劉鑫
（國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)高端設(shè)備研發(fā)中心，陜西榆林 719315）
0 引言
浮動油封誕生于20世紀(jì)50年代后期，Z初用于取代推土機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)上的橡膠油封，結(jié)構(gòu)屬于動密封的一種，是一種緊湊型的金屬端面密封，主要用于低速重載場合，在煤塵大、泥沙多、水氣多等惡劣的工作環(huán)境下具有超強的密封性能，并具有耐磨、端面磨損后能自動補償?shù)葍?yōu)點；因其結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠和壽命較長等優(yōu)點，在煤礦機(jī)械中被廣泛應(yīng)用，如刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等。
刮板輸送機(jī)是煤礦綜采設(shè)備的主要組成部分，鏈輪組件是刮板輸送機(jī)的重要組成部分，其能否安全可靠運行，直接關(guān)系到礦井生產(chǎn)。刮板輸送機(jī)在使用過程中，鏈輪組件出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致鏈輪組件失效，直接嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)。
1 問題
維修部門新裝配的刮板輸送機(jī)機(jī)頭鏈輪組件，在空載試機(jī)運行不到30min時，發(fā)現(xiàn)鏈輪冒煙漏油，經(jīng)停機(jī)拆解后發(fā)現(xiàn)為浮動油封的紅棕色O形橡膠圈已經(jīng)斷裂并掉下碎塊，經(jīng)相關(guān)人員現(xiàn)場查看分析，系浮動油封漏油致使軸承處缺油，軸承在缺油工況下使用30min，局部高溫導(dǎo)致橡膠圈失效，O形圈材料為氟橡膠，浮動油封的規(guī)格為350-375-38。
2 浮動油封的密封與磨損機(jī)理
浮動油封一般是由一對浮動密封環(huán)（以下簡稱浮封環(huán)）、兩個橡膠圈、兩個浮封座等6部分組成的密封系統(tǒng)（圖1），共5處密封要求。浮封環(huán)是一個軸向呈馬鞍形，由鐵合金材料制成的浮動式的端面密封環(huán)。橡膠圈是一軸向截面為圓形而截面直徑較粗的橡膠環(huán)。浮動座是含有一個內(nèi)錐面、起到托住橡膠圈與浮動環(huán)并使兩者在空間保持一定位置的座腔。浮封環(huán)需成對使用，一個隨旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)（動環(huán)），另一個相對靜止（定環(huán)），在動環(huán)與浮封座之間以及在定環(huán)與浮封座之間的錐面處，各裝入一個具有圓形斷面的橡膠圈，在裝配預(yù)緊力作用下橡膠圈在浮封座形成的密封腔內(nèi)受軸向壓縮產(chǎn)生變形。產(chǎn)生垂直于浮封座錐面的彈力Fb和垂直浮封環(huán)錐面的彈力Fc，彈力Fc分解為軸向分力Fca和徑向分力Fcr。彈力Fb是橡膠圈與浮封座錐面緊密接觸實現(xiàn)b處密封，彈力Fc是橡膠圈與浮封環(huán)錐面緊密接觸實現(xiàn)c處密封，軸向分力Fca使兩浮封環(huán)密封面緊密接觸，實現(xiàn)a處密封，Z終實現(xiàn)整個密封系統(tǒng)的5處密封要求（圖2）。
圖1 浮動油封結(jié)構(gòu)
