胡 勇，文華斌，周 敏，文傳順

（1.四川理工學(xué)院 過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自貢 643000；2.自貢兆強(qiáng)密封制品實(shí)業(yè)有限公司，自貢 643000）

0 引言

在火電、石化、鋼鐵等行業(yè)的燃煤機(jī)組脫硫系統(tǒng)中，脫硫循環(huán)泵及配套機(jī)械密封是不可缺少的重要裝置，機(jī)械密封性能直接影響脫硫循環(huán)泵和整個(gè)脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，直接影響燃煤機(jī)組廢氣的達(dá)標(biāo)排放。2009年末煤電總裝機(jī)容量6.5億kW 左右，預(yù)計(jì)十二五期間煤電裝機(jī)將達(dá)到9億kW 左右[1]。給脫硫泵及配套機(jī)械密封研制與推廣應(yīng)用提供了廣闊的市場前景，研制高效能機(jī)械密封對提高脫硫循環(huán)泵工作效率有重要作用；對防止二氧化硫大氣污染，改善生態(tài)環(huán)境有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 新型密封裝置簡介

脫硫循環(huán)泵輸送介質(zhì)：石灰石、石膏漿液，固體顆粒含量30%～40%（質(zhì)量百分比）；工作溫度：30～50℃ ；密封腔體壓力≤ 0.3Mpa；ph值 4～8；氯離子含量≤0.03～0.04%。國產(chǎn)脫硫循環(huán)泵工作時(shí)普遍存在 “窩氣”、“抽空”、“氣蝕”等現(xiàn)象，這些工況易造成機(jī)械密封的動(dòng)、靜環(huán)摩擦副時(shí)常處于干摩擦狀態(tài)，易造成摩擦副的溫度急劇上升；還易導(dǎo)致泵的振動(dòng)、軸向竄動(dòng)等現(xiàn)象加劇。

文獻(xiàn)[2]報(bào)道了國內(nèi)某企業(yè)研制的國家火炬計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008GH051536）“大型脫硫循環(huán)泵機(jī)械密封裝置”，簡稱“火炬機(jī)械密封”結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示?；究朔?“窩氣”、“抽空”、“氣蝕”等現(xiàn)象對脫硫循環(huán)泵用機(jī)械密封的不良影響。采用的主要技術(shù)措施是：1）密封環(huán)采用“靜環(huán)YWN12+動(dòng)環(huán)YWN12”的摩擦副形式，提高了耐腐蝕和耐磨性，提高了動(dòng)、靜摩擦副的強(qiáng)度，

圖1 火炬機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

增強(qiáng)了抗沖擊和抗振動(dòng)能力；2）采用橡膠L墊鑲嵌動(dòng)、靜環(huán)，提高減震；3）抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)：采用在緊縮圓盤軸套開小槽技術(shù)，序號(hào)1（開口抱緊環(huán)）把序號(hào)3（緊縮園盤軸套）牢固安裝在脫硫循環(huán)泵傳動(dòng)軸上，使機(jī)械密封平穩(wěn)運(yùn)行[2]。

2 新型密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

火炬機(jī)械密封在批量生產(chǎn)與應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)還有不足之處，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化與簡化，其經(jīng)濟(jì)與技

圖2 摩擦副局部放大

術(shù)性能還有提升空間。其機(jī)械密封的優(yōu)化措施為：

1）動(dòng)、靜密封環(huán)耐腐蝕、耐磨損抗沖擊減震優(yōu)化設(shè)計(jì)：用斜錐滑環(huán)式組合密封結(jié)構(gòu)“靜環(huán)(聚四氟乙烯)＋動(dòng)環(huán)(2Cr13)摩擦副形式”取代“靜環(huán)YWN12+動(dòng)環(huán)YWN12的摩擦副形式，動(dòng)靜環(huán)鑲嵌橡膠L墊減震”結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5所示。

