【论文摘要】分析了新型大直径水介质高压机械回转密封的结构和工作原理，讨论了动密封环的设计计算方法。试验研究表明，该密封理论可行、结构合理、具有密封间隙自动补偿性能、寿命长、泄漏量小、性能稳定，能够满足工业应用的要求，其密封原理可推广到掘进机及其它高压旋转供液系统的大、中直径密封上，具有良好的应用前景。
Study on a High-pressure Water Mechanical Swivel for a Middle Diameter
Wang Jiangsheng et al
Abstract:For solving the problem of high-pressure water swivels for a larger diameter,a new type seal,high-pressure mechanical swivel with auto-controlling gap is developed,and its structure and working principle are analyzed.It is found that the new swivel has many advantages of reasonable structure,auto-controlling gap,longer service life,lower leak and greater durability et al,and can be use in the systems of supplying high-pressure fluid in road-header and other machines.
Keywords:high-pressure mechanical swivel,high-pressure water,water lubrication,auto-controlling gap,middle diameter seal
1 前言
近年来，高压水射流技术在各个领域的应用愈来愈广，煤炭行业中采掘机械上的内外喷雾降尘系统日益显示出它的优越性。为了给掘进机上旋转着的掘进头供水，大直径高压回转密封是必不可少的关键部件。但从现场使用结果看，影响其正常工作的主要因素是供水系统高压回转密封技术不过关。为了解决密封寿命问题，英国的Anderson公司研制的RH-25型悬臂式掘进机在截割头主轴与截割电机之间增加了一套中间齿轮传动装置，为小直径回转密封装置提供了一个空间。这种结构存在两点不足：一是机器长度增加了1m多；二是中间传动装置偏置，重量大，因而机器工作时振动较大。英国DOSOC公司生产的掘进机也没有很好地解决这个问题。由于密封寿命短，影响了机器的正常运行，因此许多煤矿为此甩掉了高压水内喷雾降尘系统。
目前国内外采掘机械中广泛使用的高压回转密封多是填料密封或圈形密封，如O形密封圈、Yx唇式密封、L型密封、高压泵上常用组合式V型密封、煤矿液压支架液压系统中广泛使用高压鼓形密封，这些密封存在如下问题：
(1)密封可以随轴旋转，但沿圆周方向无法固定，因此适宜作往复运动，不宜作回转运动。
(2)密封材料为橡胶或尼龙，高压下变形十分严重，密封间隙不易控制。高速运动时发热量大且不易扩散，极易烧毁密封，因此不适宜长期在高速高压条件下工作。
(3)密封压力愈大，密封回转力矩很大，能耗大。
煤矿条件比较恶劣，掘进机喷雾降尘时要求高压机械回转密封的性能可靠，寿命超过1年(大修期为1年约1000～5000h)，维修方便，造价低廉。鉴于这种情况，目前的高压回转密封不能满足其要求。本课题从新的角度入手，研究了间隙自动补偿式高压机械回转密封。
2 密封结构及工作原理
一般的机械密封是限制工作流体介质沿旋转轴泄漏，本文研究的密封是将高压工作流体由静止件送入旋转件。
图1、2所示为试验密封结构简图和部件照片。试验密封为直径60～80mm内装非平衡式中直径高压回转密封，对称结构。主要部件有密封端盖(静密封环)、密封环(动密封环)、密封外壳、旋转轴、弹簧及轴承等。
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图1 间隙自动补偿式高压回转密封结构
1.轴；2.轴承盖；3.端盖；4.外壳；5.密封环；6.O型密封圈；
7.弹簧；8.止转销；9.端盖紧固螺栓；10.轴承盖紧固螺栓；11.轴承 |
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图2 试验密封部件照片
动密封环随轴转动并沿止转销轴向滑动。弹簧将两个密封环压向两端，使动、静密封环端面始终保持接触。密封中O形圈起静密封作用。
高压液体从密封外壳中部孔口进入密封，从旋转轴轴芯孔流出。高压液体进入密封腔后，使动密封环两侧产生液压力对(如图3所示)，液压力与弹簧力的综合作用使动密封环压紧在密封端面上，依靠两面接触进行密封。两接触面间的相对滑动会引起磨损，动密封环材料较软，磨损较快，磨损后动密封环轴向滑动，始终保证密封间隙不变，此即密封间隙自动补偿原理。非平衡式密封液体在动密封环两侧产生的压力不平衡。 |
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图3 旋转密封环结构及受力图
