密炼机转子端面密封装置增速及同步性能提升研究*

2014-03-27陈英

机械研究与应用 2014年3期

陈英

(乐山职业技术学院，四川乐山 614004)

0 引言

密炼机［1］是一种高强度的混炼设备，主要用于橡胶的塑炼和混炼，是橡胶企业主要的炼胶设备之一。密炼机的密炼室工作时压力很高，由于旋转的转子轴颈与密炼室侧壁之间存在环形间隙，高压下，物料就容易从环形间隙处泄漏，所以必须采用专门的转子轴端密封装置来阻止密炼室内的物料外泄。由于密炼机转子端面密封装置的性能对炼胶配方的精确性及所生产胶料的质量稳定性具有很大的影响，因此，密炼机转子端面密封的好坏，已成为衡量密炼机性能的重要指标，研究密封装置非常有必要。

1 密炼机转子端面密封装置工作原理

密炼机的密封装置［2］形式有端面密封、迷宫密封、反螺纹密封、填料密封等，密炼机转子轴端密封通常采用由一对相对滑动的动环与静环耐磨环组成的平面摩擦副，通过作用力使动环和静环紧密贴合的接触式端面密封形式，使动静耐磨环贴紧的作用力为弹簧力的称为机械密封，机械密封根据动环相对密封面位置不同，从而作用于静环上力的方向不同，分为外压式和内压式，外压式又分螺栓弹簧压紧式、拨叉弹簧压紧式;使动静耐磨环贴紧的作用力由液压油缸提供的称为液压密封，根据液压油缸的作用位置不同分为拨叉(杠杆)式和油缸直接作用式。

X(S)M系列密炼机转子端面密封装置［3］采用单油缸拨叉(杠杆)作用式密封，它是由油缸、压紧环、转动环、叉板等零件组成。油缸的缸体与叉板固定在一起，压缩弹簧对插板产生一定的预紧力。工作时油缸通入压力油，液压缸移动，从而带动叉板移动，叉板中间的螺栓起着杠杆支点作用，使叉板运动的力作用于静环上关于中心对称的两点，将静环与动环压紧。油缸作用力通过拨叉(杠杆)转化为对压紧环的压力。这种装置在每个转子的密封处都安装了一套，整个密封装置需4个油缸，工作时利用油缸之力向内推动外密封环，使之紧贴内密封环的密封面，以达到密封的目的。密封面的压紧压力可由减压阀通过调整油缸压力调整。每套密封装置上还设有4个进油孔，分别通入两股32 MPa的高压软化油和高压润滑油，以加强密封装置的密封效果和减少密封环的磨损。

此端面密封装置也称为FYH型［4－6］，在使用过程中具有如下优点:①工作端面压力均匀，密封比压稳定，因为液压式密封装置，是采用杠杆原理，使作用力均匀地作用在密封端面上，且由于4个油缸的油压是一致的，所以炼胶时工作压力是恒定的，密封比压稳定，能确保密封性能良好;②端面密封比压可调，且快捷方便，因为工作端面的密封比压是和油缸油压成比例的且可调，所以只要调整液压系统有关的减压阀，便可得到不同的密封比压;③拆装维修方便:动环和定圈工作端面都经硬化处理，使用寿命长。定圈是两半结构，可很容易的维修或更换;④由于密封装置紧靠转子工作端面，所以比其它密封装置耗油量小。

2 密炼机转子端面密封装置液压系统设计

2.1 增速原理［7］

液压系统常采用双泵供油、蓄能器供油、变量泵供油、液压缸差动连接等四种方式来增大回路的流量。液压缸产品通常分为活塞式液压缸、柱塞缸、伸缩缸、齿轮缸，其中活塞式液压缸又分为双杆式和单杆式两种。在前面的增压设计中，已将原有的柱塞缸换成了单杆式活塞缸，本设计采用单杆式活塞缸差动连接方式来增速。

如图1所示，单杆式活塞缸中左右两腔的油液量的变化与活塞杆的运动速度之间的关系可用液体动力学的基础公式来表示，即V=q/A，v代表的是活塞杆运动速度、q代表流量、A代表液压缸有效面积。在这个数学式中，当分母A一定时即液压缸有效面积保持不变时，活塞杆运动速度v与流量q之间成正比关系，即流量越大则速度越大，流量越小则速度越小，可以作出推论，活塞杆的运动速度与液压缸的流量密切相关。

