高壓離心風(fēng)機軸承箱密封改進設(shè)計研究

來源：上海沃克通用設(shè)備有限公司 2023.07.27 2591

高壓離心風(fēng)機是一種用途非常廣泛的工藝設(shè)備，在廢氣治理、石油化工、精細化工、集成電路、顯示玻璃等行業(yè)都有大量的使用案例。該設(shè)備通常與自動化生產(chǎn)線動態(tài)連鎖，生產(chǎn)負荷增大時，高壓離心風(fēng)機通過變頻器升頻運行，提高轉(zhuǎn)速，從而提高流量和壓力;生產(chǎn)負荷降低時，高壓離心風(fēng)機降頻運行，降低轉(zhuǎn)速，從而降低流量和壓力。該設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)著整個生產(chǎn)線的可靠性，甚至關(guān)聯(lián)到產(chǎn)品的合格率和產(chǎn)量。在有些工藝過程中，如果高壓離心風(fēng)機故障，不但會造成產(chǎn)品報廢廢氣濃度超標，更嚴重的會導(dǎo)致有毒有害廢氣逸散，導(dǎo)致人員傷亡，造成巨大的經(jīng)濟損失和安全事故。

因此，各風(fēng)機廠家都在研究提高風(fēng)機的可靠性，延長風(fēng)機的第一次大修時間。使用更好的軸承、提升機械加工精度、提升動平衡品質(zhì)、利用高精度激光對中儀提高對中度等，都能有效地降低風(fēng)機的故障率。但在研究的過程中，發(fā)現(xiàn)有一個部件的研究被大多數(shù)工程技術(shù)人員忽略了，那就是對軸承箱密封的研究。軸承箱密封設(shè)計和使用不合理會導(dǎo)致軸承箱漏油，造成軸承缺油損壞，另外也會污染環(huán)境。本文將針對4種常見的軸承箱密封形式展開研究

常用的軸承箱密封形式與現(xiàn)狀

目前，風(fēng)機行業(yè)軸承箱常用的密封有填料密封、迷宮密封、骨架油封、軸承箱隔離器4種形式。填料密封一般采用毛氈作為填料，使用時將毛氈裝入密封槽內(nèi)，通過對密封壓板上的螺栓緊固對填料施加預(yù)緊力，利用壓力使得毛氈擠壓變形，使其緊緊抱在軸上，同時利用毛氈的吸附能力起到密封的作用。毛氈具有天然彈性，呈松孔海綿狀，可存貯潤滑油和防塵。軸專轉(zhuǎn)時，毛氈又將潤滑油從軸上刮下反復(fù)自行潤滑。在此基礎(chǔ)上，市場上逐漸出現(xiàn)了PTFE填料、芳綸填料陶瓷纖維填料等多種填料材料。

迷宮密封是另外一種常見的密封形式。迷宮密封是在密封腔和旋轉(zhuǎn)軸之間，由一組密封齒片形成一系列有規(guī)則的節(jié)流間隙和膨脹空腔，當(dāng)油氣流過密封齒與軸表面構(gòu)成的間隙時，油氣受到一次節(jié)流作用，油氣的壓力和溫度下降而流速增加，經(jīng)過間隙之后是2個密封齒形成的較大空腔，油氣在這一空腔內(nèi)速度下降形成渦流動能衰減。類似的，油氣多次經(jīng)過間隙和空腔，動能逐步衰減，隨著油氣流經(jīng)間隙和空腔數(shù)量的增多，油氣的流速和壓降越來越大，待壓力降至近似背壓時，壓力差接近0，油氣不再繼續(xù)外流，從而實現(xiàn)了油氣的密封。

骨架油封也很常見。骨架油封結(jié)構(gòu)由三部分組成:油封體、加強骨架和自緊螺旋彈簧。通常，在自由狀態(tài)下的骨架油封，其內(nèi)徑比軸徑略小，也就是內(nèi)徑相對于軸具有一定的過盈量。當(dāng)骨架油封裝入密封槽內(nèi)后，油封密封唇的彈性和彈簧的收縮力對軸產(chǎn)生徑向抱緊力遮斷泄漏間隙，從而起到密封的作用。投入運行后，由于密封唇和軸的摩擦，該壓力會逐漸變小，這時彈簧可在一定范圍內(nèi)補償油封自緊力，持續(xù)保證密封效果。

軸承箱隔離器是近十年出現(xiàn)的新型密封產(chǎn)品，是在復(fù)合迷宮密封的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種非接觸密封形式。其機構(gòu)由靜環(huán)、動環(huán)、浮動環(huán)組合而成，靜環(huán)阻止?jié)櫥托孤┎в谢赜涂?，動環(huán)防止外界污染物進人軸承箱。浮動環(huán)連接動環(huán)與靜環(huán)，將其鎖定為一個整體，這個整體結(jié)構(gòu)同時具有蒸汽阻隔作用。動環(huán)和靜環(huán)上使用的是O型圖密封，軸承隔離器是一種非接觸、無磨損的軸承保護裝置。當(dāng)設(shè)備運行時，動靜環(huán)之間不接觸，所以沒有功率損耗，同時利用自身結(jié)構(gòu)特點防止漏油。

