離心泵油封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及應(yīng)用原理 

     1　前言
　　燕化公司煉油廠100Y型油泵，原軸承箱壓蓋和轉(zhuǎn)軸之間的密封結(jié)構(gòu)為迷宮密封，在迷宮密封外加一防塵環(huán)，密封性能較差。由于泵的轉(zhuǎn)速較高，在離心力的作用下，軸承箱內(nèi)的潤(rùn)滑油沿軸從端蓋甩出，漏油現(xiàn)象非常普遍，造成軸承箱、聯(lián)軸器及周圍地面沾滿油污，給安全生產(chǎn)帶來隱患，同時(shí)造成不必要的潤(rùn)滑油浪費(fèi)，又嚴(yán)重污染了生產(chǎn)環(huán)境，影響文明生產(chǎn)和企業(yè)的達(dá)標(biāo)升級(jí)。如果操作員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，還有可能造成機(jī)泵的損壞。因此，改進(jìn)原油封結(jié)構(gòu)，研制一種密封性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)的新型油封結(jié)構(gòu)以取代原油封是非常必要的。
　　2　原密封結(jié)構(gòu)存在的問題
      機(jī)泵運(yùn)行中由于油位限制，螺母下端浸入油池中，把潤(rùn)滑油攪起，沿壓蓋內(nèi)表面淌下，直接滴到旋轉(zhuǎn)軸上，軸上積油很多，被旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)，油沿軸爬行，進(jìn)入壓蓋與軸迷宮密封間隙，由于迷宮密封間隙較大，而且密封阻力較小，油一旦進(jìn)入迷宮難以打回，因而不斷沿軸外甩出，在軸端處形成積油，使迷宮和防塵環(huán)起不到密封作用，即發(fā)生漏油。從以上分析可以看出原油封結(jié)構(gòu)存在的主要問題是軸承鎖緊螺母太大和迷宮密封間隙太大起不到有效的密封作用。
　　3　改進(jìn)方案的論證及初步選擇
　　新型防漏油結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：首先要保證結(jié)合部分的密閉性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造維修使用方便、成品低廉、工作可靠，使用壽命長(zhǎng)。針對(duì)漏油的主要原因，應(yīng)從以下兩個(gè)方面入手進(jìn)行改進(jìn)，阻止漏油。
　?。?）、減少甩油量
　　軸承鎖緊螺母浸油深度（液面與鎖緊螺母的相對(duì)距離）是影響甩油量大小的一個(gè)重要因素。減小螺母直徑，可以減小浸油深度，減小攪油，從而減少落到軸上的油量，間接減少漏油量。
　?。?）、改進(jìn)原油封結(jié)構(gòu)
　　對(duì)其結(jié)構(gòu)分析，從密封原理角度講可考慮填塞或阻塞、分隔、引出或注入和流阻、反輸，以及這些方案組合等方法。首先對(duì)分隔，可采取機(jī)械密封。根據(jù)機(jī)械密封性能、適用范圍、壽命來看，機(jī)械密封都能適用，但機(jī)械密封價(jià)格高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需空間較大，拆裝不便，不適于這種小空間結(jié)構(gòu)。其次考慮采用引出或注入方法，能夠達(dá)到密封要求，但需要輔助裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而也不可取。再有考慮采用填塞和阻塞的方法，由于要求較長(zhǎng)的壽命，一些接觸型密封如氈圈、檔圈、密封圈、油封等與軸接觸磨損，壽命有限，不適合高速長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，而且易發(fā)生抱軸，因而排除。最后考慮采用流阻或反輸，或采用綜合方案。流阻是利用密封件狹窄間隙或曲折途徑造成密封所需要的流體阻力。