GK密炼机油缸直接液压密封结构及关键件应力分析
2016-11-15孙庆伟刘冰崔浩森佘海斌
孙庆伟，刘冰，崔浩森，佘海斌
（益阳橡胶塑料机械集团有限公司，湖南 益阳 413000）
GK密炼机油缸直接液压密封结构及关键件应力分析
孙庆伟，刘冰，崔浩森，佘海斌
（益阳橡胶塑料机械集团有限公司，湖南 益阳 413000）
着重对GK型密炼机油缸直接液压轴端密封结构进行分析，对比外压轴端机械密封，显示了液压密封柔性特点。介绍了密封轴端压力的计算方法，并对液压密封关键件——静耐磨环做了应力分析。
密炼机；油缸；圆耐磨板；动耐磨环；应力分析
密炼机的炼胶过程是在密闭的空间进行，转子对胶料的剪切、挤压以及压砣对胶料的加压等作用使密炼室内形成较高压力。由于旋转的转子轴颈和密炼室侧壁存在环形间隙，所以必须采用专门的转子轴端密封装置来阻止密炼室内物料外泄。
1 GK密炼机的轴端密封
GK型密炼机的轴端密封通常采用接触式端面密封的工作原理。有一对相对滑动的耐磨环，即动环和静环组成的平面摩擦副。通过作用力使动环和静环紧密贴合。端面间维持一层极薄的液体膜，具有流体动压力和静压力，起着润滑和平衡压力的作用，从而达到密封的目的。另外，在密封端前面位置，通过注入高压密封油将外泄粉尘等黏结、稀释。形成一道初始密封。
2 GK型密炼机常用轴端密封形式
根据动静耐磨环的作用力施加方式不同，GK型密炼机常用的转子轴端密封形式有机械密封和液压密封。在机械密封中使动静环贴近的力为弹簧力。在液压密封中使动静耐磨环贴紧的力由液压油缸提供。根据液压油缸的作用位置不同分为拨叉式和油缸直接作用式。机械密封属于刚性密封，而液压密封属于柔性密封，液压油缸压力大小由混炼室内物料对密封端面压力大小决定。液压系统可以设定最大压力。国内对GK密炼机轴端密封形式介绍文章很多，但对一种形式做专门研究的却很少。本文将专门对液压油缸直接密封形式做结构分析和关键件的应力分析。
3 GK型密炼机油缸直接液压密封结构形式
本密封形式由圆耐磨板、动耐磨环、静耐磨环、剖分式压环、支座、扇形板、密封油缸、弹簧、弹簧座、压板等组成，如图1所示。
具体的工作原理：整个转子端面密封装置位于转子通道处，设计方式为剖分式，每个密封环上有三个弹簧加载，为静环和动环密封提供初始预紧力。预紧力的大小可以通过调节螺钉来调节，直到动静密封环紧密贴合。每个密封环上有三个液压油缸，在密炼机工作时提供密封压力。密封压力可以根据需要来调节，主系统压力最大值一般设定为20 MPa，轴端密封端面压力最大值一般为5～6 MPa。剖分式设计静耐磨环容易迅速更换，不必拆卸密炼机上的其他部件。密封环上设计有PT100温度检测装置，温度检测结果显示在主机触摸屏上。动静密封环摩擦面润滑油由静环注入，而且设计有单向阀，系统可以自动控制润滑油的流入。
图1 密炼机油缸直接密封结构图
在动耐磨环和静耐磨环之间有环形通道，油粉混合物在此通道内堆积可以加强端面密封的效果。
3.1圆耐磨板
圆耐磨板如图2所示，主要由左右耐磨板和盖板，以及中间隔板等组成。
图2 圆耐磨板
耐磨板和盖板开弧形大坡口，并用二氧化碳气体保护焊接方式焊接在一块。焊接完成后对盖板进行粗加工，留出堆焊合金的余量。在盖板上堆焊合金后对圆耐磨板进行精加工。加工完成后用硬度计检测耐磨板合金硬度，应符合标准。工作时耐磨板与胶料接触的部位均堆焊了硬质合金。硬质合金具有较高的屈服强度和硬度，因而具有较高的耐磨性和耐腐蚀性，提高耐磨板使用寿命。
3.2静耐磨环
静耐磨环如图3所示。
图3 静耐磨环
静耐磨环为剖分式结构，上下两部分通过锥销和螺钉结合在一起，以达到整体有足够的屈服强度，工作时不易变形。材料为铜合金，一般为铝青铜。由于动环表面堆焊了硬质合金，所以此种材料与动环相比更易磨损，短期维修只更换静耐磨环即可。静耐磨环和压环通过螺钉固定在一起，三组弹簧提供了静环和动环之间的初始预紧力，使动环和静环的结合面在工作之前就均匀的贴合在一起。预紧力的大小通过顶在弹簧座上的螺钉来进行调节。
