郭锋涛
（陕西陕煤黄陵矿业有限公司 一号煤矿，陕西 延安 727307）
链轮组件是矿用刮板运输机的重要部件，但在实际运行过程中，刮板运输机链轮组件的密封失效问题频发，对于产能提升和运营成本控制等方面均造成了严重的制约。为有效规避此类问题，以黄陵一号煤矿SGZ800/1050 型刮板运输机为例，对刮板运输机链轮组件密封失效问题进行分析，并基于当前新兴的指尖密封设计模式，对该刮板运输机密封方式进行优化设计。
黄陵一号煤矿应用多台SGZ800/1050 型刮板输送机进行煤炭开采运输作业，该型刮板输送机链轮组件中，均采用浮动油封进行密封，该浮动油封在结构上相对简单，由一对O 型圈和一对浮封环所组成，如图1所示。
由图1可知，浮动油封的密封原理是在实际运行过程中，左侧的O 型圈在浮封环的支撑下，分别压紧轴承座与浮封环1，右侧的O 型圈在浮封环的支撑下，分别压紧链轮体与浮封环2。由于浮动油封安装过程中，安装人员已经预先压缩了一部分O 型圈的体积，因此在整个密封过程中，两侧的O型圈始终能够为浮封环提供压紧力，从而实现预期目标。
图1 浮动油封基本原理示意Fig.1 Basic principle of floating oil sea
但从实际情况来看，黄陵一号煤矿SGZ800/1050 型刮板运输机在运行过程中，刮板运输机链轮组件内的浮动油封失效问题频发，润滑油泄漏问题突出。根据黄陵一号煤矿SGZ800/1050 型刮板运输机链轮组件维修资料显示，密封圈的老化断裂情况较多，密封腔大多被煤粉所填充。
针对这种情况，对引发这些问题的因素进行了分析，主要原因是由于实际生产过程中，刮板链长度存在差异，且采煤机切割下的煤炭分布区域通常不一致，导致链轮体受到间断的轴向力作用。由于圆锥滚子轴承存在游隙（该数值经测量约为0.8 mm），且在链轮组件运转过程中轴承座不发生位移，因此链轮体将在轴承游隙范围内摆动，引发O型圈在密封腔表面上产生滚动的趋势。同时，由于链轮组件工作环境恶劣，刮板链上的煤尘经常落在链轮组件表面，煤尘进入到链轮组件密封处后，即附着在轴承座与链轮体的密封腔表面。此时如O型圈发生滚动，则这些颗粒状煤尘将进一步流入密封腔金属面上，造成O 型圈与轴承座及链轮体的密封腔脱离，引发浮封环与O 型圈、密封腔之间的复杂混合摩擦，摩擦过程难免会产生一定热量，受到热量影响则会加速O 型圈老化而失去弹性，一旦发生错位，浮动油封将无法自动复位，密封的磨损也将加剧，最终引发润滑油的大量泄漏。
结合上述分析与已掌握的资料，决定对黄陵一号煤矿SGZ800/1050 型刮板运输机链轮组件的密封进行优化设计。此次设计要求密封方式的布置应当尽可能简便，密封方式应具有较高使用周期、耐磨且能够二次使用。据此，决定采用指尖密封方式取代传统的浮动油封方式。
3.1 指尖密封方式
指尖密封属于一种柔性密封模式，通常用于轴向动密封场合，其基本结构如图2所示。
图2 指尖密封的基本结构Fig.2 Basic structure of finger seal
从图2中可知，指尖密封的基本结构包括一系列金属薄片和挡板，密封片通过与挡板固定，挡板连同密封片均通过卡圈安装于密封结构中。在密封片内，由数个相同的指尖片通过阵列对称形成指尖梁，指尖梁的底部为指尖靴，围绕在转子表面上，形成接触式摩擦密封。交错排列的指尖梁互相将前后指尖梁露出的缝隙遮挡，因此密封流体泄漏区域只剩下轴向方向。由于指尖梁具备柔性的特点，当转子产生跳动量时，每个指尖梁能够很好的被压入与恢复，而且当指尖梁被压入一定程度时，密封前后挡板会阻挡转子继续跳动，较好的保护了其内部的密封片。因此指尖密封模式适用于链轮组件工况。
3.2 有限元模型的建立
考虑黄陵一号煤矿SGZ800/1050 型刮板运输机实际情况，此次选取渐开线型指尖密封方式，其有限元模型如图3所示。