浮封環(huán)的密封接觸表面寬度為（0.2～0.3）mm，內(nèi)部的錐形間隙有利于潤滑油進(jìn)入密封面。潤滑油通過毛細(xì)作用、旋轉(zhuǎn)時的離心作用以及密封腔內(nèi)溫升后內(nèi)壓增大的作用進(jìn)入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實現(xiàn)密封、潤滑及冷卻，同時還可避免兩浮封環(huán)接觸端面過度磨損發(fā)熱所引起的橡膠圈老化變形、失去彈性。當(dāng)浮封環(huán)亮帶磨損時，橡膠圈的彈性還可起到一定的自動補償作用。
3 原因分析
圖2 浮動油封密封原理
針對此問題，成立了專門的問題原因分析小組，對此問題產(chǎn)生的可能原因進(jìn)行了全面的剖析，具體原因查證分析過程與初步分析如下。
（1）檢測浮封座外唇口尺寸為Φ384.3mm。
（2）檢測浮動油封膠圈組合后尺寸為Φ385.5mm。
（3）在裝配過程中，因橡膠圈的硬度過高，O形圈裝配不到位，導(dǎo)致O形圈的位置不同，變形抗力增大，從而導(dǎo)致浮封環(huán)的端面比壓不一致，密封力也不同，而導(dǎo)致漏油。
（4）浮封環(huán)裝配后由于受到不平衡的力的作用，導(dǎo)致密封力的不平衡，造成浮封環(huán)的端面比壓產(chǎn)生畸變，而導(dǎo)致漏油。
（5）浮動油封在工作時，由于浮封環(huán)所受的軸向力過大，使浮封環(huán)的端面比壓增大，致使浮封環(huán)的密封亮帶損壞，O形圈與浮封環(huán)接觸的擠壓力過大，而O形圈的撕裂強度又過低，為此，導(dǎo)致浮封環(huán)將O形圈擠壞而使橡膠圈破裂，Z終導(dǎo)致密封漏油失效。
（6）浮動油封在裝配時，橡膠圈有被劃傷的可能性，在工作過程中會出現(xiàn)裂紋，從而使O形圈遭到損壞，導(dǎo)致密封力的顯著降低，密封系統(tǒng)便遭到破壞，Z終使浮動油封失效而漏油。
（7）從橡膠圈材料的撕裂強度來看，NBR的撕裂強度在（16～17）kN/m，若采用炭黑補強其強度可達(dá)到20kN/m；而FPM的撕裂強度僅為（12～13）kN/m。可見，F(xiàn)PM材料的撕裂強度比NBR材料要低，在同樣的工作負(fù)荷條件下，NBR材料的使用性能狀態(tài)要明顯的好于FPM材料。
4 相關(guān)試驗與分析驗證
4.1不同橡膠圈材料的動態(tài)性能試驗對比
為了驗證不同橡膠圈材料的亮帶磨損情況，在浮動油封的動態(tài)性能試驗機(jī)上，做了如下驗證試驗，試驗參數(shù)：轉(zhuǎn)速100r/min（線速度1.96m/s），試驗時間12h。
通過對比驗證試驗可以看出，在同樣的工作條件下，F(xiàn)PM65材料的浮封環(huán)的亮帶有磨損痕跡，F(xiàn)PM60材料的浮封環(huán)亮帶有很輕微的磨損痕跡，NBR60膠圈材料的浮封環(huán)亮帶基本看不出任何磨損，3種橡膠圈的浮封環(huán)亮帶磨損對比如圖3所示。
4.2不同橡膠圈材料的動態(tài)性能試驗對比
使用專業(yè)分析軟件（ANSYS15.0），對FPM65，F(xiàn)PM60與NBR60橡膠圈材料的FEA/CAE進(jìn)行分析對比，O形橡膠圈的接觸應(yīng)力變化云圖分析結(jié)果如圖4所示。通過CAE對橡膠圈的接觸應(yīng)力應(yīng)變分析，可以看出，F(xiàn)PM65橡膠圈材料的接觸應(yīng)力應(yīng)變明顯的大于NBR60材料的應(yīng)力；FPM60橡膠圈材料的接觸應(yīng)力應(yīng)變稍微大于NBR60材料的應(yīng)力，因此，在同樣的工況條件下，硬度高的FPM橡膠圈材料的橡膠圈易造成破壞，易造成密封體系失效而導(dǎo)致密封破壞。
圖3 3種橡膠圈的浮封環(huán)亮帶磨損對比
圖4 橡膠圈的接觸應(yīng)力應(yīng)變
5 基本結(jié)論
通過上述的試驗驗證與FEA/CAE分析，可以得出以下基本結(jié)論。