3.3动耐磨环
动耐磨环如图4所示。
图4 动耐磨环
动耐磨环为剖分式结构，上下两部分通过锥销和螺钉结合在一起，以达到整体有足够的屈服强度，工作时不易变形。动耐磨环和静耐磨环表面堆焊了一层硬质合金，合金厚度一般大于4 m，硬度一般大于HRc45。所以和静环相比，不易磨损，只需在大修时更换即可。动耐磨环通过高强度螺钉固定在转子端面上，和转子一起转动。在动环和转子的结合面处安装有密封圈，可以起到密封作用，防止转子的冷却水外泄。
3.4压环、支座、扇形板、压板、弹簧座、弹簧
压环和静耐磨环固定在一起，起到固定支承的作用，预紧力和液压油缸压力通过压环作用在静环和动环的结合面上。压环为剖分式设计，便于迅速维修安装。支座固定在耐磨板上，扇形板通过销子和螺钉固定在支座上。液压密封油缸通过螺纹连接固定在扇形板上，油缸活塞杆顶住压环，在密封工作时提供液压密封压力。
压板、弹簧座、弹簧、定位杆、调节螺钉等组成为动静密封环提供初始预紧力的设计。定位杆通过螺纹联接固定在压环上，弹簧套在定位杆上，弹簧座对弹簧起到定位作用。压板通过销子和螺钉固定在扇形板上，压板顶住弹簧座。通过调节螺钉调节弹簧压缩量，从而调节弹簧预紧力。
4 液压密封关键件的应力分析
GK型系列密炼机液压密封的型号很多，本文以其中一种型号为例对液压密封的关键件进行应力有限元分析。此有限元分析基于Ansys应力分析软件。
密封系统的关键件主要有耐磨板，动耐磨环、静耐磨环等。耐磨板直接固定在两边轴承座上，混炼时胶料对耐磨板有力的作用，一般强度足够。现在生产的密炼机密封方面出现最多的问题为漏粉、漏胶等。而出现这一问题的根源为动静耐磨环结合面出现问题，一般为动静耐磨环受力不均匀，从而使动静耐磨环磨损不均匀，以致出现漏粉、漏胶现象。所以本文应用有限元分析软件，对静耐磨环进行应力分析，以使液压密封设计更加合理。
4.1确定密封轴端压力的方法
作为保证可靠密封功能的重要条件，要防止密封圈开启，这就意味着液压缸对密封面的压力必须不小于混炼室内物料对密封端面压力。
一方面，必须保证可靠的密封，另一方面，表面压力应当尽量减小以降低密封圈的磨损。为此，必须知道混炼室对密封圈端面产生压力有多大，获得密封端面压力数据通过以下方法。
首先通过理论分析确定转子端面产生的压力。胶料在转子上不仅会随转子做圆周运动，同时转子的螺旋突棱对物料产生轴向推移作用，因此胶料还会沿轴向运动。由螺旋突棱受力分析可以看出，突棱螺旋升角不同，其作用也不同。这样胶料在转子轴向往复移动就形成了切割捏炼作用。
每个转子都有方向不同，长短不一的螺旋棱。当转子旋转时，转子螺旋棱表面对胶料产生一个垂直作用力P,这个力可分解为轴向力Px和圆周力Pa。如下图5所示。
图5 转子受力图
圆周力Pa使胶料绕转子径向移动：Pa=Pcosα
轴向力Px使胶料沿转子轴向移动：Px=Psinα
因为胶料与转子表面的摩擦力T阻止胶料轴向移动，故要使胶料产生轴向移动的条件是： Px>Tx
Ф为胶料与转子金属表面的摩擦角，随胶料温度变化而变化。
从试验得知，胶料与金属表面的摩擦角Ф=37～38°。这样即可得出胶料在转子上的运动情况为：在转子长螺旋段，由于α<Ф，即Px
转子密封系统的固定环上装置了压力传感器，这一传感器可以提供混炼过程中混炼室中产生的压力信息。压力生成包括两部分，一部分起因于混炼室中压力上升;另一部分起因于转子轴旋转时产生的位移。因此，可以区分为轴向产生的压力和径向产生的压力。
轴向产生的压力首先起因于上顶栓降下造成的压力上升。另外，由于物料沿转子轴向移动提高了对密封系统加载的力。为了防止转子密封系统开启，端面压力必须不小于轴向产生的压力。