3 动密封环设计
动密封环是密封的关键部件，其结构与材料选择直接影响着密封的性能与寿命。结构如图3所示，参数见表1。
表1 密封结构与性能参数(p=10MPa时) |
| 密封环序号 |
1 |
2 |
3 |
| 密封环材料 |
锡青铜 |
MC尼龙 |
MC尼龙 |
| 密封环外径D2（mm） |
65.5 |
66.5 |
72.0 |
| 密封环外径D3（mm） |
60.0 |
60.5 |
60.5 |
| 密封轴径Db(mm) |
60.0 |
60.0 |
60.0 |
| 端面宽度b(mm) |
2.75 |
3.00 |
5.75 |
| 加载系数K |
1.0 |
1.08 |
1.04 |
| 介质压力p(MPa) |
0～20 |
0～20 |
0～20 |
| 弹簧比压ps(MPa) |
0.18 |
0.15 |
0.08 |
端面比压
pc(MPa) |
λ=0 |
10.18 |
10.95 |
10.48 |
| λ=1/3 |
6.85 |
7.62 |
7.15 |
| λ=1/2 |
5.18 |
5.95 |
5.48 |
3.1 密封加载系数
加载系数为介质压力作用在密封上的有效面积与密封端面面积之比值，表示为：
K=(D22-D2b)/(D22-D23) (1)
加载系数表示介质压力加在密封端上的载荷程度，本试验K值近似取1。
3.2 密封端面比压
密封端面比压pc为密封环端面单位面积上所承受的压力：
pc=ps+(K-λ)p (2)
式中 ps——弹簧对密封端面比压，可忽略不计
p——水介质压力
λ——反压系数，与密封端面上的液膜分布有关，取λ=1/3～1/2
密封端面比压是影响密封性能的主要因素之一。
3.3 密封材料选择
密封端盖采用40Cr，密封环采用锡青铜和MC尼龙材料。
3.4 摩擦力矩及功率损耗
密封的摩擦力矩为：
MZ=πpcAfDm2b (3)
密封的功率损耗为：
 (4)
式中 Dm——动密封环接触端面中径
f——摩擦系数
3.5 泄漏量计算
密封端面间存在一定的间隙，其泄漏量为：
式中 h——接触面间的平均间隙
s——间隙系数
泄漏量与水压成正比，密封宽度与材料的选择、加工质量及工作条件有关，其值不能精确确定与测量。
4 试验结果分析
图4为试验密封试验台。密封外壳上固定一杠杆，杠杆一端安装一拉力传感器。当轴旋转时，通过测定拉力计算出回转密封上受到的扭矩，然后再换算出密封环的摩擦系数和摩擦功率。润滑介质为干黄油和清水。密封试验压力范围为0～20MPa。实验发现： |
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图4 密封实验台照片
(1)不同的试验条件下，密封泄漏量变化规律基本上相同。水压较低时泄漏量较大，随着水压的升高泄漏量急剧减小；水压达到3～4MPa时，泄漏量几乎为零，称之为分界压力；压力继续升高时，不再泄漏。
(2)密封材料对密封性能影响较大。锡青铜环密封的摩擦力矩随着水压的升高基本上线性增加，对于MC尼龙环密封则增加幅度大大降低。这是由于水压超过分界压力后，密封端面间为边界润滑，MC尼龙环材料为长链分子聚合物，存在良好的自润滑性能。
(3)水润滑条件下，MC尼龙环的摩擦系数显著低于锡青铜环。这是由于密封接触面一旦变成较差的边界润滑，锡青铜环的摩擦系数急剧增大，而MC尼龙环则反而降低。水压为10MPa时，锡青铜环密封时清水润滑比干黄油润滑摩擦力矩、摩擦功率和摩擦系数增加近1倍，而MC环密封仅增加(61～33)%。
(4)密封环结构对密封性能也有一定的影响。试验以现3号密封环的综合性能最佳。水压在3～10MPa范围内，MC密封环面积比2号密封环增加93%，摩擦力矩和摩擦功率仅增加(11～29)%，摩擦系数下降(61～100)%；水压为10MPa时，摩擦系数为0.10左右。因此，适当增加密封接触面面积可大大减小密封环的磨损程度，延长密封的寿命，一般取密封环宽度b=4～6mm为宜。
5 结论
(1)试验研究证明了新型高压旋转密封原理可行，可实现小泄漏密封，具备间隙自动补偿功能，性能可靠，寿命长。
(2)密封环结构和材料对密封性能和寿命影响很大，一般取密封环宽度b=4～6mm为宜，MC尼龙环密封性能显著优于锡青铜环密封。
(3)本试验密封分界压力为3～4MPa。高于此压力时，密封接触面为较差的边界润滑。分界压力可作为平衡式密封的设计依据。
6 进一步讨论
实际工作中，可利用本试验技术数据设计平衡式密封。利用弹簧产生密封端面间的压力，以保证密封泄漏量满足要求。这样无论水压高低，对密封泄漏量和摩擦力矩等性能影响不大，达到工业应用的目的。本试验密封按分界水压3～4MPa设计成平衡式密封时，锡青铜环密封摩擦功率为100～150W，MC尼龙环密封摩擦功率为250～450W。对于掘进机大臂主轴直径为160mm，按此原理设计的MC尼龙平衡式环密封摩擦功率为550～730W。
长时间工作时可设计成小泄漏量密封。设计高压回转密封时，密封副硬环可选用碳化钨、陶瓷、高镍铸铁等材料，软环可选用石墨等材料。为保证密封的寿命，减少摩擦损耗，应采用耐磨性和自润滑性较好的材质，必要时采用油脂润滑。
王建生(重庆大学)
李晓红(重庆大学)
杨林(重庆大学)
卢义玉(重庆大学)
朱勇(重庆大学) |
