浅析立磨磨辊密封的设计与选用

李宏士 崔守彬 张 磊

(朝阳重机集团有限公司 辽宁朝阳122000)

1 前言

立磨经历了近半个世纪的不断改进和完善，在水泥工业生料、煤粉及矿渣粉磨领域获得了全面推广和普遍采用，磨辊是立磨中的关键部件，其使用的轴承都是大型轴承，轴承的正常工作与否直接影响设备的正常运行和生产成本。由于其工作环境恶劣，温度高，粉尘大，振动大，气体潮湿，磨辊漏油现象时有发生，影响轴承寿命和生产成本，因此磨辊密封设计至关重要。

2 立磨磨辊密封的作用与型式

2.1 立磨磨辊密封的作用

立磨磨辊密封的作用是防止工作介质(轴承润滑油)向外泄漏和防止外界杂物进入轴承。工作介质泄露导致润滑油的浪费和污染环境，如补充润滑油不及时会损坏轴承。在颗粒细小的磨粒工作环境中，大量微小硬质颗粒很容易进入立磨磨辊轴承内部，恶化轴承工作环境，降低润滑效果，甚至在滚道面形成压痕，引起点蚀甚至滚道面剥落，降低轴承的工作寿命。

2.2 立磨磨辊密封的型式

立磨磨辊密封的型式通常有填料密封和油封密封(旋转轴唇形密封圈)，油封密封由于系统结构简单、使用寿命长、制造维修方便而得到广泛应用。在磨辊密封设计中，一般采用气封装置加油封的组合设计型式，气封装置是正压，立磨内工作状况是负压，形成压力差，气封装置防止细小颗粒进入油封内，是在油封基础上的又一重防护。

3 立磨磨辊油封简介

3.1 磨辊油封的分类

磨辊油封从结构上通常分为骨架式油封和无骨架式油封，骨架式油封用的最多。骨架式油封常用的又分为外露骨架油封和内包骨架油封，骨架油封按唇口的形式又分为普通型和双唇型，如图1所示。外露骨架唇形油封特点是刚性好、定位准确、同轴度好、散热性好，有更好的密封性能，需要更高的安装水平和加工精度。内包骨架唇形油封特点是用途广泛，易于安装。密封唇的作用是防止泄漏，在条件恶劣的工况下使用带副唇的油封以延长油封寿命。油封的副唇起一个防尘作用，防止杂质侵入油封密封唇口处，造成磨损而损坏。但副唇处往往润滑不良，摩擦力较大，造成油封干摩擦而损坏，所以使用双唇油封时一定要在双唇之间填满润滑脂。在工作环境许可的情况下，应尽量选用单唇油封［1］。

图1 骨架油封示意图

3.2 磨辊油封的密封原理

磨辊油封的密封属于磨辊旋转下的动态密封，动态密封的原理有着许多学派，分别提出了表面张力理论、吸附理论和边界润滑理论等诸多理论。其中比较有影响的是E T Jagger提出的“新月面理论”和Horvel等人提出的微型泵理论［2］。

3.2.1 “新月面理论”

骨架油封通常由密封体、加强骨架和自紧螺旋弹簧组成，在自由状态下，其内径比轴要小，有一定的过盈量，当油封装入油封座和轴上之后，油封唇口的压力和自紧螺旋弹簧的收缩力对轴产生一定的径向压力，再加上润滑油腔的压力，共同决定着与轴之间的摩擦力，油封在开始旋转时，摩擦力矩较大，而后逐渐下降趋于稳定。工作时，油封唇口在接触压力的作用下，形成一密封接触环带，润滑油渗入密封接触环带，形成一层油膜，此油膜具有流体润滑特性。在液体表面张力的作用下，油膜的刚度恰好使油膜与空气接触端形成一个新月面，防止了工作介质的泄漏，从而实现密封。油封的密封能力，取决于密封面油膜的厚度，厚度过大，油封泄漏;厚度过小，可能发生干摩擦，引起油封和轴磨损;密封唇与轴之间没有油膜，则易引起发热、磨损。因此，在安装时，必须在油封上涂些油，同时保证骨架油封与轴心线垂直，若不垂直，油封的密封唇会把润滑油从轴上排干，也会导致密封唇的过度磨损。

