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一种新型HXD气锁轴密封件

来源:用户上传      作者: 王新辉 谭韬

  摘 要:山东中烟工业公司青岛卷烟厂制丝车间使用的烟丝高温在线膨胀干燥系统简称HXD,干燥后的物料通过旋转出料气锁分离后出料,烟丝中脱出的水份通过排气管道排出。为了防止气锁轴与壳体链接处泄漏,在气锁轴和气锁壳体链接处用密封材料密封。一旦盘根密封泄露,由于进、出料气锁尺寸较大,检修更换需要较多的人力和时间;气锁盘根损坏漏气不仅使得烟丝随旋风落料器吸走,造成烟丝浪费,而且对烟丝内在质量也有较大影响。文章从问题着手,详细介绍了分析设计改进的全过程,在结构做出了较大的改进。采用新结构和新材料提高了HXD气锁轴密封件的使用寿命运。
  关键词:气锁轴密封件;机械密封结构原理;密封件材料及形式;可靠性
  1 HXD进、出料气锁在使用过程中,主要存在的问题
  (1)由于HXD气锁运行过程中有轻微震动,清洗过程中带有烟油的脏水进入浸泡,使密封材料使用寿命较短,较难保证进、出料气锁性能完好;
  (2)一旦盘根密封泄露,由于气锁尺寸较大,检修更换需要较多的人力和时间;
  (3)气锁盘根损坏漏气不仅使得烟丝随旋风落料器吸走,造成烟丝浪费,而且对烟丝内在质量也有较大影响。
  2 密封组件结构原理分析
  2.1 密封组件结构分析
  从气锁盘根盒尺寸和结构来看,气锁盘根盒的底部由于长期使用、腐蚀、磨损等原因,使得其底部成一斜面。这样在盘根紧固后,密封环的受力是单边受力,对轴的表面接触不是整个的密封环端面。盘根盒的底部是一个斜面;当拧紧盘根压盖,那么密封环与轴接触的一边受的压盖紧力明显会比另一边受的压盖紧力小,而且密封环的边与轴不能完好的接触,不能很好的对轴进行包裹。当轴转动时密封环与轴的摩擦主要在划红线的位置,这样只会加速对密封环和轴的磨损。
  在密封环磨损的初期阶段,由于与轴接触的地方很窄,接触的地方也是轴磨最容易摩损的地方,也可以说对轴的磨损主要也在这个阶段。初期表现的是密封环处出现小的泄漏,当适当紧固盘根后,密封环处的初期感觉泄漏变小,但实际上当紧固盘根压盖后,是加速了轴与密封环的磨损。由于过渡的磨损泄漏也就会变大,最终就出现了紧固没多长时间比原来泄漏还大的现象。
  解决方法:将盘根盒底部加工成与安装轴垂直的平面形式。
  2.2 密封组件原理分析
  通常一个完整的密封组件由被密封轴、盘根盒、盘根、盘根压盖、压盖紧固螺栓组成。
  盘根对轴的压紧力由拧紧压盖螺栓产生。由于盘根是弹塑性体,当受到轴向压紧后产生摩擦力致使压紧力沿轴向逐渐减小,同时所产生的径向压紧力使盘根紧贴轴的表面来阻止介质外漏。其外端向内端先是急剧递减后趋向平缓,介质压力由内向外逐渐递减,当外端的介质压力为零时,则没有泄漏,当外端介质大于零时泄漏产生。
  从上面的分析表明,盘根径向压紧力的分布与介质压力分布刚好相反,内端介质压力最大,应给予较大的密封力,而此时盘根的径向压紧力却是最小,感觉压紧力没有很好的发挥作用。在实际的运用中,为获得好的密封性能,往往增加盘根的压紧力,但是摩擦力也就相应增大。这样对设备轴与盘根就会产生异常的磨损情况,最终导致盘根处泄漏。
  3 层数的确定
  根据密封组件结构及原理分析的总结,并参考其应力分布综合考虑,决定将密封环设计成由两种材料组成,分三层的夹层式结构,以改变其径向压力分布。试想通过减少压盖的压力从而减少密封环的径向压力,使得密封环磨损速度降低,延长密封环使用寿命。
  外夹层加工制作时采取过盈配合,使得即使压盖的轴向压力减少了,但由于其采用过盈配合,从而使得其径向压力依然比较大。
  参数如表1所示。
  结合HXD气锁实际检测情况,发现压力、温度、线速度、PH值这三种材料基本上都能满足设计的要求,所以从线胀系数、导热系数、摩擦系数上进行了分析选择。
  (1)机械密封在回转过程中端面产生的摩擦热会使摩擦副环产生温度差,从而使摩擦副环产生温度变形,摩擦副环的变形角在一维传热的情况下为:
  由于温度变形会使端面磨损加剧,漏泄严重,因此在选择材料应该注意到这一点。由以上计算结果可以看出摩擦副环的温度变形角与摩擦副所用材料的线胀系数成正比,与导热系数成反比,要减少温度变形从材料上考虑就应尽量选择线胀系数小、导热系数大的材料做摩擦副环。
  (2)摩擦副环的材料选择除了从温度变形上考虑应选择导热系数大的、线胀系数小的以外, 还由于对摩擦副环最常见的破坏形式之一热裂进行分析发现,由于端面摩擦热使摩擦副环端面产生的最大热应力为:
  由此可以看出,摩擦副环的最大热应力与线胀系数成正比, 与导热系数成反比,所以从防止摩擦副端面热裂的角度出发也应该选择导热系数大的、线胀系数小的材料制造端面摩擦副环。
  经过对三种材料的分析比以及结合以上两公式的推导,最终选择膨胀石墨作为内芯层材料,聚乙烯作为外夹层材料。
  4 效果检验
  使用新型HXD气锁轴密封件后,在4个月的跟踪试用过程中,由气锁运行1996小时更换6次降至为设备运行1892小时无泄漏(0次),提高了设备的安全性和生产的连续性,达到了预期目标。并由于备件更换减少和节约原料而取得的经济效益约为28万元。
  参考文献
  [1]机械密封[M].石油化学工业出版社,1976.
  [2]中国科学兰州化物所.固体抗磨材料[M].科学出版社,1973.
  [3]沈锡华.机械密封摩擦副环热应力计算[J].北京化工学院学报.
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