高温低压高速旋转轴的密封
[摘要]本文介绍了高温低压高速旋转轴的密封问题，并从密封的结构设计和材料选型方面进行了综合考虑，组成了不磨损型的密封结构，解决了这一难题。
关键词：高温，低压，高速搅拌轴，高温润滑脂，离心力
The Sealing Problem of High Temperature& Low Pressure Rotation Axis
Wang Zhongxin1, Zhang Y ongjuan1, Liang Shoukai1
1Department of Technology, JAC Yongda Manufacturing Co. Ltd, Lu’an, Anhui Province, 237010
[Abstract]In this essay, the sealing problem of high temperature& low pressure rotation axis is introduced, analyzed and solved. Taking structural design and material selection into consideration, we use wear proof sealing structure.
Key words: High T emperature, Low Pressure, High-speed Stirring Shaft, High T emperature Grease, Centrifugal Force
概述
加热温度在500°C～1000°C之间的热加工设备中，有很多设备都是通过搅拌的方式来保证加热区温度或炉内添加介质的均匀，而搅拌的动力都是通过外部的电机驱动，电机转速大都在1400转/分钟，而设备内部由于加热后空气膨胀或者设备内要增添其他成分的介质，所以炉膛一般带有≤0.005Mpa的正压力。因此，高速搅拌轴的轴颈密封，相对其他条件下来说难度就大得多。而且一般密封方法容易磨损失效，不容易发现。一旦密封不可靠，就会影响炉内产品的质量。
1 密封的失效模式
目前高温、低压状态下的高速搅拌轴采用的密封方式主要有两种，一种比较老的是采用耐高温材料（如石棉、石墨等）进行填料式密封（见图1）；另一种是采用一组活塞环进行机械式密封（见图2）。这两种都是接触式密封，第二种相对于第一种来说寿命长一点，但更换麻烦。对各种接触式密封的失效方式进行分析，可归纳为：一是磨损引起失效；二是磨损后不能长期有效的补偿；三是磨损后更换不方便。
从资料中我们都可查到，密封作用好的零件材料的材质是比较软的、有弹性的，一般是用橡胶，但只能只用于≤200°C[1]场所。热加工设备的工作条件恶劣：温度500°C～1000°C、压力≤0.005Mpa、轴转速1400转/分钟。这种底压力不允许有轻微的密封失效。适合这种条件的目前只有填料式和机械式。对于旋转部位，这两种方式主要的缺陷就是磨损后补偿性能非常有限，造成密封性能失效。改进主要从这两个方面入手。
2.2 改进密封材料
由于传统的橡胶密封圈只能在弹性限度内起到密封作用，它也是接触式密封，也有磨损问题，在高温场合也不适合使用。所以，必须寻找一种有同样效果的替代材料。
因为压力较低，所以我们将替代材料的主要作用确定在耐高温和柔软性较好两点上。在日常静态机械密封中，我们经常在石棉等密封材料的表面涂上一层润滑脂来加强密封效果，而市场上二硫化钨类高温润滑脂有使用温度在600°C～800°C的产品。这一点符合此种场合要求，可以借用。2.3 改进密封结构
机械类所有接触式的密封都会有磨损，解决磨损办法最好是非接触式的。非接触式的又存在着不能密封高温气体的问题。因此需要另寻路径，先从这方面入手，寻求一种新的结构来解决这种矛盾。
要想密封性能好，就必须用软性材料作密封介质，并结合使用连续不断自动补偿密封材料磨损的结构。要将这两者有效地结合起来，利用各自的长处来解决密封问题。因此，我们考虑了借用旋
转轴的动力来实现补偿。经过反复试验我们采用了如图3的结构，彻底解决了这个问题。
2.4 结构说明
新的密封结构（见图3）中，接触式填料密封仍然被采用，只是当做粗密封来用，在此基础上增加了上述“二硫化钨类高温润滑脂+离心甩油盘”的新密封结构，工作原理是：工作前离心甩油盘5周围装满二硫化钨类高温润滑脂10，工作时搅拌轴8旋转的摩擦力带动装润滑脂螺母7（螺纹旋向与搅拌轴8旋转方向相同）产生向下的压力，将二硫化钨类高温润滑脂不断向下推，压在离心甩油盘5上。为防止装润滑脂螺母7在将润滑脂向下挤压的过程中，润滑脂从装润滑脂螺母7和搅拌轴8之间的缝隙中泄漏，特在装润滑脂螺母7和搅拌轴8结合处增加一O型密封圈9。搅拌轴8带动离心甩油盘5高速旋转，由于离心力的作用，二硫化钨类高温润滑脂10顺着离心甩油盘5将周围填满，并带有一定的压力，将从耐高温材料13 处泄漏上来的部分气体封闭。同时，由于冷却水的作用，高温气体流到二硫化钨类高温润滑脂处时温度已经降低很多，二硫化钨类高温润滑脂已经能承受流到此处的气体温度。为了增强冷却效果，特将密封座3靠近耐高温材料13的位置内侧加工成三角槽，增加热交换面积。补充润滑脂的方法：旋开装润滑脂螺母，加入二硫化钨类高温润滑脂，旋上装润滑脂螺母，向离心甩油盘上压入二硫化钨类高温润滑脂，压满为止。
从新的密封结构的工作原理可以看出，它仍然属于接触式密封，但它的密封材料选用了软性材料—高温润滑脂，并结合高速旋转轴的动力产生的离心力，来自动补偿接触式密封产生的磨损，彻底解决了高温、低压、高速旋转轴的密封问题。
经过改进后的密封机构已经在我公司多台热处理设备井式电阻炉上使用十多年，并且从未更换过。
3 结束语
综上所述，高速搅拌轴的密封是热加工设备中重要功能之一，该功能的好坏直接影响热到加工设备所加工产品的质量。经实际生产数据表明，根据该类设备的实际工作状况来改进密封部位的结构设计和材料选用，确实能提高设备的性能和产品的质量。此项技术已申请实用新型专利。
参考文献
1 成大先.《机械设计手册》第四版第三卷第10篇第3章润滑与密封.北京：化学工业出版社.2002年10月.10-160页