（1）浮動油封漏油的主要原因系由于浮動油封的橡膠圈的硬度過高，橡膠圈的壓縮比急劇增大，橡膠圈局部的接觸應(yīng)力過大，致使浮封環(huán)在工作時受到過大的軸向力作用下，端面比壓也急劇增大，超出了標(biāo)準(zhǔn)范圍的要求，從而使密封亮帶受到損傷，Z終使橡膠圈與浮封環(huán)之間產(chǎn)生相對滑動，而O形橡膠圈的撕裂強度又過低而遭到損壞后，浮封環(huán)的密封力得不到及時的提供，致使密封體系嚴(yán)重失效，從而使浮封環(huán)的端面比壓過大且不穩(wěn)定所致。
（2）浮動油封相配件的精度可能存在誤差，如箱體，軸承及軸的加工精度等。
（3）機(jī)架系統(tǒng)的剛性不夠，造成浮動油封系統(tǒng)失效。
（4）浮封環(huán)工作時端面比壓的急劇增大，系由于各種可能原因的變差，致使工作時，橡膠圈的變形抗力增大所導(dǎo)致。
可見，保證浮封環(huán)的端面比壓的穩(wěn)定可靠且符合標(biāo)準(zhǔn)要求是實現(xiàn)浮動油封密封的先決必要條件，此條件必須要保證到位且滿足，否則，易造成浮動密封的失效而影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。
6 糾正及預(yù)防措施
（1）適當(dāng)調(diào)整浮動油封的端面比壓，使其端面比壓在相對合理的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。
（2）嚴(yán)格控制浮動油封相配件的精度，如軸承及軸的加工精度、密封座加工精度、粗糙度和同軸度等。
（3）嚴(yán)格對機(jī)架系統(tǒng)的剛性進(jìn)行控制，以保證浮動油封的整個機(jī)構(gòu)支撐系統(tǒng)的剛性。
（4）嚴(yán)格控制浮動油封橡膠圈的硬度變化，使各處均勻，變差不超過±SHOREA5硬度單位，使浮動油封受力均衡，以保證其端面比壓的穩(wěn)定可靠。
（5）適當(dāng)降低橡膠圈的硬度或更換為NBR膠圈材料，以降低浮動油封的端面比壓，更換為綜合性能較好的NBR橡膠材料，避免性能的變化導(dǎo)致端面比壓變化，而導(dǎo)致密封失效，繼而影響密封的正常工作。
（6）提高橡膠圈材料的撕裂強度，使橡膠圈能夠承受較大的軸向力，保證在工作過程中不致因橡膠圈的撕裂而損壞，進(jìn)而影響浮動油封的密封性能，Z終使浮動密封失效。
（7）對于精密支撐零部件如軸承等處的油位應(yīng)定期關(guān)注，發(fā)現(xiàn)問題立即采取相關(guān)的補救措施進(jìn)行糾正，以免因為潤滑不當(dāng)產(chǎn)生不應(yīng)有的損害。
（8）在裝配時需使用專門的裝配工裝，保證O形橡膠圈的裝配位置的準(zhǔn)確性，從而保證浮動油封的端面比壓的穩(wěn)定性，以滿足浮動油封的正常工作條件。
7 結(jié)語
通過將浮動油封的橡膠圈材料由氟橡膠改進(jìn)為丁晴橡膠，進(jìn)一步改善橡膠圈的力學(xué)綜合性能，以降低浮動油封的端面比壓及改善橡膠圈的抗撕裂性能來滿足現(xiàn)場工況條件，并在安裝過程中嚴(yán)格按照規(guī)定步驟進(jìn)行安裝和檢測，測試和運行過程中保證鏈輪的潤滑和冷卻，順利通過了空載8h的出廠檢測，并在后期安裝在刮板輸送機(jī)上正常運行。
通過對鏈輪浮動油封存在問題的認(rèn)真分析并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，從實際應(yīng)用中可以看到，鏈輪漏油問題也得到了有效的控制，避免了由于浮動密封漏油導(dǎo)致設(shè)備損壞，提高了設(shè)備開機(jī)率，保證了設(shè)備的正常運行。
來源：《設(shè)備管理與維修》2019年18期
