连续式混凝土搅拌机轴端密封的研究.pdf

2 0 1 2年 3月 第 3 7卷 第 3期 润滑与密封 LUBRI C AT1 0N ENGI NEERI NG Ma r 2 01 2 V0 1 3 7 No 3 DO I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 2 0 3 0 2 5 连续式混凝土搅拌机轴端密 封的研 究 冯开林王少华李大伟 ( 山东科技 大学山东青 岛 2 6 6 5 9 0 ) 摘要：连续式混凝土搅拌机工作时混凝土可能渗入到轴端密封装置，加剧密封端面的摩擦，加速密封的失效。对 连续式混凝土搅拌机浮动密封环和转毂进行力学分析 ，对浮动密封环受 O型圈的接触压力和密封介质的平均压力进行 优化设计，计算出其最优值，保证浮动密封环端面的接触压力保持在最佳区间。 关键词：连续式混凝土搅拌机；轴端密封；浮动密封环 中图分类号 ：T B 4 2 文献标识码 ：A文章编号 ：0 2 5 4 0 1 5 0 ( 2 0 1 2 )31 1 3 4 Re s e a r c h o n t h e S h a f t Se a l o f Co n t i n uo u s Co n c r e t e M i x e r F en g K ai l i n Wa n g Sh a o h u a L i Da we i ( S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 5 9 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wh e n t h e c o n t i n u o u s c o n c r e t e mi x e r wo r k s ， t h e c o n c r e t e mi g h t s e e p i n t o t h e s h a f t s e a l t o i n c r e a s e t h e f ric t i o n o f t h e e n d f a c e s e a l ， a n d c a u s e e a r l y s e a l i n g f a i l u r e Th e f o r c e s o f t he flo a t i n g s e a l rin g a n d t h e r o t a t i n g h u b o f c o n t i n u o u s c o n c r e t e mi x e r we r e a n aly z e d， a n d t h e o p t i mu m d e s i g n o f c o n t a c t p r e s s u r e o f t h e e n d s u r f a c e o f fl o a t i n g s e a l r i n g f r o m t h e O- r i n g a n d t h e a v e r a g e p r e s s u r e o f t h e s e ali n g me d i u m wa s c a r r i e d o u t T h e o p t i mal v a l u e s o f c o n t a c t p r e s s u r e o f t h e e n d s u r f a c e a n d a v e r a g e p r e s s u r e o f t h e s e ali n g me d i u m we r e g o t ， S O t h e c o n t a c t p r e s s u r e o f flo a t i n g s e al r i n g c a n ma i n t a i n i n t h e b e s t r a n g e Ke y wo r d s ： c o n t i n u o u s c o n c r e t e mi x e r； s h a f t s e al ； flo a t i n g s e al rin g 连续式混凝土搅拌机是把水泥、砂、石子、水等 按一定比例混合并拌制成混凝土混合料的机械，具 有拌料快速均匀、效率高、产量大、故障率低、使用 寿命长等特点。工作时，混凝土可能从缝 隙挤出壳 体，而混凝土中的砂子等固体颗粒一旦进入相对转动 的元件间，将在元件中产生研磨作用 ，加速元件磨 损。若混凝土进入了润滑油道 ，将在油道内部分硬 化，加快元件的磨损并最终导致轴端混凝土泄漏。若 混凝土突破支撑轴承的组件密封 ，进入并破坏轴承， 将造成整机无法正常工作 。可见，轴端密封效果的 好坏是影响连续式混凝土搅拌机性能的重要指标。本 文作者对浮动密封环和转毂进行了力学分析，对浮动 密封环受 0型圈的接触压力和密封介质的平均压力 进行了优化设计。轴端密封从 以前的普通密封圈密 封 ，到现在的密封圈、迷宫密封、浮动密封的组合密 封，完全可以满足现在的实际需要。 收稿 日期：2 0 1 1 一 O 8 2 9 作者简介：冯开林 ( 1 9 6 2 一 ) ，男 ，博士，教授 ，主要从事矿山 工程与混凝土机械的研究E - m a i l ：f k 1 6 2 s i n a c o rn 1 结构分析 如图 1 所示的连续式混凝土搅拌机的轴端密封结 构，橡胶密封环在螺钉施加的压力下，紧贴在法兰和 转毂上 ，使混凝土不能直接与油液接触，有利于保持 密封腔内压力 ，尽量减少油液渗入混凝土，对混凝土 质量造成不利 影 响。