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摘要：密封对于机械设备可靠运行有着重要影响，而由于煤矿井下工况条件十分恶劣，应用传统软填料式密封存在泄漏量大、状态不稳定、可靠性低等缺点，限制了井下机械设备的运行效率。以O型浮动密封为例，介绍了其结构与密封机理，分析了浮动密封主结构材料选择与安装使用要求，并具体介绍了其在轮毂齿轮减速箱中的改造应用。
关键词：浮动密封；结构；密封机理；材料选择；应用
密封是保护工业密封装置的重要形式，其作用主要是是减少内部液体泄漏、阻止外物入侵。密封形式有静密封与动密封两种，浮动密封属于动密封，因其结构特点与材料选择的优势，能够适应较为复杂的外界环境条件。浮动密封最先应用于履带式行走设备之中，近年来，在煤矿机械中应用亦取得广泛的使用。为确保浮动密封在采煤机械中的应用效果，对其结构、密封机理、安装维护要求等进行减少介绍。
1 浮动密封结构及机理
1.1 浮动密封结构概述
按密封弹性体形状来划分，浮动密封结构有O形与变异菱形两种。煤矿采煤设计中应用较多的浮动密封结构为O形，其结构形式如图1所示。结构主体部位密封环与“O”形圈，两者均沿轴线对称分布，安装在两个密封腔内。工作状态下，两个腔室一个处于静止，另一个处于转动状态。密封环材质为合金铸铁，为保证密封环使用前具有一定预载力，在其内部加入合成橡胶，通过橡胶变形压力产生轴向压力作用。
1.2 浮动密封机理
静止与转动腔室密封机理相近。在弹性体产生的轴向压力作用下，密封环产生端面比压，并沿圆周方向产生变形、闭合中间缝隙；同时，密封断面间的油膜改善了端面之间的摩擦工况，减少摩擦热的产生，油膜的填充粘合作用也可提升密封效果。橡胶圈还能传递沟槽组建与密封环之间的摩擦扭矩，橡胶自身变形产生的弹性压力亦会为二者提供静密封作用。
2 浮动密封主要零件的材料选择
2.1 密封环
由密封环的工作性质可知，密封环材料要确保耐磨、耐腐。以采煤机工作一般工况为例，即速度小于10m/s，压力小于1MPa，润滑材料选用油类。密封环材料应选择中锰球铁，其内部组织结构主要为珠光体，组成成分主要有铁素体、渗碳体、石墨与优选回火马氏体组织。组织体的软基体与硬组成分分别为铁素体与渗碳体，石墨作用为储油与润滑。中锰球铁硬度要超过HRC50，为进一步改善其强度特性与耐磨性，材料组成之中加入些许微量元素的碳化物，如铬、钒、钛。
2.2“O”形圈
“O”形圈工作中要求能够为密封环提供足够的弹性压力，并与接触面的有效贴合，因此，橡胶材料要求弹性适度、低压变与高耐热。煤矿浮动密封橡胶材料中应用较为普遍的是丁晴橡胶、氢化丁晴橡胶、氟橡胶、甲基乙烯基硅橡胶，视工作条件的变化选择对应的橡胶材料。选择橡胶材料时应兼顾考虑其与润滑油的兼容性，因密封环与润滑工作中为直接接触状态，保证二者性能的匹配，有助于橡胶为密封环提供持续稳定的接触压力。
3 浮动密封的安装使用要求
浮动密封要求具有非常高的安装精度，安装使用时应确保各部件处于正常状态及参数设定范围。如沟槽与密封环之间的“O”形圈，其安装在一外窄小内宽的密闭空间内，安装前应首先计算“O”形圈所需承受压力值，这对保证“O”形圈工作状态及整个密封系统效率的重要参数；同时，安装中应确保安装空间的清洁，避免油、沉等赃物对“O”形圈性能造成影响。浮动密封环质地坚硬、脆性强，安装中应外力对其造成破坏；安装位置应精确，确保密封环整体受力均匀。
除注重安装精度要求外，浮动密封使用应留意润滑作用，即润滑油的使用。润滑油能够降低密封环之间摩擦，减少热量的产生，并将摩擦生热扩散，避免温度集中对密封材料造成损害；润滑油的填充与粘结作用亦扩大了密封效果与浮动密封的领域应用。润滑油材质的选择应排出脂类润滑剂，传动箱润滑油的加油量亦有所控制，以不超过轴线与密封直径的三分之二为最佳。