图3 指尖密封几何模型示意Fig.3 Geometric model of finger seal
指尖密封的密封片上存在多支曲线形态的指尖梁，这些指尖梁按照圆周整列而成，曲梁顶端为指尖靴，指尖靴与转子接触后，即可形成摩擦型动密封。在渐开线型密封模式下，每个指尖梁上的渐开线均通过密封圆心为起始绘制而成，其控制方程如下：
式中：rx表示渐开线中第x 个点的向径；
rz表示渐开线的基圆半径；
φx 表示渐开线中第x 个点的展角；
αx表示渐开线中第x 点的压力角。
在该渐开线上，rx点的向径表达式如下所示：
式中：ry表示密封片外圆半径；
ru表示密封转子半径；
n 表示指尖梁间隙角。
结合上述方程的相关参数，即可求出渐开型线第x 点的向径和展角，绘制出渐开线型指尖密封结构。
在确定具体的指尖密封方式后，结合工程设备图纸，确定分析模型的几何参数，并进行有限元模型的建立，主要包括密封片、转子和后挡板三部分。在材料选择上，转子与挡板模型的材料与链轮轴相同，均为合金钢，密封片材料则选择铍青铜，具体力学参数见表1。
表1 模型材料主要力学参数Table 1 Main mechanical parameters of model materials
在确定以上参数后，将相关参数输入到SolidWorks 软件中，对指尖密封模型进行原比例建模，并导入到有限元分析软件中，如图4所示。
图4 指尖密封模型图Fig.4 Finger seal model
3.3 有限元模型接触及边界条件设定
考虑到链轮组件在指尖密封情况下，零部件之间的接触区域较多，因此，为进一步提高模拟的真实性，对密封片之间和挡板之间的接触均设置为摩擦接触，以考虑迟滞效应的影响。同时对跑道与指尖靴、挡板等均设定法向刚度和法向穿透，以模拟转子转动时指尖靴的力学性能，具体的接触对设置见表2。
表2 指尖密封接触对设置Table 2 Finger seal contact pair settings
设置有限元模型的边界条件：限制密封片和挡板所有方向的自由度，添加全约束；
对转子、密封片和后挡板的周向对称部位添加循环对称约束；
对转子施加轴向约束；
对密封片施加轴向压力，以实现模拟装配压力。
3.4 指尖密封主要参数
结合黄陵一号煤矿已有的链轮组件密封维修相关资料，替换时最大程度上保留原链轮组件结构，只对原定位套筒进行改进。经过分析后，确定改进后的组件密封如图5所示。
图5 改进后的链轮密封组件示意图Fig.5 Illustration of improved sprocket seal assembly
根据改进方法和前文所述计算，最后确定此次指尖密封的参数如下：
在确定模型参数后，应用ANSYS 有限元分析软件，对优化后的刮板运输机进行分析，根据黄陵一号煤矿实际情况，模拟实际工况下的模型动态性能。通过模拟改变转速和装配压力，进行仿真泄漏实验，实验结果见表3。
表3 模拟泄漏实验结果Table 3 Simulated leakage experimental results
从表3可以看出，随着装配压力和转速的增加，指尖密封的泄露量也呈现出逐步上升的趋势，最高值为4.91 mL，但仍明显小于要求值7.0 mL，密封流体泄漏量在可承受范围内，证明了此次指尖密封方式优化改进的可行性。
针对黄陵一号煤矿SGZ800/1050 型刮板运输机链轮组件密封圈老化断裂，密封腔大多被煤粉所填充等问题，对出现问题的原因进行分析，并结合实际需要，对原有浮动油封的密封方式进行改进，确定采用指尖密封方式。对指尖密封方式进行建模分析，确定了指尖密封方式的主要参数，应用ANSYS 有限元分析软件，对设计效果进行了测试，测试结果表明此次指尖密封设计达到了相关要求。
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