李向陽　劉剛　徐昕

　　密封對機(jī)械產(chǎn)品防止“三漏”、保證設(shè)備的正常潤滑動作及安全運(yùn)轉(zhuǎn)起著至關(guān)重要的作用。立磨對密封的要求較高，尤其是磨輥軸承對密封的要求。油封設(shè)置于靜止與旋轉(zhuǎn)部件之間，用于防止?jié)櫥托孤┖头乐雇饨鐗m土、物料等雜質(zhì)進(jìn)入軸承室內(nèi)腔的動密封原件，具有結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好，對軸的振擺、偏心的隨動性能等特點，因而被廣泛應(yīng)用于立磨磨輥軸承密封中。磨輥是立磨中的關(guān)鍵部件，其使用的軸承都是大型軸承，價格昂貴，由于磨機(jī)內(nèi)部工作環(huán)境惡劣、溫度高、粉塵多、振動大、氣體潮濕，磨輥漏油現(xiàn)象發(fā)生或者油封密封失效時，直接影響軸承的使用安全，降低軸承使用壽命，增加設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險與維護(hù)成本。因此，完善的磨輥密封解決方案直接決定著立磨磨輥工作的可靠性、使用效率和運(yùn)行維護(hù)成本，甚至?xí)绊懻麄€立磨系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　1　磨輥密封的密封原理
　　密封的目的在于，在一處有可能發(fā)生泄漏而要對其施以密封的地方，設(shè)置一個完善的物理壁壘。磨輥密封屬于磨輥旋轉(zhuǎn)狹隘的動態(tài)密封，動態(tài)密封的原理有許多學(xué)派，分別提出了表面張力理論、吸附理論和邊界潤滑理論等諸多理論，其中比較有影響的是E.T.Jagger提出的新月面理論和Horvel等人提出的微型泵理論^[1]。現(xiàn)分別對其進(jìn)行介紹。
　　1.1　新月面理論
　　骨架油封通常由密封體、加強(qiáng)骨架和自緊螺旋彈簧組成，在自由狀態(tài)下，其內(nèi)徑比軸要小，有一定的過盈量，當(dāng)油封裝入油封座和軸上之后，油封唇口的壓力和自緊彈簧的收縮力對軸面產(chǎn)生一定的徑向壓力，再加上潤滑油腔的壓力，共同決定著與軸之間的摩擦力，油封初始旋轉(zhuǎn)時，摩擦力矩較大，而后逐漸下降趨于穩(wěn)定。工作時，油封唇口在接觸壓力的作用下，形成一個密封接觸環(huán)帶，潤滑油滲入密封接觸環(huán)帶，形成一層油膜，油膜具有流體潤滑特性。在液體表面張力的作用下，油膜的剛度恰好使油膜與空氣接觸端形成一個新月面，防止工作介質(zhì)的泄漏，從而實現(xiàn)密封。油封的密封能力，取決于密封面油膜的厚度，厚度過大，油封泄漏；厚度過小，可能發(fā)生摩擦，引起油封和軸面磨損；密封唇與軸之間沒有油膜，則易引起發(fā)熱、磨損。因此，在安裝時，必須在油封上涂些油脂，同時保證骨架油封與軸的軸心線垂直，若不垂直，油封的密封唇會把潤滑油從軸上排干，也會導(dǎo)致密封唇的過度磨損。
　　1.2　微型泵理論
　　由于油封內(nèi)徑小于軸的直徑，二者屬于過盈配合，加上彈簧的作用使得接觸區(qū)域上接觸壓力呈不對稱分布，油封儲油端與空氣端產(chǎn)生不同的壓力變化，從而產(chǎn)生兩向不同的泵油作用，使?jié)櫥投ㄏ蛄鲃?，從而達(dá)到密封的目的。
　　2　磨輥密封失效原因分析
　　密封失效引起磨輥潤滑油泄漏的部位主要是油封唇部與磨輥軸套（油封副）結(jié)合部、油封基體與油封腔體結(jié)合部。失效的主要原因包括軸（套）的問題、油封的問題、配合的問題、安裝及使用維護(hù)等方面的問題^[2]。
　　2.1　軸（套）的問題
　　1）軸（套）的表面粗糙度：軸的表面粗糙度對密封的作用非常關(guān)鍵，如果軸的表面粗糙度過大，軸表面的凸峰會穿過油膜與密封唇口接觸，在油封轉(zhuǎn)動時易刮傷唇口，導(dǎo)致唇口很快磨損，密封失效；如果軸的表面粗糙度過小，油容易從密封接觸處擠出，導(dǎo)致油膜變薄或破裂，從而增大摩擦和磨損，使密封受到破壞從而失效。所以軸的表面粗糙度有一個合適的范圍，一般Ra控制在0.4～0.8μm。
　　2）軸（套）的表面硬度：由于在工作過程中，與唇形油封接觸的軸面長期處于唇口的摩擦下，久而久之容易磨損軸徑，因此此處軸（套）表面硬度應(yīng)提高，一般控制在50HRC以上。
　　3）軸（套）的表面加工狀態(tài)與形位公差：如果軸（套）表面存在加工痕跡和損傷，會造成油封泄露，同樣如果軸（套）的圓度和跳動量超過了油封的適應(yīng)能力，也會造成油封泄漏。