4 浮动密封在采煤机中的应用实例
与传统的填料式密封性能相比较，浮动密封在抗震、密封性能、运行可靠性方面具有绝对的优势，能够适应较为恶劣的工作环境。煤矿采煤机械工作中会产生巨大的振动与偏斜，如伞齿轮轴、行星架，浮动密封方式由于其结构特性缘故对外界振动或偏斜具有较低的敏感性。为降低量密封环之间的摩擦阻力与避免外物侵入结构内部，轴承腔浮动密封结构发挥油膜阻隔与弹性补偿作用，确保轴承腔室内部部件良好的工作环境。但浮动密封使用成本较高，并且其制作、安装与维护等难度大，在某种程度上限制了其推广应用。以煤矿采煤机为例，介绍浮动密封在交流梭车轮毂齿轮箱中的使用。
4.1 传统交流梭车轮毂齿轮箱结构及存在问题
传统采煤机交流梭车轮毂齿轮箱密封通常采用的是Y型密封，密封体在被密封结构的外部，如图2所示。由于煤矿开采环境十分恶劣，此种外露式密封亦遭受外界环境因素的侵蚀，密封材料老化速度非常快，需要频繁更换才能保证良好的密封效果。否则，一旦发生漏油或粉尘侵入齿轮箱，就会加速齿轮的磨损，导致齿轮箱发热甚至烧坏。所以，以外露的Y型密封不适合在采煤机梭车轮毂齿轮箱应用，分析其原因为：
（1）采煤机梭车工作条件非常恶劣，车身在采煤机工作中颠簸严重、振动强烈，密封圈在振动作用下可能发生滑移，影响齿轮箱密封。
（2）交流梭车轮毂结构设计较为紧凑，拆卸与维修非常困难，如频繁更换密封则会对其他部件造成影响，加速轴承与齿轮等损坏，这反而得不偿失。
（3）轮毂行星架挡圈存在问题，原设计密封挡圈强度本身强度就较低，在外界复杂因素影响下，挡圈强度会进一步降低。如挡圈强度不足以承受密封圈对其作用力，则势必影响密封效果，导致漏液等情况发生。
4.2密封改进方案
考虑到井下机械设备工作环境十分恶劣，传统固定式填料密封在轮毂齿轮箱存在不适应性，以“O”型圈式浮动密封作为代替产品，对梭车骨架密封进行改进。鉴于浮动密封使用成本、安装精度等方面因素，浮动密封应结合矿井实际需求进行定制，并应用精密加工设备与安装工具，确保“O”型圈式浮动密封的运行稳定性、可靠性，延长其使用寿命。按照采煤机齿轮箱减速箱结构特点，制定密封骨架的具体改造措施（见图3）：
（1）加工改造原有行星架接触面，将其与密封环接触处的表面加工成圆弧形锥面，以贴合“O”型浮动密封橡胶圈结构的使用要求。
（2）内齿圈中如需安装密封结构，可在内齿圈中加工一密封座以及稳固密封座的凸台
（3）伞齿轮处的密封采用机械密封方式，在伞齿轮轴向两个位置对应地安设密封座。改造后的结构
4.3 浮动密封应用效果分析
齿轮箱密封骨架改进之后，渗油、漏油现象很少发生，长周期内漏油量仅为软填料密封的百分之一。浮动密封运行稳定，端面磨损较轻，维修周期较长。在某种程度上，提高了生产与矿井效益。
5 结语
浮动密封结构简单、密封性能好，能够适应矿井恶劣的工况条件。与一般填料式密封相比，浮动密封泄油量少（仅为填料密封1%），运行可靠稳定，在低速旋转的机械传动装置中具有良好的应用效果。除在采煤机交流梭车轮毂齿轮箱的使用外，浮动密封在采煤机其他传动部位亦有应用，如滚筒采煤机摇臂行星减速器和牵引链轮组、连续采煤机截割齿轮箱等。但为保证浮动密封结构功能的正常实现，在设备、材料等选型与使用中应加以严格控制
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论文作者:王明敏
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/21
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