反輸是利用密封件對(duì)泄漏流體造成反壓，使之部分平衡或平衡，將流體反輸?shù)缴嫌?，以達(dá)到密封的目的。其特點(diǎn)是無機(jī)械摩擦，結(jié)構(gòu)緊湊。流體反輸（也稱動(dòng)壓）包括迷宮螺旋密封、動(dòng)密封、螺旋密封等?？紤]空間狹小、壽命長(zhǎng)、功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便、價(jià)格低等要求，采用流阻或反輸及其綜合方案。在流阻或反輸方案中，螺旋密封最能綜合滿足上述要求，因此優(yōu)先考慮螺旋密封。鑒于離心密封可與其它密封配合使用，為保證密效果，選定螺旋密封與離心密封組合形式。如圖－1所示：
　　4對(duì)于100Y泵的設(shè)計(jì)計(jì)算：
     根據(jù)理論分析，螺旋密封螺旋角α其在5°6′時(shí)功率最小，而15°39′時(shí)取同樣長(zhǎng)度密封壓力，結(jié)合一些資料給出實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，兼顧密封壓力、功率消耗及結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，并留一定安全裕度，設(shè)計(jì)如下：[1]、[2]
　　
      4.1螺旋密封參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算
　　（1）、螺旋角α
對(duì)于100Y泵，軸端直徑為d=65mm，外伸軸段可用螺旋密封長(zhǎng)度L0=56.5mm，其軸端與聯(lián)軸器相聯(lián)，留7mm間隔，故取密封長(zhǎng)度L=39.5mm。由于長(zhǎng)度和直徑都較小，由密封壓力公式（見后面）[1]，密封壓力較小，故螺旋角選的較大，取為α=5°49′。那么α的正切值t=tanα=0.1019（此值由后面計(jì)算得出）。
　　（2）、相對(duì)槽寬u一般取u=0.5~1.0，這里u=a/(a+b)=0.75。
　?。?）、相對(duì)槽深υ一般取υ=2~10，取為υ=(c+h)/c=5。
　?。?）、密封間隙c推薦c=(0.6~2.6)/10000m取c=0.26mm，由于螺旋密封前有離心密封，可保證密封性能，取大間隙是為了防止由于加工誤差及安裝誤差，與軸發(fā)生摩擦。
　?。?）、槽深h，h由公式h=c*(υ-1)求得：h=0.26*(5-1)=1.04，取為h=1.0mm。
　?。?）、頭數(shù)i，頭數(shù)i由前面所討論的按螺旋頭數(shù)的選擇原則：高轉(zhuǎn)速(n>5000r/min)，選單頭；低轉(zhuǎn)速(n<5000rmin)選多頭。由于本泵n=2950r/min，根據(jù)有關(guān)資料推薦，取i=4。
　　（7）、螺旋導(dǎo)程s，取s=16（取整便于加工）；則由
s=πd*tanα，α=5°49′。
　?。?）、螺旋槽寬a，齒寬b
由公式得a=πu*d*tanα/i=3.00mm
b=π*(1-u)*d*tanα/i=1.0mm
　　（9）、軸的角速ω及螺旋圓周速度v的計(jì)算：
ω=2πn/60=308.9rad/s
v=πn/60=7.6m/s
　?。?0）、螺旋按結(jié)構(gòu)選取長(zhǎng)度為L(zhǎng)=39.5mm
　?。?1）、螺旋密封壓力Δp ′，Δ p′=rωw d LCp/c2 [1]
　　　　　　　　 tu(1-u)(υ-1)(υ3-1)
其中： Cp= -----------------------------------
(1+t2)υ3+t2u(1-u)(υ3-1)2
把u=0.75，t=0.1019，υ=5.0代入得：Cp=0.178，按Cp=0.178，稀油潤(rùn)滑取粘度系數(shù)偏小μ=0.00223×9.8Pa/s，ω=308.9rad/s，d=0.065m，L=0.0395m，c=2.6×10-4
m代入，計(jì)算得Δ p`=35800Pa。
　?。?2）、螺旋密封功耗計(jì)算N[1]
N=πω2d3LCn/4c
