平律

(天津賽象機電工程有限公司，天津 300384)

隨著市場對輪胎的需求日益增長，輪胎成型機的市場競爭也是日趨激烈。成型機供應(yīng)商“爭分奪秒”，力求減少單條輪胎的生產(chǎn)時間，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。高的生產(chǎn)效率意味著對設(shè)備零部件的使用壽命提出了更高的要求，輪胎成型車間設(shè)備維護人員的工作就顯得更加重要。成型車間一般會在1～1.5個月定期對設(shè)備進行維護與保養(yǎng)，包括復(fù)驗設(shè)備的精度、直線導(dǎo)軌和帶座軸承等運動部件加注潤滑油等，以確保設(shè)備以最佳的狀態(tài)生產(chǎn)。這其中成型鼓機箱旋轉(zhuǎn)密封的維護需要定期檢查旋轉(zhuǎn)密封軸承的工作狀態(tài)、O型靜密封、唇形密封圈的密封性能等。

1 結(jié)構(gòu)分析

常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計中成型鼓主軸材質(zhì)會選用合金結(jié)構(gòu)鋼毛坯鍛造，再加上熱處理和表面處理，提高主軸表面的硬度和耐磨性。

以輪胎規(guī)格為195/60R15為例，冠包側(cè)、單胎體、單層冠帶、單條胎的生產(chǎn)時間為47 s,隨著設(shè)備單條輪胎生產(chǎn)時間的縮短，旋轉(zhuǎn)密封零件的散熱時間減少，會加劇唇形密封圈對于主軸的磨損。根據(jù)現(xiàn)場測試的結(jié)果，連續(xù)正常生產(chǎn)的情況下，旋轉(zhuǎn)密封分氣塊的溫度能達到94 ℃，唇形密封圈對于主軸的磨損是日積月累的。當(dāng)生產(chǎn)達到2個月，唇形密封圈的磨損加劇導(dǎo)致密封失效，影響設(shè)備的正常生產(chǎn)。更換一套旋轉(zhuǎn)唇形密封圈需要2～3名維修人員花費4 h左右的時間，才能恢復(fù)設(shè)備滿足正常的使用需要。當(dāng)測試進行到18個月時，此時旋轉(zhuǎn)密封唇形密封圈已經(jīng)更換了6次。此時主軸表面硬化層磨損嚴重，磨損量在0.5 mm，新的唇形密封圈已經(jīng)不能起到密封作用，只有更換主軸才能解決問題，這就極大的增加設(shè)備的維護成本和維修難度。

為了攻克旋轉(zhuǎn)密封使用壽命的問題，我們在結(jié)構(gòu)、材料、熱處理、表面處理方式等方面做了大量試驗，主要是為了測試主軸、唇形密封圈的使用壽命、密封情況。測試一主軸使用合金結(jié)構(gòu)鋼，毛坯鍛造粗加工后做調(diào)質(zhì)處理，在與唇形密封圈接觸的外圓上做氮化處理，增加表面硬度和耐磨性。分氣塊使用45鋼，唇型密封圈使用L形圈。測試一設(shè)置了3路分氣塊，要求對每路分氣塊進行通氣保壓試驗，供入壓力為0.5 MPa的氣源，此時關(guān)閉氣源，仔細觀察壓力表數(shù)值變化，標準為1 min內(nèi)掉壓不超過0.2 MPa，在保壓過程中需手動對密封進行旋轉(zhuǎn)，確保裝置在旋轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)氣體泄漏。

唇形密封圈材質(zhì)為含油石墨，緊固相鄰分氣塊之間的連接螺釘需要使用扭力扳手，扭矩為10 N.m，過大的扭矩會導(dǎo)致唇型密封圈產(chǎn)生塑性變形，影響密封效果。測試的步驟為主軸正反轉(zhuǎn)交替進行，1 s轉(zhuǎn)動1圈，同時通入氣源壓力為0.3 MPa的氣體。每天測試時間8 h，在經(jīng)歷了4萬次的旋轉(zhuǎn)周期后，主軸表面出現(xiàn)了深度為0.005 mm的溝槽，試驗結(jié)果不理想。思考在測試一中的測試步驟實際上與正常的生產(chǎn)流程有區(qū)別，正常的生產(chǎn)時每貼完一層料系統(tǒng)會有短暫的暫停時間，這是否會改善主軸的磨損情況？在測試一中，在分氣塊不通氣的情況下，由于唇型密封圈與主軸接觸產(chǎn)生的摩擦力，每一路分氣塊上的摩擦扭矩為17.96 N.m。當(dāng)分氣塊中供入0.5 MPa的壓力后，因摩擦力產(chǎn)生的扭矩為34.96 N.m，3路分氣塊產(chǎn)生的扭矩為104.88 N.m。系統(tǒng)需要克服摩擦力產(chǎn)生的反向扭矩做功，摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱。測試現(xiàn)場環(huán)境溫度為30 ℃，系統(tǒng)在連續(xù)運行4 h后，分氣塊外表面的溫度為87 ℃；系統(tǒng)在連續(xù)運行8 h后，分氣塊外表面的溫度為95 ℃。