圖3 產(chǎn)品實(shí)物圖

2）機(jī)械密封固定、振動(dòng)、軸向竄動(dòng)設(shè)計(jì)：對緊縮園盤軸套的受力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，研究在工作狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變情況，確定其結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，保證機(jī)械密封固定可靠，受力合理；保證機(jī)械密封能更加穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 斜錐滑環(huán)式組合密封性能分析

圖4 優(yōu)化后的脫硫循環(huán)泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

1）耐腐蝕、耐磨損性、抗沖擊能力和防止摩擦環(huán)脆裂分析：聚四氟乙烯（英文縮寫：PTFE）具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性；突出的表面不粘性；良好的潤滑性。低摩擦因數(shù)（0.04）和自潤滑性而且與金屬無粘著作用，且起動(dòng)摩擦力與運(yùn)動(dòng)摩擦力相等，聚四氟乙烯可以在-250℃至260℃的范圍內(nèi)長期連續(xù)地使用和良好的抗老化耐力；機(jī)械強(qiáng)度較低；彈性模量較小抗沖擊能力較強(qiáng)[4]。

2）密封工作原理：有關(guān)聚四氟乙烯斜錐滑環(huán)組合密封的研究應(yīng)用文獻(xiàn)報(bào)道較少。文獻(xiàn)[5、6、7]報(bào)道了錐滑環(huán)組合密封裝置的的設(shè)計(jì)、分析及應(yīng)用。 “靜環(huán)(PTFE)＋動(dòng)環(huán)(2Cr13)摩擦副”結(jié)構(gòu)由彈簧、靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、O形橡膠圈構(gòu)成，如圖4、5所示。安裝狀態(tài)時(shí)，彈簧推動(dòng)靜環(huán)右移，使靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間形成密封面并具有一定的預(yù)接觸壓力，并使O形圈具有一定的預(yù)壓縮量。工作狀態(tài)時(shí)，密封腔內(nèi)壓力推動(dòng)靜環(huán)右移，增大O形圈壓縮量，增大密封面的接觸壓力，達(dá)到良好的密封效果。當(dāng)滑環(huán)厚度磨損減小后，O形圈壓縮量減小，則水平方向力的平衡關(guān)系消失，彈簧力及工作內(nèi)壓將推動(dòng)滑環(huán)右移，增大O形圈壓縮量，到達(dá)一個(gè)新的平衡位置，起到自動(dòng)跟隨補(bǔ)償性作用。

圖5 摩擦副局部放大

表1 滑環(huán)厚度h與密封面、接觸面上最大接觸壓力的關(guān)系；滑環(huán)厚度h與O形圈Von-mises應(yīng)力及壓縮量的關(guān)系

3）密封性能分析：有限元分析的計(jì)算模型、邊界及荷載等條件見文獻(xiàn)[7]，分析計(jì)算8～20mm厚度內(nèi)，7 組不同壁厚的斜錐滑環(huán)在安裝和工作狀態(tài)下密封面和其他接觸面的接觸壓力，分析結(jié)論如圖6、圖7、表1所示。斜錐滑環(huán)密封具有良好的密封效果；滑環(huán)厚度在8～20mm變化都能實(shí)現(xiàn)良好的密封，說明具有磨損自動(dòng)補(bǔ)償能力。

圖6 h=8mm時(shí)安裝狀態(tài)下Von.mises應(yīng)力分布

圖7 h=8mm時(shí)工作狀態(tài)下Von.mises應(yīng)力分布

4）密封副的溫度場分析：斜錐滑環(huán)密封是通過旋轉(zhuǎn)環(huán)（動(dòng)環(huán)）與浮動(dòng)環(huán)（靜環(huán)）端面的滑動(dòng)摩擦實(shí)現(xiàn)的，由于動(dòng)、靜環(huán)的相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦熱，隨密封環(huán)的溫度升高產(chǎn)生的降低密封件的使用壽命、增加端面間的磨損和泄漏、端面熱裂（熱應(yīng)力裂紋）等一系列問題，文獻(xiàn)[8、9]作了較詳細(xì)的分析。

