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重型機械上的密封技術
2008-04-02
重型大型機械設備投資巨大，為了能Z大程度地使用設備，盡快盡早收回投資，對設備運行的可靠性有很高的要求。重型大型機械設備中密封件無處不有，雖然其價值只占總成本很小的比例，但對保證設備的正常運行至關重要。密封件往往是設備上控制和執行部件的關鍵，又是易損件，如果是因為密封件的過早失效而造成整套設備的非計劃停產檢修更換密封件，其損失將遠遠高于密封件本身的價值。
重型大型機械設備上的主密封部位尺寸較大，需要大尺寸的密封件，例如用于隧道施工設備中主軸處旋轉油封直徑可達10m以上，萬噸壓機上的液壓缸往復密封直徑能達2m以上。由于加工制造的原因，即使提高加工的精度等級，超大尺寸的金屬件也有較大的配合尺寸公差。加上結構件的受力變形，密封處往往有較大的縫隙和偏心，要求密封件能在大間隙高壓工況下可靠地工作，并有很好的跟隨性。
大尺寸密封件的安裝也是重要的一個方面。特別是設備維修時密封件的現場更換并非易事，需要一定的經驗和技巧。在特定的設備和應用場合下，要求使用剖分式（開式結構）的密封件，能夠在現場粘接安裝，無需拆卸液壓缸活塞桿或傳動軸。
重型大型機械的應用范圍很廣，工況條件也不盡相同，其關鍵部位的密封件尺寸巨大，對密封件的性能要求又極高，往往需要特殊設計的密封件。以下介紹3個重型大型機械領域成功的密封案例。
隧道掘進機上主軸軸承密封系統
隧道掘進機(圖1)也稱盾構機，是一種先進的地下掘進作業設備，結構復雜龐大，工況條件惡劣。例如在德國漢堡市的易北河過江隧道工地上施工的一臺隧道掘進機，刀盤直徑14.2m，設備總長度58m，總重量計2500t，價值3千萬歐元。隧道掘進機上的主軸承密封系統是設備的一個關鍵部件，位于刀盤的驅動主軸和盾殼的鋼結構之間，其作用是隔離作業區的土石方和設備的機械傳動及電氣控制部分，阻止泥漿進入主軸承，重要性可想而知。因為是地下作業，該密封系統難以在現場更換，其壽命必須要保證隧道掘進機完成整條隧道的作業。
（圖１）
圖2是專門為隧道掘進機主軸承密封設計的大尺寸旋轉油封TBM系列，材料為耐油耐水高強度耐磨丁腈橡膠B248，密封件的結構設計保證密封唇口有很好的跟隨性，保持與旋轉軸有Z佳的接觸角度；在保證密封效果的同時減小密封件的動接觸面積，在Z大程度上降低摩擦發熱和密封唇口磨損，使之能用于壓力工況（如土壓平衡式作業工況）。
（圖２）
根據隧道掘進機的工況條件，推薦使用多個密封件串聯的密封系統結構，如圖3。建議在道TBM密封件前設置一道迷宮式密封，并用油脂進行連續"沖洗"潤滑，油脂的消耗量視工況而定，每小時每米密封周長約消耗0.1-0.3kg油脂。前3道密封件之間也需要油脂潤滑，Z后兩道密封件之間應用潤滑油進行循環潤滑，或至少有一道0.5m高度的油浴潤滑。因為密封件都有一定的"泵油"能力，油浴潤滑時需及時補充潤滑油。
（圖３）
TBM密封件背部受壓時，密封唇口的開啟壓力約0.1-0.2 bar(1bar=0.1MPa)，主軸承的潤滑油（脂）壓力Z好不要超過0.1 bar。如果超過0.1 bar，需將Z后這道密封件的朝向反過來，朝向主軸承方向。
安裝TBM密封件時，需要軸向壓緊。根據經驗，需要有每毫米周長約14N的軸向壓緊力。
（圖４）
大型板材軋機上液壓壓下油缸的密封系統
液壓壓下裝置（AGC Automatic Gauge Control）是熱軋和冷軋設備上的關鍵部件，其中的液壓壓下油缸是該裝置的執行元件，屬于大直徑短行程伺服油缸，對其可靠性和摩擦力性能有很高的要求。液壓壓下油缸的典型工況參數為：
正常工作壓力：280 bar (無桿腔) / 60 bar (有桿腔)
液壓油溫度：60℃
速度：約2 mm/s
工作頻率：約20 Hz
行程：Z大15 mm，正常工況下在30mm?2mm之間
液壓壓下油缸在正常運行時處于高頻震動和調節工況，為了達到很高的頻率響應和控制精度，要求密封件有較低且恒定的摩擦力，低速運動時平穩，無低速爬行現象。
圖4為一典型的液壓壓下油缸用密封系統。所有的密封元件以及防塵圈的材料為填充聚四氟乙烯(PTFE)，PTFE材料有Z低的摩擦系數，其啟動摩擦系數相對接近滑動摩擦系數，所以不會出現低速爬行現象。該填充聚四氟乙烯是我們自己的配方，積累了多年在密封材料領域的研究成果，具有很高的耐磨性和抗縫隙擠出能力。孔用密封OMK-S和桿用密封OMS-S使用帶弧度的彈性元件，其PTFE滑環設計有較大的截面尺寸，使之Z佳適用于大尺寸短行程并有高頻震動的液壓壓下油缸的工況。防塵圈PT2 是專門為液壓壓下油缸的工況設計的雙作用防塵圈，防塵唇口的設計，即使是垂直安裝且活塞桿朝下的油缸，活塞桿進口處也不會有灰塵積累。建議在桿封OMS-S和防塵圈PT2之間設計一安全孔，確保無背壓形成和困油出現，多年來的使用經驗證明，在正常工況下不會因為有安全孔而出現外泄漏。
大型液壓機上的主油缸密封系統
經典的密封系統是夾布橡膠V形組合圈ES型（圖5）。這種多件組合密封結構的特點是性能可靠，堅固耐用，并且能用于表面質量不是十分理想的密封場合，密封件可以做成剖分式結構，便于維修時密封件的更換，至今仍在廣泛地使用。
（圖５）
針對超大尺寸(d > 1000 mm) 的壓機主缸密封，專門研制開發了重型V形組合圈V-1000系列 ( 圖6 )。該密封件的截面比ES型要大得多，更加堅固可靠，一般選用5件套 (3個密封環) 或6件套 (4個密封環)的開式密封結構，方便密封件的安裝。密封件的材料有棉布浸丁腈橡膠NBR和棉布浸天然橡膠NR兩種，出于介質相容性的考慮，建議當介質為水基乳化液或水時選用棉布浸天然橡膠NR的密封件。考慮到超大尺寸金屬件有較大的加工公差，加上金屬件在壓力作用下的變形，密封處往往有較大的配合間隙(徑向)，為了保證密封件在高壓工況下仍能可靠地工作，在V-1000系列的壓環的內外徑上分別組合了一個PA材料的擋圈，進一步提高密封件的使用壽命。
（圖６）
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（圖７）
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