有了第一次的測試經(jīng)驗，測試二在旋轉(zhuǎn)密封的結(jié)構(gòu)上做了一些改善?，F(xiàn)有成型鼓機箱旋轉(zhuǎn)密封裝置十路分氣塊之間使用10個螺桿整體連接，連接完成后，再逐個測試分氣塊的靜密封性能。在實際安裝過程中，整體連接后很可能會出現(xiàn)個別分氣塊漏氣的問題，此時需要將10個分氣塊全部拆開再重新安裝密封圈，過程比較費時。新的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)每個分氣塊能夠單獨試氣、保壓，提高裝配、試氣成功率。新的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，相鄰分氣塊單獨使用螺釘連接，當(dāng)1號分氣塊和2號分氣塊連接完成后，可以測試1號分氣塊的靜密封性能；以此類推，每一組分氣塊試氣、保壓成功以后再進行下一組分氣塊的安裝，提高了旋轉(zhuǎn)密封一次裝配、試氣成功的概率。圖1為結(jié)構(gòu)圖。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

此設(shè)計方案主軸2和內(nèi)圈6之間采用O型密封圈5靜密封，內(nèi)圈和分氣塊1之間使用L型密封圈4。相鄰分氣塊之間使用密封環(huán)隔開，密封環(huán)上有徑向排氣孔，避免分氣塊之間躥氣。相鄰分氣塊之間使用螺釘單獨連接，當(dāng)1號分氣塊和2號分氣塊連接完成后，可以測試1號分氣塊的靜密封性能；以此類推，每一組分氣塊都是在試氣、保壓成功以后再進行下一組分氣塊的安裝。氣源從分氣塊通入，經(jīng)過內(nèi)圈，氣體進入主軸給成型鼓供氣。唇型密封圈的材質(zhì)比較柔軟，這決定了安裝、拆卸旋轉(zhuǎn)密封需要更加仔細。在客戶現(xiàn)場更換唇型密封圈時由于沒有拆卸旋轉(zhuǎn)密封的工裝，往往需要重復(fù)裝配2～3次才能成功。有了現(xiàn)場多次更換唇形密封圈的經(jīng)驗，設(shè)計出了一套拆卸用密封圈的工裝，首先需要將內(nèi)圈內(nèi)表面與主軸外表面涂抹機床導(dǎo)軌油；再將內(nèi)圈緩慢勻速推進主軸。在上內(nèi)圈之前，要檢查所有氣孔內(nèi)外孔口是否光滑，如果有毛刺尖角，需要去除，保證內(nèi)圈與O型圈接觸部位光滑，不會出現(xiàn)切圈現(xiàn)象。新型成型鼓機箱旋轉(zhuǎn)密封的結(jié)構(gòu)，相鄰的分氣塊之間使用密封環(huán)隔開，隔片上有排氣孔，避免旋轉(zhuǎn)密封發(fā)生躥氣，提高了旋轉(zhuǎn)密封的穩(wěn)定性；每一組分氣塊都是在試氣、保壓成功以后再進行下一組分氣塊的安裝，提高了旋轉(zhuǎn)密封一次裝配、試氣成功的概率,減少了后期維護的成本。圖2為局部視圖。

圖2 局部視圖

2 計算

與其它密封元件相比，O型密封圈結(jié)構(gòu)簡單，整體式溝槽設(shè)計能夠降低加工和設(shè)計成本；結(jié)構(gòu)緊湊，能夠用于更小的零件中；安裝簡便，降低了風(fēng)險，可以應(yīng)對各種密封問題，如靜態(tài)、動態(tài)、單作用或者雙作用工況；材料選擇范圍廣，適用于接大多數(shù)流體；存貨量大，規(guī)格齊全，便于維護和修理。

常用的O型密封圈材料有丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠。由于無法直接測量得到內(nèi)圈表面的溫度，測量分氣塊外表面的溫度為95 ℃，考慮到設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)，O型密封圈必須能夠承受高溫。O型密封圈使用氟橡膠材質(zhì)，眾所周知，氟橡膠具有阻燃性，極低的透氣性以及極佳的耐臭氧性，耐風(fēng)化性和耐老化性。氟橡膠的工作溫度范圍為-20～+200 ℃（短時間內(nèi)可達+230 ℃），于是選用了能耐高溫的O型密封圈作為內(nèi)圈與分氣塊之間的靜密封。此處O型密封圈為靜態(tài)工況，主O型圈內(nèi)徑d1拉伸率在2%～8%。當(dāng)O型密封圈被拉伸時，其橫截面積會減少并且會變平，并且當(dāng)安裝在溝槽中時，橫截面不再會呈現(xiàn)圓形。橫截面減少的比例取決于內(nèi)徑拉伸的比例S。橫截面減少的比例R主要受O形圈直徑拉伸的影響，O形圈直徑的拉伸比例在0～3%時，根據(jù)下面的公式計算：