　　2.2　油封本身的因素
　　1）油封結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。要獲得無泄漏的唇形油封，除了選擇合適的彈性材料外，密封帶的形狀和位置、密封帶和彈簧的相對位置均具有十分重要的作用。密封面由兩個相交的錐面形成，前唇角（α）指密封唇的前唇面與軸線的夾角，后唇角（β）指密封唇的后唇面與軸線的夾角。設(shè)計時要求α＞β，同時為獲得良好的密封效果，一般取α=40°～60°，β=20°～25°。彈簧中心與唇口密封中心要有一個軸向偏置量，其值一般為R=0.4～0.7mm，R值過小甚至趨于零時無法保持油膜，不利于密封；R值過大增加摩擦生熱，同時接觸寬度增加，接觸應(yīng)力變小，致使油封唇口與軸之間的“臨界油膜”潤滑擴(kuò)大成流體潤滑，造成泄漏。
　　2）油封選材不當(dāng)。選材時未考慮耐高溫、抗老化、抗磨損、耐壓、耐腐蝕等因素。
　　3）油封的制造工藝不合理，尺寸精度差。
　　4）油封彈簧質(zhì)量差或失效，使油封對軸的抱緊力太小。
　　2.3　配合的問題
　　1）安裝油封的油封座質(zhì)量差。
　　2）箱體座孔、端蓋、輸出軸不同心。唇形油封新安裝時的平均接觸載荷約為1MPa，相當(dāng)于單位軸向長度上的載荷為200N/m，經(jīng)過長時間運(yùn)行后，接觸載荷慢慢衰減，衰減后的載荷至少應(yīng)維持在初始載荷的50%，即100N/m；當(dāng)箱體座孔、端蓋、輸出軸不同心時，可造成油封唇與軸套接觸不均，致使油封唇口對軸套的壓緊力不一致，局部單位軸向長度的載荷可超過400N/m。一般來講，載荷為100N/m時，油封壽命Z長，超過400N/m時，油封壽命Z短。
　　3）長期高溫使橡膠老化和硬化。基于磨內(nèi)高溫工作環(huán)境及油封旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，油封唇口處溫度一般在120℃左右，長時間運(yùn)轉(zhuǎn)促使油封老化、失效。
　　2.4　安裝及使用維護(hù)等方面
　　1）油封使用時，未檢查使用前是否有損壞，未正確確認(rèn)密封主唇口的方向。
　　2）裝配時，劃傷唇口。
　　3）軸端、軸肩粗糙度過大、裝配用力不均或一次壓入厚度過大，致使油封唇口翻轉(zhuǎn)或使彈簧脫落。
　　4）油封裝配時壓入不到位，損傷唇口。
　　5）對油封的使用壽命認(rèn)識不足，超期使用導(dǎo)致油封老化損壞，密封失效。
　　6）設(shè)計中未考慮可定期加注潤滑脂的結(jié)構(gòu)或未及時向油封處填注潤滑脂，導(dǎo)致油封干摩擦，溫度升高而損壞。
　　3　磨輥密封失效的危害
　　在由軸承、潤滑、密封等組成的立磨磨輥系統(tǒng)中，密封是Z薄弱的環(huán)節(jié)。經(jīng)統(tǒng)計，67%以上的軸承失效都是由密封失效引起的。磨輥密封失效會使物料微粉、水分等進(jìn)入磨輥內(nèi)部，導(dǎo)致潤滑油污染、乳化失效，以致無法形成有效的油膜厚度導(dǎo)致軸承生銹、點蝕、磨損乃至Z終斷裂，情況嚴(yán)重時，會導(dǎo)致整個磨輥卡死，造成磨機(jī)振動大、產(chǎn)量降低，引發(fā)停機(jī)停產(chǎn)等嚴(yán)重后果。
　　4　磨輥密封對密封件的要求
　　1）密封件的承壓能力應(yīng)不低于0.3MPa，內(nèi)部應(yīng)無獨立的彈簧設(shè)計，減少由于密封變形、彈簧脫落而造成的密封失效，同時應(yīng)具有充足的軸向抱緊力，保證密封性能。
　　2）密封件應(yīng)具有優(yōu)異的唇口廓形設(shè)計，完全滿足磨內(nèi)高溫（100~200℃）、低速重載、持續(xù)振動等苛刻的使用要求，以及軸與油封座孔有輕微不對中時的密封性能。
　　3）密封件應(yīng)具有良好的耐油性，同時能通過擠壓成形的唇口帶來優(yōu)異的泵油能力，將污染物、水分、物料微細(xì)粉擋在外部，特別是具有防止尺寸大小約為5～80μm的物料顆粒進(jìn)入軸承腔室的能力。
　　4）密封件應(yīng)耐磨性好，摩擦系數(shù)低，能在一定程度上自動補(bǔ)償磨損和幾何精度誤差，且不易老化。
　　5）在正常使用、良好潤滑的基礎(chǔ)上，要求壽命Z少為2年。
　　5　磨輥軸承密封解決方案
　　5.1　原密封方案及其缺點
　　原有立磨磨輥軸承密封是三道油封密封組成，其結(jié)構(gòu)方案見圖1。