试验表明在上顶栓下降到低端时，混炼室内压力变化频率比较大。机械式密封不能根据负载压力的变化而变化，而液压端面密封的液压力能根据负载压力的变化而变化。所以液压端面密封的柔性更好。
4.2静耐磨环应力分析
对静环的的应力分析，主要是分析静环随端面压力增加过程中应力变化情况，用上述方法太过复杂，且数据只能通过试验获得。所以本分析将通过密封油缸压力计算出一组密封端面理论作用力，对静环做简单的应力分析。密封油缸工作压力为0～6 MPa之间.根据密封油缸压力和弹簧预紧力计算出一组密封端面压力，利用应力分析软件求出了相对应的静环等效应力最大值，如表1所示。
表1 端面压力和等效应力对应关系
以表1为基础可以分析出密封端面压力和静环等效应力的关系如下图6所示。可以看出两者之间的关系基本为线性关系。随着密封端面压力的提高，静环应力也随着增大。
图6 静环等效应力分析图
以表1中第三组数据为基础，通过Ansys应力分析软件做出的等效应力如下图7所示。
图7 静耐磨环等效应力
通过对静环应力分析可以看出，静环所承受的应力随着密封端面压力的增大逐步增加，静环的变形量也在逐渐增大。所以静环所受摩擦力逐渐增加，静环随着密封端面压力的增加，磨损速度逐渐增加，更换频率也相应增大。
5 结论
液压端面密封结构主要有密封环和液压缸组成。动环表面堆焊合金，不易更换；静环为铜合金，磨损快，更换频率大。通过对静耐磨环应力分析表明，随着端面密封压力的增加，静环所受摩擦力加大，磨损加速。液压缸压力可根据密封端面压力调节，液压密封相对刚性机械密封，柔性增加。
[1]付瑞，汪传生.密炼机隔尘密封装置[J].世界橡胶工业.2007.
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[3]沈涌清.解决密炼机轴端问题的新途径[J].橡胶技术与装备.2001.
（R-03）
Analysis of GK mixer hydraulic cylinder direct seal structure and key parts of stress
Analysis of GK mixer hydraulic cylinder direct seal structure and key parts of stress
Sun Qingwei,Liu Bing,Cui Haosen,She Haibin
(Yiyang Rubber Plastic Machinery Group Co., Ltd., Yiyang 413000,Hunan,China)
GK mixer hydraulic cylinder direct seal structure was analyzed emphatically and compared with outside end of mechanical seal, showing the characteristic of hydraulic seal fl exible. Introduced the pressure calculation method of shaft end sealing , and did stress analysison hydraulic seal key module - static wear ring.
mixer; oil cylinder; round wear resistant plate; dynamic wear ring; stress analysis
TQ330.492
1009-797X(2016)11-0055-04
B
10.13520/j.cnki.rpte.2016.11.015
孙庆伟（1982-），男，工程师，毕业于青岛科技大学机械工程及自动化专业，工学学士，主要从事橡胶机械设计工作，已发表论文两篇。
2015-10-27