橫截面減少的比例R主要受O形圈直徑拉伸的影響，O形圈直徑的拉伸比例在3%～25%時，根據(jù)下面的公式計算：

對于活塞應(yīng)用，拉伸比例S是根據(jù)下面的公式計算：

d3=活塞應(yīng)用中的溝槽內(nèi)徑

對于活塞桿應(yīng)用，拉伸比例S是根據(jù)下面的公式計算：

d5= 活塞桿直徑

例如：對于O形圈內(nèi)徑被拉伸2%時，有效的橫截面減少比例可通過以下公式計算：R=0.01+1.06×2-0.1×22[%]

在某些短運行周期的應(yīng)用中，O形圈能夠被用作密封軸上的旋轉(zhuǎn)密封件。同時，應(yīng)注意以下幾點：為了能夠起到旋轉(zhuǎn)密封的功能，O形圈的安裝必須符合旋轉(zhuǎn)密封件的工作原理。旋轉(zhuǎn)密封工作原理是基于拉伸的彈性密封圈受熱會發(fā)生收縮（焦爾效應(yīng)）。根據(jù)常規(guī)的設(shè)計標準，O形圈內(nèi)徑d1將略小于軸徑，由于摩擦而產(chǎn)生的熱量將使密封圈產(chǎn)生更大的收縮，這樣會使旋轉(zhuǎn)軸上的壓力增大而無法形成潤滑油膜，導(dǎo)致摩擦力更大，結(jié)果就是磨損增加，密封圈提前失效。了解旋轉(zhuǎn)密封工作原理后，就可以阻止發(fā)生這種現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)密封圈的規(guī)格時，氣內(nèi)徑應(yīng)該比所需密封的軸徑約大2%～5%。當(dāng)安裝在溝槽中時，密封圈徑向壓縮，并被溝槽壓向旋轉(zhuǎn)軸。因此，密封圈在溝槽中稍微呈現(xiàn)波紋狀，有助于潤滑。

內(nèi)圈材質(zhì)選用合金結(jié)構(gòu)鋼，與唇形密封L形圈接觸的表面經(jīng)過超精加工。常用的提高零件表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐氧化、防輻射性能和自潤滑型的方法有滲碳、滲氮、離子氮化、碳氮共滲、表面熔覆等。熱噴涂涂層面積小時經(jīng)濟性差，對小零件進行噴涂或者所需涂層面積較小時，作為有用涂層結(jié)合在基體上的量占噴涂時消耗的噴涂材料的量較小，經(jīng)濟性差。綜合考慮后內(nèi)圈表面選擇了氮化處理。內(nèi)圈氮化后，不再需要淬火便具有很高的表面硬度（約1 100～1 200 HV）及耐磨性，而且具有高的熱硬性，在550℃時，硬度仍有915～925 HV；在600 ℃時，硬度仍有 850～870 HV。

2.1 測試結(jié)果

測試二改變了測試一中的測試流程，每貼完1層物料時間間隔為2 s，系統(tǒng)的加、減速以及峰值速度均與現(xiàn)場正常生產(chǎn)時一致。測試二設(shè)置了10組分氣塊，測試流程完全按照正常的生產(chǎn)流程進行。在生產(chǎn)了5 000條輪胎后，我們拆下旋轉(zhuǎn)密封內(nèi)圈，使用千分表測量內(nèi)圈，內(nèi)圈表面沒有出現(xiàn)磨損，旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)在測試階段獲得了成功。我們將旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)安裝到輪胎成型機上，持續(xù)跟蹤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)在輪胎廠生產(chǎn)的情況及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

總體來看，目前我國制造業(yè)仍處在國際分工的中低端，大而不強等問題突出，推動制造業(yè)提質(zhì)升級任務(wù)緊迫。推動制造業(yè)從中低端邁向中高端，技術(shù)創(chuàng)新不可或缺?！爸袊圃?025”對于我們行業(yè)從業(yè)者來說，既是機遇更是挑戰(zhàn)。不斷創(chuàng)新，行業(yè)才能充滿活力，進而推動輪胎成型機技術(shù)的不斷提高，促進經(jīng)濟社會穩(wěn)步向前發(fā)展。