密封(图7)。该密封系统的特点是摩擦力小，运动平稳，杆用主密封OMS-MR PR 有泄压功能，系统不会出现困油和背压，因而又有很高的工作可靠性和使用寿命。防尘圈PT 1有防尘和密封的功能，进一步提高系统的密封效果，实现零泄漏。 |
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