各類型密封形式的優(yōu)缺點分析

填料密封、迷宮密封、骨架油封、軸承隔離器 4種軸承箱密封形式都較為常用，也各有優(yōu)缺點，應(yīng)用場合各不相同，下面通過數(shù)據(jù)加以比較和分析。

填料密封是一種最常用的密封形式，其填料可以是毛氈、PTFE、芳綸、石墨、陶瓷纖維等多種材料，不同的填料使用的環(huán)境和要求不盡相同。這種密封的特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小，可使用不同材料制作，使用溫度范圍-120~600C，線速度根據(jù)填料不同而不同，毛氈填料最大線速度不超過10m/s，聚四氟乙烯填料不超過20m/s，芳綸填料不超過15m/s，石墨繩填料不超過10m/s。密封壓力一般為常壓，最高也不超過0.05kPa。

填料密封的缺點是壽命較短，高轉(zhuǎn)速下3一6個月就需要更換。因填料與軸長期接觸且有一定壓力，軸高速運轉(zhuǎn)導(dǎo)致填料與軸同時磨損，進而密封間隙增大導(dǎo)致漏油。更換時需要將軸承箱與動力單元和負載拆開才能更換填料，維護工作量相對較大。填料磨損后的粉末也容易進人軸承箱，對軸承箱內(nèi)的潤滑油造成污染，導(dǎo)致潤滑油提前變質(zhì)失效。

迷宮密封也是軸承箱常用的密封方式，通常在軸承箱端蓋和軸上錯開加工環(huán)槽，利用多道密封齒和環(huán)槽產(chǎn)生的摩阻效應(yīng)和流束收縮效應(yīng)降低潤滑油壓頭和動能，阻擋潤滑油泄漏。這種密封在高轉(zhuǎn)速條件下具有良好的密封效果，無需潤滑、無摩擦、基本上無需維護、功率損耗小、使用壽命長、耐高溫、耐腐蝕。線速度可達80m/s，使用溫度范圍-120-600C，使用壽命可達6年以上。

密封壓力一般為常壓，最高不超高 1kPa。缺點是加工精度高導(dǎo)致成本較高，裝配精度高，對軸跳動有嚴格要求，20mm以下的軸徑無法使用迷宮密封。更換時需要將軸承箱與動力單元和負載拆開才能更換，對維修人員的素質(zhì)要求較高，維護工作量相對較大骨架油封在軸承箱密封中也比較常用。骨架油封安裝位小，軸向尺寸小，使機器緊湊，價格便宜,通用性好，材質(zhì)橡膠耐油性好，彈簧能自動補償磨損間隙，有很好的防塵能力，無需維護，有一定的耐腐蝕能力，密封壓力可達200kPa，對軸跳動不敏感，裝配精度要求不高。缺點是功率損耗大，密封壽命短，一般使用壽命為3一12個月。由于其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)所限，所以使用時不能承受高溫。丁睛橡膠骨架油封使用溫度-15~150C，狐橡膠骨架油封使用溫度-40~300C。骨架油封不能用于高轉(zhuǎn)速的軸承箱密封，線速度不超過20mm/s。更換時需要將軸承箱與動力單元和負載拆開才能更換，維護工作量相對較大。

軸承箱隔離器是一種新型密封產(chǎn)品，可根據(jù)客戶要求定制，目前在風(fēng)機行業(yè)使用非常少，但這種密封形式優(yōu)點明顯，應(yīng)引起工程技術(shù)人員重視。軸承箱隔離器結(jié)構(gòu)緊湊，厚度通常為830mm，不增加軸承箱長度，也不需要對軸承箱結(jié)構(gòu)進行改型設(shè)計。這種隔離器通常采用動靜環(huán)設(shè)計，動環(huán)與軸面通過O型圖過盈配合;靜環(huán)與軸承箱端蓋密封槽也通過O型圈過盈配合，不需要在軸上開槽或安裝軸套，直接按壓推入即可安裝完成，安裝非常方便。

動環(huán)和靜環(huán)運轉(zhuǎn)時不接觸，無磨損，壽命長達6年以上。無功率損耗，無溫升。動環(huán)密封嚴密，有良好的防塵效果其內(nèi)部的浮動環(huán)靜態(tài)時能防止水蒸氣進入軸承箱內(nèi)部大幅提高軸承壽命，提升軸承箱傳動系統(tǒng)的可靠性。軸承隔離器通常采用磷青銅合金或不銹鋼制成，有一定的耐腐蝕抗銹效果。使用溫度范圍寬，-40一200C均可使用。