Cn由公式求得： Cn=0.46，
　　 則N=14瓦
　　機(jī)泵電機(jī)額定功率為90KW，軸功率75KW，螺旋密封功耗為14W，可見功耗很小，對(duì)原機(jī)泵運(yùn)行不構(gòu)成影響。
　　4.2副葉輪離心密封的計(jì)算
　　副葉輪離心作用所產(chǎn)生的密封壓力差ΔP″計(jì)算公式為：[1]
ΔP″=k2ω2(R22-R12)r/ 2
=0.52×308.92×(0.0352-0.0252)×800/2
=6403 Pa
式中：R1、R2--------分別為葉輪的內(nèi)徑，氣液相界半徑的外徑
k------------系數(shù)，與光滑圓盤近似，k＝0.5
　　4.3螺旋密封和離心密封的組合密封總壓力差
　　組合密封壓力差ΔP為螺旋密封壓力差ΔP′和離心密封壓力差ΔP″之和即：ΔP＝ΔP′+ΔP″＝35800+6403＝42203Pa
　　由于軸承箱內(nèi)基本為常壓，箱內(nèi)壓力與軸承箱外大氣壓相近，因此組合密封總壓力差ΔP就是防止?jié)櫥屯獯拿芊鈮毫Γ久芊饨Y(jié)構(gòu)壓力為0.04MPa，符合應(yīng)略高于機(jī)內(nèi)壓力的要求。
　　4.4材料選擇
　　由于軸承壓蓋不起承壓作用，可選A3鋼，而甩油副葉輪不但起甩油及阻油作用，而且也是軸承卡環(huán)，為防止多次拆卸造成損壞，可選用45鋼。
　　5應(yīng)用情況
　　經(jīng)過改造的油封，1998年4月，在酮苯車間泵305（型號(hào)為100Y－120×2）上進(jìn)行了試運(yùn)行，后又在泵430、泵351等機(jī)泵上進(jìn)行了安裝，經(jīng)過四年多的運(yùn)行，軸承箱壓蓋密封處無任何泄漏，滿足設(shè)計(jì)要求。在此之前，原密封結(jié)構(gòu)由于經(jīng)常發(fā)生泄漏，司泵崗位操作員的工作量很大，在每小時(shí)的巡檢中都要對(duì)機(jī)泵潤(rùn)滑油進(jìn)行補(bǔ)充，而且還發(fā)生過兩起因漏油造成的設(shè)備抱軸事故，造成生產(chǎn)的波動(dòng)，由于漏油的普遍性也使現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生一直難以解決，給設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理帶來了難度。改造后，在換油周期內(nèi)機(jī)泵的潤(rùn)滑油基本不需要大量補(bǔ)充，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)狀況明顯改觀，也為生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。
　　6　結(jié)論
　　將原軸承箱壓蓋處迷宮密封改為離心密封與螺旋密封的組合密封結(jié)構(gòu)，利用離心密封作為初步節(jié)流阻漏密封，利用螺旋密封作為二次密封，可以保證軸頭處無任何泄漏。這種改進(jìn)方法只需改造軸承鎖緊螺母和軸承箱壓蓋，對(duì)原結(jié)構(gòu)改動(dòng)很小，即能滿足密封要求，又能適應(yīng)原結(jié)構(gòu)可利用空間小的限制。該種密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝方便，消耗動(dòng)力小。從實(shí)際使用效果來看，改善了原結(jié)構(gòu)造成的設(shè)備及周圍環(huán)境被油污染的局面，消除了生產(chǎn)隱患；減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)了文明生產(chǎn)。此外，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，將該結(jié)構(gòu)也成功地應(yīng)用于65Y、150Y型泵上，同樣取得了滿意的效果。因此，該結(jié)構(gòu)也可適用于有類似問題的其它機(jī)泵，有極大的推廣價(jià)值。