转 毂上 的 0型圈 也起 到 防止混 凝土渗入到浮动密封环的作用，工作时，两 0型圈 在压力作用下，分别紧压在转毂、滑毂上。在 0型 圈的摩擦力作用下 ，一个浮动密封环随着转毂转动 ， 另一个随着滑毂静止 J 。0型圈和密封介质的共同压 力在动环和静环的接触端面产生适当的压紧力，使两 端面紧紧贴合 ，端面间极薄的液体膜达到密封 的效 果。同时 ，转毂、0型圈、浮动密封环和滑毂形成了 s型密封腔，增加了迷宫的长度，使间隙密封更容易 形成，再用润滑泵通过滑毂上的油道，以适当的速度 连续地向密闭空间输入油液，使密闭空间总是保持一 定的压力 ，有效地防止混凝土渗入到浮动密封环。滑 毂 、轴套 、骨架油封和骨架油封法兰也形成了一个密 闭空间，工作时保持一定的压力，防止外界杂物进入 浮动密封环。使用轴套，使整个装置在安装和维修时 拆卸方便 。 1 1 4 润滑与密封 第 3 7卷 1 浮动密封环 2 转毂 3 橡胶密封环 4 搅拌桶端板 5 法兰 6 滑毂 7 骨架油封法兰 8 骨架油封 9 轴套 图 1 轴端密封结构 Fi g l r l e s t r u c t u r e o ft he s h a f t s e a l 2力学分析 2 1 浮动密封环的轴向受力分析 浮动密封是密封装置的关键部分，对轴孔间距的 设置可以改变 0型圈的压缩量 8 ，通过对压缩 量 6 和 密封腔内油液压力P的设置，使浮动密封环的端面接 触压力保持在最佳区间 0 40 7 M P a 内。浮动密 封环受力分析如图2所示。对浮动密封环的轴向力进 行分 析 ： F =F N s i n s+ F P ( 1 ) 式中：F为浮动密封环端面的接触压力；F 为 O型 圈对 浮动密 封环 的接触压力 ； 为浮 动密封环锥面母 线与轴线的夹角；F 为密封腔内油液对浮动密封环 的轴向作用力；F 为浮动密封环端面油膜推开力。 图2 浮动密封环受力分析图 F i g 2 Th e f o r c e a n a l y s i s o ft h e flo a t i n g s e al r i n g ( 1 )浮动密封环端面的接触压力 F =1 T ( 尺 一 ) P ( 2 ) 式中： P为浮动密封环端面单位面积的接触压力 ，应 在最佳区间 0 4 0 7 MP a内。 ( 2 )O型圈对浮动密封环 的轴 向力 用 A n s y s 软件对 0型圈建立有限元模型，分析计 算与 0型圈压缩量 占 、密封介质平均压力 P对应的接 触压力 F ，0型圈对浮动密封环 的轴向力为 s i n s 。在 0型圈、轴、孔间建立接触单元，0型圈单 元采用超弹性单元 H Y P E R 5 6 ，轴 、孔单元采用线性 二维实体单元 P L A N E 4 2 。 ( 3 )密封腔内油液对浮动密封环的轴向作用力 油液对浮动密封环的轴向作用力 ，相当于垂直作 用在一 个 圆环 上 ，圆环 的大 圆和 小 圆半 径 为 和 R ，它的大小为 ： F =订 ( 一R ) P ( 3 ) 式中 ： P为密 封腔 内油液压力 。 ( 4 )浮动密封环端面油膜推开力 浮动密封环端面间的液体膜具有流体动压力和静 压力，起润滑和平衡压力作用，它的平均压力为： P =A P ( 4 ) 油膜推开力的大小 为 ： F o=1 T ( +R )。 P ( 5 ) 式中： P 为油膜对浮动密封环接触端面的平均压力； A为反压力系数，油液取 0 3 4 。 2 2浮动 密封环 的径 向力分析 浮动密封环所受径向力来 自密封介质和 0型圈， 且均是轴对称的，不对浮动密封环产生弯矩 。但是 ， 径向力的合力不能太大，否则会使浮动密封环产生变 形，对轴产生径向力，轴会受到浮动密封环的阻力扭 矩，使轴不能正常启动，甚至不能启动。 2 3 转毂 的轴 向力分析 转毂的受力分 析如图 3所示 。 图 3 转毂受力分析图 Fi g 3 T he f o r c e a n a l y s i s o ft h e r o t a t i n g hu b 2 0 1 2 年第 3 期 冯开林等：连续式混凝土搅拌机轴端密封的研究 1 1 5 转毂 的轴 向受力平衡 F N 1 s i +F a 3= F N 2 s i n y+F j ( 6 ) 式中：F 。 为 0型圈对转毂的接触压力；JB为 0型圈 处转毂锥面母线与轴线夹角；F 为密封介质对转毂 的轴向力；F 为橡胶密封环对转毂 的接触压力； 为橡胶密封环处转毂锥面母线与轴线夹角；F 为键 对转毂 的轴 向力 。 ( 1 )0型圈对转毂的轴向力 0型圈对转毂的轴向力与本文 2 1 节中计算 0型 圈对浮动密封环的轴向力方法相 同，大小为 s i n fl。 ( 2 )橡胶密封环对转毂的轴向力 橡胶密封环对转毂的轴向力为 F ： s i n y ，接触 压力 F 的计算是中心带孔的圆柱橡胶弹簧问题 F = A =4 ( 0 一d 2 ) E = iG i=3 6 ( 1+1 6 5 S ) s = ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) 式中：A 为承载面积 ；E 。 