图1 单杆式活塞缸

因此，在增加速度方案设计中，考虑增大进入液压缸的流量这个关键参数，从而实现液压缸活塞杆的快速运动。

当液压缸差动连接方式时，如图2所示，单杆活塞缸的两腔同时通入压力油，由于两腔的承压面积不同，迫使有杆腔的回油重新进入油缸的无杆腔，这种连接称为差动连接。

在差动连接回路中，把液压缸的进油路和回油路连接在一起，把油缸的有杆腔油液压回流到无杆腔，无杆腔流量增加后，即可以增大液压缸活塞杆往外推出的速度。

假设进入液压缸左腔的油液流量为Q，右腔中排出的油液流量为Q'，差动连接时，Q'也进入左腔，使左腔的流量增加到Q+Q'，从而也加快了活塞移动的速度。

图2 液压缸差动连接

工作时，为了使快进速度V3与快退速度V2相等，假设:液压缸的输入流量为Qv，据图2，则V2=Qv/ A2;V3=Qv/A1－A2，若要使V2=V3，则

实际生产中，若要求单活塞杆液压缸的快进与快退速度相等，则应取活塞杆的面积等于活塞面积的一半。差动快进回路的优点是在单泵工作时不增加液压泵流量的前提下，只需改变油路的连接方式，即可实现快速运动。简单易行，因而差动快进回路在工程机械上得到最多的使用。

2.2 对X(S)M－160系列密炼机的增速方案设计

为了防止转子端面密封渗漏，让油缸保持足够的压力施压，以保证良好的密封效果，本课题研究首先进行了该液压支路的增压设计。增压后，根据能量守衡的原则，其总能量P总=pq是保持不变，所以输出压力p的增加必然导致输出流量q的减少，施压速度v会随之减慢。所以，为增加工作效率，在增压之后，再进行液压支路的增速设计。

2.2.1 采用液压缸差动连接方式［7］

如图3所示，将原有的柱塞缸换成了单杆式活塞缸，采用单杆活塞缸差动连接方式，使单杆活塞缸的两腔同时通入压力油。

由于两腔的承压面积不同，迫使有杆腔的回油重新进入油缸的无杆腔，从而也加快了活塞移动的速度，实现活塞杆向右高速行进的增速功能，让液压缸快速接近转子端面施加压力，达到缩短密封动作时间，提高工作效率的目的。

(1)快进阶段:左右两端电磁铁不通电，3位4通电磁阀中位进入工作状态，泵输出来的油液经过3位4通电磁阀进入液压缸的无杆腔，活塞杆右行，此时，从有杆腔流出的油液经过3位4通电磁阀中位返回液压缸无杆腔，这种差动连接方式使液压缸无杆腔的流量增大，活塞杆向右快速行进，从而实现对密炼机转子端面的快速密封。

(2)工进阶段:右端电磁铁通电，左端电磁铁断电时，3位4通电磁阀右位进入工作状态，从有杆腔流出的油液通过3位4通电磁阀进入液压缸的无杆腔，活塞杆右行，活塞杆向右速度减慢。

(3)快退阶段:右端电磁铁断电，左端电磁铁通电时，3位4通电磁阀左位进入工作状态，泵输出来的油液经过3位4通电磁阀左位进入液压缸的有杆腔，活塞杆向左快速返回。

图3 液压缸差动连接方式

2.2.2 差动连接快速运动回路的匹配要求

在密炼机产品的液压系统中，设计时应先对通过各液压阀油液的最高压力和最大流量进行计算分析，选用匹配的液压元件规格型号，才能尽量减少液压系统的泄漏、气穴及温升现象，有效地发挥差动连接快速运动回路的工作性能。

3 密封装置4个液压缸同步动作控制方案

转子端面密封装置的4个液压缸以900间隔的方式排列，以4个点位施压，只有4个点位施压均匀，才能保证密封效果。要求4个液压执行元件以相同的位移或相同的速度(或固定速度比)同步运行时，就需要用优化现有的同步回路。考虑到执行元件所受到的不均的载荷、不相同的摩擦阻力、有差别的泄漏量、制造上的差异等都会影响同步精度，为了弥补上述影响，液压系统中采取分流集流阀的同步方式，以克服负载、摩擦阻力、泄露、制造质量和结构变形上的差异，从而保证4个液压缸在运动上的同步。

3.1 采用分流集流阀的同步动作回路工作原理

分流集流阀［8］可以使2个液压缸得到相同的或成比例的流量，使2个液压缸同步动作。

采用分流集流阀的同步动作回路如图4所示，当换向阀1左位进入工作状态时，压力油经分流集流阀3分成两股等量的油进入液压缸5和6，使两缸同步上升;当换向阀1右位进入工作状态时，分流集流阀3起集流作用，控制液压缸5和6同步下降。其中，单向节流阀2的作用是控制两活塞下降的速度，分流集流阀3的作用是控制两活塞速度同步。