连续式混凝土搅拌机轴端密封的研究.pdf
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1、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
2、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
3、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 r
4、ic 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
5、 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
6、 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 ;
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、 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 。
14、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
15、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
16、 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
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