摘 要：指出浮動油封在刮板輸送機鏈輪使用過程中出現(xiàn)的問題，分析浮動油封密封與磨損機理，提出輸送機鏈輪浮動油封漏油改進方法，并進行完整的實驗進行論證，有效提高浮動油封的使用可靠性，對同類浮動密封預防損壞有指導意義。
關鍵詞：刮板輸送機;鏈輪;失效;浮動油封;改進
0 引言
浮動油封誕生于 20 世紀 50 年代后期，最初用于取代推土機履帶行走機構上的橡膠油封，結構屬于動密封的一種，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;因其結構簡單、密封可靠和壽命較長等優(yōu)點，在煤礦機械中被廣泛應用，如刮板輸送機、轉載機等。
刮板輸送機是煤礦綜采設備的主要組成部分，鏈輪組件是刮板輸送機的重要組成部分，其能否安全可靠運行，直接關系到礦井生產(chǎn)。刮板輸送機在使用過程中，鏈輪組件出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，導致鏈輪組件失效，直接嚴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機頭鏈輪組件，在空載試機運行不到 30 min 時，發(fā)現(xiàn)鏈輪冒煙漏油，經(jīng)停機拆解后發(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 30 min，局部高溫導致橡膠圈失效，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，一個隨旋轉件旋轉(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，最終實現(xiàn)整個密封系統(tǒng)的 5 處密封要求(圖2)。
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入密封面。潤滑油通過毛細作用、旋轉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
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 Φ384.3 mm。
(2)檢測浮動油封膠圈組合后尺寸為 Φ385.5 mm。
(3)在裝配過程中，因橡膠圈的硬度過高，O 形圈裝配不到位，導致 O 形圈的位置不同，變形抗力增大，從而導致浮封環(huán)的端面比壓不一致，密封力也不同，而導致漏油。
(4)浮封環(huán)裝配后由于受到不平衡的力的作用，導致密封力的不平衡，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，導致浮封環(huán)將 O 形圈擠壞而使橡膠圈破裂，最終導致密封漏油失效。
(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，導致密封力的顯著降低，密封系統(tǒng)便遭到破壞，最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到 20 kN/m;而 FPM 的撕裂強度僅為(12～13)kN/m�？梢�，F(xiàn)PM 材料的撕裂強度比NBR材料要低，在同樣的工作負荷條件下，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)性能試驗機上，做了如下驗證試驗，試驗參數(shù)：轉速 100 r/min(線速度 1.96 m/s)，試驗時間 12 h。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(AN-SYS15.0)，對 FPM65，F(xiàn)PM60與NBR60 橡膠圈材料的FEA/CAE 進行分析對比，O形橡膠圈的接觸應力變化云圖分析結果如圖 4 所示。通過CAE 對橡膠圈的接觸應力應變分析，可以看出，F(xiàn)PM65 橡膠圈材料的接觸應力應變明顯的大于NBR60材料的應力;FPM60 橡膠圈材料的接觸應力應變稍微大于 NBR60 材料的應力，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致密封破壞。
5 基本結論
通過上述的試驗驗證與 FEA/CAE 分析，可以得出以下基本結論。
(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，超出了標準范圍的要求，從而使密封亮帶受到損傷，最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致�？梢�，保證浮封環(huán)的端面比壓的穩(wěn)定可靠且符合標準要求是實現(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備的正常運轉。
6 糾正及預防措施
(1)適當調(diào)整浮動油封的端面比壓，使其端面比壓在相對合理的標準范圍內(nèi)。
(2)嚴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)嚴格對機架系統(tǒng)的剛性進行控制，以保證浮動油封的整個機構支撐系統(tǒng)的剛性。
(4)嚴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±SHOREA 5 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，避免性能的變化導致端面比壓變化，而導致密封失效，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，進而影響浮動油封的密封性能，最終使浮動密封失效。
(7)對于精密支撐零部件如軸承等處的油位應定期關注，發(fā)現(xiàn)問題立即采取相關的補救措施進行糾正，以免因為潤滑不當產(chǎn)生不應有的損害。
(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 結語
通過將浮動油封的橡膠圈材料由氟橡膠改進為丁晴橡膠，進一步改善橡膠圈的力學綜合性能，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，并在安裝過程中嚴格按照規(guī)定步驟進行安裝和檢測，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 8 h 的出廠檢測，并在后期安裝在刮板輸送機上正常運行。
通過對鏈輪浮動油封存在問題的認真分析并采取了相應的改進措施，從實際應用中可以看到，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致設備損壞，提高了設備開機率，保證了設備的正常運行。
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〔編輯 凌 瑞〕
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