密封壓力一般為常壓，最高不超高0.0kPa。其采用對稱截面設(shè)計，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時顫動小，最大使用線速度可達60~90m/s(型號不同最大線速度會有差異)對軸的加工精度要求不高，軸徑向跳動容差可達30絲軸向竄動容差可達50絲。安裝方式靈活多樣，可代替骨架油封采用內(nèi)裝方式，也可以采用外裝形式以方便拆裝，但密封效果均不受影響。外漏部件均為金屬，耐UV照射，不易老化。其使用的O型圈均為標準件產(chǎn)品用戶可自行更換。其缺點是加工工藝復(fù)雜，加工精度高成本高昂，與骨架油封相比，其成本高出7~10倍拆卸時需要專用工具和特殊手法，否則拆卸時容易損壞通過以上分析研究，軸承箱各密封形式各有優(yōu)缺點對比見表。

項目改造案例

上海金山化工區(qū)某聯(lián)苯環(huán)氧產(chǎn)線項目使用了12臺高壓離心風(fēng)機，風(fēng)量28000m3/h，靜壓23000Pa，電機功率250kW，轉(zhuǎn)速2980r/in，采用軸承箱稀油潤滑該批風(fēng)機于2018 年3月投入使用，初期使用性能穩(wěn)定運行工況良好。18個月后逐漸出現(xiàn)軸承箱固定軸承端漏油現(xiàn)象。該批風(fēng)機軸承箱密封采用的是氟橡膠骨架油封線速度約為15.6m/s。在現(xiàn)場查看時發(fā)現(xiàn)，漏油問題是由于骨架油封磨損間隙增大導(dǎo)致的。由于該生產(chǎn)線是企業(yè)重要的生產(chǎn)資料，停機維修會帶來巨大影響，所以決定對軸承箱密封進行改造，提升密封可靠型。為了盡量減少停機時長，決定利用原軸承箱密封端蓋改造，非標設(shè)計符合技術(shù)要求的密封形式。綜合現(xiàn)場條件和要求設(shè)計指標為密封設(shè)計壽命為48000h，最大線速度30m/s以上，利用摩擦力安裝，沒有條件使用螺栓壓緊，該廠環(huán)境有一定的腐蝕性，密封件需要耐腐蝕，能防塵防水保護軸承，后期更換應(yīng)能快速完成。綜合以上要求，研究分析后發(fā)現(xiàn)只有軸承隔離器能滿足要求。最終設(shè)計方案為軸承隔離器動環(huán)，靜環(huán)一體式設(shè)計和裝配，靜環(huán)外側(cè)設(shè)計2個0型圈以增加其密封性，動環(huán)內(nèi)側(cè)也設(shè)計2個O型圈增加抱緊力，防止產(chǎn)生軸向位移。在動環(huán)和靜環(huán)之間設(shè)計O型圈浮動環(huán)，既能防止動環(huán)與靜環(huán)摩擦也能減小空腔體積，進一步降低泄漏風(fēng)險。靜環(huán)上設(shè)計回油槽和回油孔，由于回油量較大，回油孔設(shè)計成長孔結(jié)構(gòu),以增大回油量。為了提高裝配精度,實現(xiàn)快速安裝在靜環(huán)上設(shè)計定位臺階，該臺階與軸承箱端蓋配合定位設(shè)計方案如圖所示。

改進后的實際使用效果

改進后，該軸承隔離器安裝方便，運行穩(wěn)定，取得了立竿見影的效果，動環(huán)和靜環(huán)同心度僅差3絲，溫度未見明顯上升。12臺高壓離心風(fēng)機再未出現(xiàn)漏油情況。民機振動、軸承溫度等各項指標均正常。連續(xù)觀察16個月后軸承隔離器未見明顯變化，證明該改進方案可靠有效。

結(jié)語

截至目前，該軸承隔離器的設(shè)計方案已在數(shù)十個項目上得到驗證。相較于傳統(tǒng)的軸承箱密封，軸承隔離器是一種較為先進的密封形式，其動靜環(huán)的非接觸設(shè)計，能大幅提高密封的可靠性和使用壽命，同時還具有安裝方便、軸徑向跳動容差大、能隔離水汽和灰塵、耐腐蝕、轉(zhuǎn)速高、功率損耗小的特點。軸承隔離器的正確使用能將軸承的壽命提升4~5倍。隨著軸承隔離器設(shè)計技術(shù)和加工技術(shù)的發(fā)展，成本有望大幅降低，其市場占有率也在不斷提高，逐漸替代傳統(tǒng)的軸承箱密封已成為趨勢。

參考文獻:

[1]成大先，機械設(shè)計手冊·第三卷(第5版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社2008

[2]顧永泉。機械密封實用技術(shù)[m].北京:機械工業(yè)出版社,2001.