为橡胶弹簧弹性模数 ；h 为橡胶弹簧高度；A h为橡胶弹簧压缩量 ；G为橡胶 弹簧剪切弹性模数；D，d为中心带孔 的橡胶弹簧的 外径和内径；i 为橡胶弹簧几何形状影响系数；S为 橡胶弹簧承载面积与 自由面积之比。 2 4转毂 的径向力分析 转毂受到的 0型圈、密封介质和橡胶密封环的 径向力均是轴对称的，合力为 0 。 2 5力矩 分析 马达提供的力矩，一部分作为搅拌混凝土的工作 力矩 ，一部分作为阻力矩消耗掉。 M =Mo+M ( 1 2 ) 式中：M为马达提供的力矩 ；Mo 为搅拌混凝土的工 作力矩 ；M 为阻力矩。 ( 1 )橡胶密封环产生的摩擦阻力矩 橡胶密封环在螺钉的压力作用下，对转毂施加接 触力。工作时，橡胶密封环与转毂之间有相对转动 ， 产生摩擦力。接触力是一个均布载荷 4FN 2 ， 、 q = ( 1 3) 式中：q 为均布载荷。 橡胶密封环产生的摩擦阻力矩大小为 r 2 = I车 1 q 2 1 T r d r ( 1 4 ) 式中： ， 为摩擦因数。 ( 2 )密封介质产生的摩擦阻力矩 密封介质是有黏性的，转毂转动时受到密封介质 的黏性摩擦力 ，大小为 F v=B v r ( 1 5 ) 式中： 为黏性摩擦因数；为转毂的角速度；r 为 圆周半径。 圆周上的阻力矩可以直接计算 Mf 2 =Bv r ( 1 6) 计算圆周上密封介质阻力矩的黏性系数为 Bv：I 了 z 2 d L ( 1 7 ) nC 式中： 为黏性 系数；d为 圆周直径 ；L为轴 向长 度；R 为径向间隙。 端面圆环上的阻力矩用积分计算 M。= d r ( 1 8 ) I C 式 中：r ，r 为端 面圆环 的内径和外径 。 计算端面圆环上密封介质阻力矩的黏性系数为 B = d r ( 1 9 ) C 2 6 棼捺 力的分析 浮动密封环所受摩擦力，一方面来 自密封介质， 这方面摩擦力很小，可以忽略。另一方面来 自0型 圈，这方面的摩擦力使两个浮动密封环一个随转毂转 动，一个随滑毂滑动，满足相对转动的密封要求，是 有利 的摩擦力 。 2 7重力的分析 浮动密封环 的重力很小，几乎不影响其他作用 力，可以忽略。转毂的重力对轴施加径向力，这对机 器工作产生坏的影响，所以，转毂尺寸应尽量小。 3 优化 设计 机械优化设计是使某项机械设计在规定的各项设 计限制条件下优选设计参数，使某项或几项设计指标 获得最优值 。本设计进行优化设计的目标是使浮动 密封环的端面接触压力保持在0 4 0 7 MP a 区间内， 设计变量有 2个 ，0型圈的压缩量 6和密封介质的平 均压力 P _ 9 。用本文 2 1节中 A n s y s 软件对 0型圈建 立有限元模型的方法计算密封介质平均压力分别为 0 4和0 7 M P a 时，浮动密封环的端面接触力 F 和 F ，并取优化设计 目标函数的精度范围 = 1( F 一 F m in ) ( 2 0 ) 1 1 6 润滑与密封 第 3 7卷 浮动密封环端面接触力 =-( F +F m i n ) ( 2 1 ) 0型圈在使用时 ，有最 大压缩量 和最小压 缩 量 6 ，取压缩量初始值6 0 = ，密封介质平均压力 的初始值P 。 的取值应略大于 昆 凝土的压力，这些都 是优化设计中需要的参数。 图4 优化设计程序框图 F i g 3 Th e p r o c e du r e o f t h e o p t i mu m d e s i g n 4结论 转 毂和浮 动密封环 上 的 O型 圈阻 止混凝 土 的渗 入浮动 密封环 ；密封油道 内有压力 的密封介质 、浮动 密封环和 O型圈阻止混凝土从油道入侵；骨架油封 防止外界杂物入侵 、损坏浮动密封环。这些密封共同 实现了混凝土搅拌机的轴端密封。 浮动密封环处 O型圈的压缩量和密封油道 内密 封介质的平均压力 ，是密封装置的重要参数，对密封 效果起关键性作用，采用优化设计的方法，计算出它 们的最优值，保证了浮动密封环端面的接触压力保持 在最佳 区间0 4 0 7 MP a内。 参考文献 【 1 】王学东 搅拌机轴端浮动油封装置设计与加工 J 辽宁工 程技术大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 2 4 ( s 1 ) ： 2 3 5 2 3 7 W a n g Xu e d o n g Co n c r e t e p e d d l e r s s p i n d l e fl u c t u a t e 0 i l c o v e r d e v i c e d e s i g n m a n u f a c t u r e J J o u r n a l o f L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y ： N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 0 5， 2 4 ( s 1 ) ： 2 3 52 3 7 【 2 】程书良， 冯伟东 混凝土搅拌机轴端密封的改进 J 建筑机 械化， 2 0 0 9 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 5 3 8 Ch e n g S h u l i a n g， F e n g W e i d o ng I mp r o v e o f a i r p r o o f i n e