3.2.2 微型泵理论

由于油封内径小于轴的直径，二者属于过盈配合，加上弹簧的作用使得接触区域上接触压力成不对称分布，油封储油端与空气端产生不同的压力变化，从而产生两向不同的泵油作用，使润滑油定向流动，从而达到密封的目的。

3.3 磨辊油封的材质

用作油封的橡胶主要有丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、丙烯酸酯橡胶、硅橡胶和氟橡胶。其中丁腈橡胶耐油但耐低温性差，聚氨酯橡胶耐磨但摩擦系数高，一般在0.5以上，容易摩擦生热，丙烯酸酯橡胶耐热耐氧化耐臭氧，但耐寒性差，室温下的弹性差、耐磨性差，硅橡胶耐高温和低温，但硅橡胶的抗张强度和抗撕裂强度等机械性能较差，氟橡胶则具有耐高温耐油性能。由于磨辊轴承润滑中一般采用150～220号工业齿轮油，且环境温度较高，而氟橡胶具有优良的耐油和耐高温性能，因此磨辊油封一般选用氟橡胶。

4 磨辊油封泄漏因素的分析

4.1 油封本身的因素

4.1.1 密封唇的前唇角(α)与后唇角(β)

要获得无泄漏的唇形油封，除选择合适的弹性材料外，密封带的形状和位置，密封带和弹簧的相对位置具有十分重要的作用。密封面由两个相交的锥面形成(见图1)，前唇角(α)指密封唇的前唇面与轴线的夹角，后唇角(β)指密封唇的后唇面与轴线的夹角。要求α＞β，为获得良好的密封效果，α =40°～60°，β =20°～35°。弹簧中心与密封唇口中心要有一轴向偏置量，其值一般为R=0.4 ～0.7mm［3］，R 值过小甚至趋于零无法保持油膜，不利于密封;R值过大增加摩擦生热，同时接触宽度增加，接触应力变小，致使油封唇口与轴之间的“临界油膜”润滑扩大成流体润滑，造成泄漏。

4.1.2 油封唇口的径向力

早期的唇形密封理论认为，为了防止泄漏，密封唇与轴之间的接触压力应很大，实践证明这种认识是不正确的，因为根据这一观念设计的油封因摩损快严重过热而迅速失效，现代的设计目标已变为在提供足以防止泄漏的前提下，尽量减少密封唇口的接触载荷。唇形油封新安装时的平均接触载荷约为1MPa，相当于单位周向长度上的载荷为200N/m，经长时间运行后，接触载荷慢慢衰减，衰减后的载荷至少应维持在初始载荷的50%，即100N/m，一般来讲，载荷为100N/m时，油封寿命最长，超过400N/m时寿命最短。

国内在油封研究方面起步较晚，尽管现在有了长足进步，但与国际水平相比，无论在产品结构，还是在橡胶配方以及生产工艺上都有很大的差距。国家虽然有了一些唇形油封的设计参数，便要使其应用于实际生产中，没有一定的专业知识和实践经验是较难的。国际上有名的油封品牌有SKF、FAG、NOK等，磨辊油封应优先选用它们，如果选用国产油封，一定要选用知名的有实力的口碑好的专业厂家。

4.2 轴的因素

4.2.1 轴的表面粗糙度

轴的表面粗糙度对密封的作用非常关健，如果轴的表面粗糙度过大，轴表面的凸峰会穿过油膜与密封唇接触，在轴转动时易刮伤唇口，唇口很快磨损，密封失效;如果轴的表面粗糙度过小，油容易从密封接触处挤出，导致油膜变薄或破裂，从而增大摩擦和摩损，使密封受到破坏从而失效。所以轴的表面粗糙度有一个合适的范围，一般Ra控制在0.2 ～0.6μm。