圖1　原立磨磨輥軸承密封結(jié)構(gòu)

　　該密封結(jié)構(gòu)的缺點如下：
　　1）該設(shè)計密封由三道油封組成，其中內(nèi)側(cè)兩道油封主唇面向軸承一側(cè)，用來防油，Z外側(cè)一道油封面朝磨內(nèi)一側(cè)，用來防塵（主要是物料微粉），由于Z外側(cè)一道油封直接與空氣接觸，極易被物料污染損傷，形成物料進(jìn)入軸承腔室的通路，致使內(nèi)側(cè)兩道放油油封失效，進(jìn)而導(dǎo)致整個密封系統(tǒng)失效，造成磨輥漏油、軸承失效等嚴(yán)重后果。
　　2）原有油封材料為丁腈橡膠，當(dāng)潤滑不良時，發(fā)熱量加大極易導(dǎo)致油封唇口老化，密封失效。
　　3）油封副材料為普通Q235A或45號鋼，硬度不足，極易在油封副與唇口接觸處磨出溝槽，造成油封損壞失效，磨損產(chǎn)生的細(xì)金屬屑也會危害軸承使用安全。
　　4）由于是三道油封同時作用，安裝時容易將油封唇口的方向裝反，同時安裝時也難以避免翻唇現(xiàn)象的發(fā)生。
　　5）原有設(shè)計對油封座腔、油封副的硬度、粗糙度、加工精度及形位公差的要求未考慮油封的承受能力，極易產(chǎn)生內(nèi)部損傷。
　　5.2　磨輥軸承密封新方案
　　針對原有密封的缺點，提出了一種新的磨輥軸承密封解決方案，即采用兩道骨架油封+V型防塵封+耐磨軸套的新方案，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　新的磨輥軸承密封結(jié)構(gòu)