n d o f a x e s o f c o n c r e t e m i x e r J C o n s t r u c t i o n M e c h a n i z a t i o n ， 2 0 0 9 ， 2 7 ( 4 )： 3 53 8 I 3 】杨刚雷 浮动油封 的使 用分析 J 润滑 与密 封， 2 0 0 3 ， 2 8 ( 4 )： 3 73 8 Y a n g G a n g l e i U s a g e o f fl o a t i n g s e a l s J L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 2 8 ( 4 ) ： 3 73 8 【 4 】胡章定 卧轴式混凝土搅拌机的轴端密封形式比较 J 建 筑机械 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 3 9 4 1 Hu Z h a n g di n g Co mp a ris o n o f s h a f t e n d s e a l i n g t y p e s f o r c o n c r e t e m i x e r w i t h h o r i z o n a l s h a f t J C o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y ， 2 0 0 2( 9 )： 3 94 1 【 5 】左正兴， 廖 日东 1 2 1 5 0柴油机橡胶密封圈的有限元分析 J 内燃机工程 ， 1 9 9 6 ， 1 7 ( 2 ) ： 4 6 4 9 Z u o Zh e n g x i n g， L i a o Ri d o n g Fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f rub b e r s e a l i n g ri n g fo r m o d e l 1 2 1 5 0 d i e s e l e n g i n e J I n t e rna l C o m b u s fi o n E n g i n e E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 6 ， 1 7 ( 2 )： 4 6 4 9 【 6 】成大先 机械设计手册 M 3版 北京： 化学工业出版社， 1 9 9 4 【 7 】许益民 电液比例控制系统分析与设计 M 北京： 机械工 业出版社 ， 2 0 0 5 【 8 】曹胜利 机械优化设计方法 M 2版 北京： 冶金工业出版 社 ， 1 9 9 5 【 9 】王飞， 刘向峰， 刘莹 浅槽环瓣型浮动环密封的参数优化 J 润滑与密封， 2 0 0 6 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 0 51 0 7 Wa ng F e i “u Xi a n g f e n g， L i u Yi n g P a r a me t e r s o p t i mi z a t i o n o f t h e s h a l l o w s l o t s p l i t fl o a t i n g r i n g s e al J L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 0 5 1 0 7 ( 上接 第 1 0 5页) 【 5 】向志伟， 张晖， 王斌 油液监测技术在船用柴油机故障诊断 中的应用 J 润滑与密封 ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 4 ) ： 1 0 8 1 1 0 Xi a n g Z h i we i ， Z h a n g Hu i ， Wa n g Bi n T he a p p l i c a t i o n o f o i l me - n i t o ri n g t e c h n i q u e s i n t h e f a i l u r e d i a g n o s i s o f s h i p d i e s e l e n g i n e J L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 4 ) ： 1 0 8 1 1 0 【 6 】黎琼炜， 毛美娟， 陈勇 油液分析现状与发展方向研究 J 中国机械工程， 2 0 0 4 ， 1 5 ( 3 ) ： 2 7 22 7 5 L i Q i o n g w e i ， M a o M e ij u a n ， C h e n Y o n g R e s e a r c h o n s t a t e o f - t h e a r t a n d t r e n d s o f o i l a n a l y s i s f o r e q u i p m e n t J C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 1 5 ( 3 ) ： 2 7 2 2 7 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