高速旋转碟式分离机密封技术

李 邦，赵奇峰，尹延经，李 丽，闫媛媛

（1. 南京中船绿洲机器有限公司，南京 210000；2. 洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471000）

0 引言

碟式分离机是一种高速旋转的分离机械，转鼓转速范围为4 000 r/min～12 000 r/min，利用高速旋转产生的离心力实现液-液、液-固、液-液-固分离，具有分离因数高的优点。从目前的发展趋势来看，碟式分离机正向高速小型化方向发展，转鼓内的密封件随转鼓高速旋转，同时密封件受到的液压离心压力也越来越大，对橡胶密封件（高速旋转或高速旋转往复运动）提出了更高的使用要求。

本文提出一种利用有限元技术进行高速旋转碟式分离机密封技术研究的方法。通过对碟式分离机转鼓内密封件沟槽和密封件进行适当的简化，并利用有限元分析软件建立沟槽－橡胶密封件的有限元分析模型，施加相应的载荷和约束，然后再进行有限元仿真分析，通过分析橡胶密封件的变形图和等效应力图，从而确定密封沟槽是否满足要求，既要保证密封性，又要防止橡胶密封件挤入零件间隙出现“咬伤”损坏。

1 计算分析

1.1 沟槽-密封件简化模型

碟式分离机转鼓内零部件均为不锈钢金属材料，密封件材料为非金属橡胶，转鼓零部件相对于橡胶密封件刚度和硬度是无穷大的，可以将转鼓零部件（转鼓体和滑块）作为刚性考虑，根据碟式分离机转鼓密封结构的特点，建立沟槽-密封件简化模型（见图1）。

图1 沟槽-密封件简化模型图

1.2 沟槽-密封件有限元计算模型

以某型碟式分离机作用滑块密封圈为例进行分析，按照沟槽－密封件简化模型在Pro/E软件中建立了转鼓体、滑块和橡胶密封圈三维模型并完成了三者装配，为了提高计算效率，将装配后的模型取1/12作为有限分析模型，然后将模型导入有限元分析软件，在有限元分析软件环境中，对转鼓体、滑块和橡胶密封圈划分网格。其中，对橡胶密封圈进行了细化网格，防止计算结果不收敛，在有限元分析软件环境定义材料属性、施加载荷和约束、添加结果并求解，再查看分析结果。如何定义材料属性、施加载荷和约束如下。

定义材料属性：由于转鼓内零部件均为不锈钢件，采用有限元分析软件自带的Structural Steel材料，弹性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7.8×10−6kg/mm3。

橡胶密封圈采用有限元分析软件自带的Mooney-Rivlin材料，通过调节Mooney-Rivlin内部参数C10和C01来模拟橡胶密封圈的变形情况。取C10＝0.586，C01＝0.147。

施加的载荷主要包括重力、离心力（见图2）和液体离心压力。重力可以通过standard earth gravity实现；离心力可以通过添加旋转角速度实现；液体离心压力采用commands命令编制的函数进行加载。

不锈钢件的密封沟槽刚度是橡胶密封圈的几万倍，所以不考虑其变形，即密封圈沟槽及密封圈接触的零件均视为刚体边界。添加的约束主要包括：无摩擦支承和圆柱支承（见图2）。

图2 沟槽-密封件载荷和边界条件

2 计算结果分析

本文主要研究密封沟槽尺寸和密封件硬度对密封件使用寿命的影响。关于橡胶密封圈的失效准则和失效判据，目前普遍采用的是最大接触压应力大于工作压力。从有限元仿真分析结果来看，在满足密封条件下，相同尺寸密封圈在不同密封沟槽中，沟槽尺寸小的橡胶圈更容易变形，更容易挤入间隙中。

3 试验验证

为了试验验证分析结果，在科研试验站进行了装机测试，具体试验情况如下。

1）试验介质：润滑油。

2）温度：95 ℃～98 ℃。

3）每隔20 min执行一次排渣动作。

4）转速：11 000 r/min。

5）运行时间：约70 h（排渣次数约210次）。

为了进行对比试验，滑块座和作用滑块采用相同的密封圈，作用滑块的沟槽尺寸比橡胶密封圈大；滑块座的沟槽尺寸比橡胶密封圈小。由图3可知，对于相同密封圈，沟槽尺寸大的密封圈无任何损坏现象，而沟槽尺寸小的密封圈出现了“挤出”和“拉毛”损坏。

图3 不同沟槽尺寸下橡胶密封圈损坏情况

4 结论

综上所述，密封件沟槽尺寸对密封件使用寿命影响很大，同时考虑碟式分离机转鼓零部件装拆可以会导致密封件剪切，密封圈应该沉入沟槽内，并配置一定角度的导入角，两零件间的间隙也应当控制好，否则也会出现间隙过大导致密封件“咬”伤，影响密封圈使用寿命。

通过试验验证，利用有限元法可以进行高速旋转碟式分离机密封件分析，在分析过程中，首先建立有限元分析模型，再施加相应的载荷和约束，然后经过求解计算可以有效分析沟槽－密封件特性，试验验证这种分析方法对碟式分离机密封件的优化设计具有很好的指导意义。