　　5.3　新的密封方案的優(yōu)點
　　1）密封和防塵分別由獨立的功能元件來實現(xiàn)，從而達(dá)到功能Z佳化。
　　2）V型防塵封采用獨特的設(shè)計，性能大大優(yōu)于市場上普通的V型密封，其安裝在旋轉(zhuǎn)件上，可將其隨油封座旋轉(zhuǎn)時收集的灰塵、顆粒等異物倒回并被密封空氣吹回到磨盤上。
　　3）軸向采用兩道油封密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，油封唇口采用計算機(jī)FEA有限元優(yōu)化的唇口廓形，其中靠近磨輥軸承內(nèi)部一側(cè)油封主唇朝內(nèi)，能有效防止循環(huán)油外漏，遠(yuǎn)離磨輥軸承內(nèi)部一側(cè)油封主唇朝外，起到防塵擋灰的作用，能有效防止灰塵進(jìn)入軸承潤滑系統(tǒng)。
　　4）安裝時預(yù)先在相應(yīng)的密封接觸面處填充潤滑脂，一方面保證密封處有一定的潤滑，提高壽命；另一方面起到防塵的作用；同時為了保證設(shè)備的正常潤滑，在軸上設(shè)有潤滑油通道，方便定期加注潤滑脂。
　　5）軸承鋼耐磨軸套硬度高，與油封配合使用時二者壽命均有效增加，且損壞后只需更換軸套本身，無需擔(dān)心對軸的損害。
　　6）設(shè)計中對軸套材料進(jìn)行了優(yōu)化選型，同時對軸套、油封座的硬度、粗糙度、壁厚，以及配合所需的尺寸公差、形位公差等參數(shù)也予以優(yōu)化。
　　5.4　新密封方案與原有密封方案的比較
　　新密封方案與原有密封方案的比較見表1。

表1　新密封方案與原有密封方案的比較

　　5.5　耐磨襯套的作用
　　由于旋轉(zhuǎn)軸和密封之間存在雜質(zhì)顆粒和摩擦，會嚴(yán)重?fù)p壞軸或者軸套。目前立磨行業(yè)普遍的處理方式是在軸上電刷鍍或者更換新的軸套，但電刷鍍加工難度大，修復(fù)效果難以保證；普通軸套壽命極短，更換軸套、油封時又需要將整個磨輥從磨內(nèi)吊出，耗時費(fèi)力。實踐證明，采用大直徑耐磨襯套能有效延長油封使用壽命，同時減少頻繁更換軸套、停機(jī)、安裝拆卸的維護(hù)費(fèi)用。
　　大直徑耐磨襯套的設(shè)計特點：由高質(zhì)量的SAE1008碳鋼制成，有鉻鍍層，以便增強(qiáng)耐磨性和耐腐蝕性；襯套外徑經(jīng)過特殊磨削處理，可為密封件提供精密的配合面；標(biāo)準(zhǔn)襯套壁厚為2.39mm，襯套磨損后易于更換。標(biāo)準(zhǔn)襯套使得油封的使用壽命持續(xù)提高，有效提高了立磨系統(tǒng)的可靠性。
　　6　結(jié)束語
　　兩道骨架油封+V型防塵封+耐磨軸套的磨輥軸承密封新方案，已經(jīng)在約200套磨輥裝置中使用，到目前為止，磨輥潤滑油泄漏事故發(fā)生概率僅為1%，因密封失效引起的軸承失效概率僅為0.5%。實踐證明，采用新密封結(jié)構(gòu)的磨輥裝置，密封效果好，密封件壽命普遍延長，油封泄漏事故發(fā)生的概率大幅度降低，有效地保護(hù)了磨輥軸承，減少立磨停機(jī)次數(shù)與時間，提高了立磨系統(tǒng)的可靠性。

來源：《水泥》2016年6期