利用ANSYS有限元分析軟件對斜錐滑環(huán)的溫度場進(jìn)行分析，得出機(jī)械密封的溫度場分布，如圖8所示是密封介質(zhì)50℃，考慮了沖洗、攪拌熱和摩擦熱等因素的2Cr13和PTFE配對摩擦副的溫度場云圖。由圖8知，密封最低溫度為23.97℃，最高溫度87.51℃，溫升為63.54℃；滿足PTFE的工作溫度要求。

圖8 密封溫度場云圖

2.3 緊縮園盤軸套的優(yōu)化設(shè)計(jì)

緊縮園盤軸套左端開R小槽（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9、圖10所示，裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示）的作用，可獲得的更好裝配緊固效果在文獻(xiàn)[2] 、[9]分別作了較詳細(xì)分析介紹。

影響緊縮圓盤軸套抱緊性能的主要因素分別為：軸套壁厚、開槽數(shù)量、開槽長度、開槽寬度（半徑R）等。按泵軸過盈配合（H8/v7）時(shí)，在徑向產(chǎn)生0.16mm位移抱緊泵軸所產(chǎn)生的應(yīng)力大小為指標(biāo)，優(yōu)化緊縮園盤軸套結(jié)構(gòu)。優(yōu)化方法為每個(gè)因素安排3 個(gè)水平，試驗(yàn)采用L9(34)正交表建立的實(shí)驗(yàn)方案，建立9個(gè)有限元分析模型。

圖9 開R小槽的緊縮園盤軸套

圖10 開R小槽的緊縮園盤軸套實(shí)物

應(yīng)用ANSYS軟件逐次對9個(gè)有限元分析模型分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析，有限元分析的計(jì)算模型、邊界及荷載等條件見文獻(xiàn)[10]。然后對模擬分析結(jié)論進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，尋找出結(jié)構(gòu)因素的最佳組合即緊縮園盤軸套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。保證機(jī)械密封固定可靠，受力合理；保證機(jī)械密封能更加穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

圖11 軸套局部Von.mises應(yīng)力

1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)械密封，提高了抗沖擊性能，不需要橡膠L墊減震零件進(jìn)行減震，完全克服了在“氣蝕”等情況下摩擦副易脆、易斷裂等缺陷；密封性能符合預(yù)期, 具有磨損自動(dòng)補(bǔ)償能力，在整個(gè)使用周期內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)良好的密封；機(jī)械密封固定更可靠，受力更合理；保證機(jī)械密封能更加穩(wěn)定運(yùn)行。

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)、加工、裝配等方面更簡化，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和更好的技術(shù)性。

[1] 王志軒, 潘荔, 等.我國燃煤電廠十二五大氣污染物控制規(guī)劃的思考[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 1(1), 63-71.

[2] 母福生, 文傳順, 等.大型脫硫循環(huán)泵用新型機(jī)械密封裝置的設(shè)計(jì)[J].潤滑與密封, 2009, 34(8), 88-91.

[3] 譚晶, 楊衛(wèi)民, 等.滑環(huán)式組合密封件的研究(Ⅰ)—方形同軸密封件_格來圈_的分析(格萊圈)[J].潤滑與密封,2007(1): 53-55.

[4] 王存鶴, 等.聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶[M].輕工業(yè)出版社,1987(10).

[5] (蘇)A.N.戈盧別夫.端面密封及動(dòng)力密封[M].

[6] 車恒德, 李茂林.滑環(huán)式組合密封探討[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 1981(5): 47-50.

[7] 胡勇, 文華斌, 等.電石反應(yīng)器斜錐滑環(huán)組合密封裝置的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2010, 10: 59-61.

[8] 何燕慧, 陳德林.機(jī)械密封溫度場及其熱應(yīng)力的有限元計(jì)算[J].蘭州理工大學(xué), 2007, 33(3): 72-74.

[9] 單曉亮, 胡欲立, 等.基于Ansys的機(jī)械密封環(huán)溫度場分析[J].潤滑與密封2006, 9: 116-119.

[10]樊衛(wèi)國, 胡勇, 等.大型脫硫循環(huán)泵用機(jī)械密封軸套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究[J].水泵技術(shù)2009, 6: 41-45.