4.2.2 轴的表面硬度

由于在工作过程中，与唇形油封接触的轴面长期处在唇口的摩擦下，久而久之容易摩损轴径，因此此处轴径表面硬度应提高，一般在HRC50以上，或者在此处加设轴套，提高轴套表面硬度，避免损伤到轴。

4.2.3 轴的表面加工状态和形位公差

如果轴表面存在加工痕迹和损伤，会造成油封泄漏。同样如果轴的圆度和跳动量超过了油封的适应能力，也会造成油封泄漏。

4.3 油封与轴的相对速度

油封与轴的相对速度是影响油封工作寿命的重要因素。在一定的接触压力下，相对运动的速度愈高，摩擦力越大，引起的温升也越高，超过了橡胶材料的工作温度上限，造成油封唇口老化和唇边烧伤而形成泄漏。因此要选用适当的橡胶材料和合理的结构设计。

4.4 压力与温度的影响

普通油封的承压能力很低，一般小于0.05MPa，当压力超过0.05MPa时，迫使油封腰部向轴面弯曲，使油封唇部与轴接触宽度增大，接触压力和摩擦力增大，温度升高导致油封失效而泄漏;温度对橡胶材料及其工作性能有很大影响，温度不当使橡胶老化和硬化，决定着油膜厚度，油膜厚度过大，油封就会泄漏;油膜厚度过小，会发生干摩擦，导致油封唇部的局部温升同样使油封失效。

4.5 安装和使用的问题

油封制作精度较高，对安装和使用有一定的要求。油封安装前先清除座孔和轴表面的毛刺和螺旋加工痕，轴上对着密封唇入口处须有圆弧或倒角，以保护密封唇，检查座孔和轴的相关尺寸以达到密封件对尺寸的要求，将座孔和轴清理干净。再检查密封件，看密封件安装前是否损坏，如密封唇是否损伤等，如有应当予以更换，还要确认密封的方向性，一般唇口面向要封隔的润滑油，因为油封属单向密封，若油封方向装反，唇部起不到密封作用而漏油，所以安装时一定要注意安装方向的正确性。在油封唇部与轴表面涂敷润滑脂，可减少唇部损伤的可能，方便安装。对外露骨架油封的外径进行适度润滑会利于安装，而内包骨架油封外径也应予以润滑。特别注意的是，千万不要直接锤击油封表面，尤其是外露骨架油封，这种方法容易使金属外层变形，唇口损坏。为避免油封翘起，应利用安装工具平均地将作用力施加在外沿上，切勿一次性压到位，应重复多次旋转缓缓压入，每次旋入的深度不超过1mm［4］。磨辊安装后要进行密封性检测，如果磨辊内充满润滑油检测，需浪费大量滑润油，且残留的润滑油会与各现场实际选用的润滑油产生二次污染，通常的方法是压缩空气检测法，即向磨辊内充入0.2MPa的压缩空气，保压30min，压降不超过0.1MPa为合格。油封在使用过程中也会产生润滑不良现象，形成干摩擦，尤其是当几个油封并列使用时，更容易发生油封烧坏，此时除保证油封唇口有一定的油膜厚度外，最好有可定期加注润滑油脂的结构。

图2 立磨磨辊密封典型设计

5 立磨磨辊密封的典型设计及发展动态

立磨磨辊密封典型设计见图2。

在恶劣工作环境下，油封一般都组合使用，把2～3个同类或不同类型油封按照一定顺序安装在一起组合使用，可使其性能提高到单个油封达不到的水平。组合使用时，润滑尤为重要，特别要注意外侧油封的润滑设计，防止形成干摩擦，造成油封过早损坏。由于立磨磨辊是在高粉尘环境中工作，在油封周围不可避免有粉尘存在，因此磨辊油封一般都选用组合设计。有的选用两个单密封唇油封，一个用来防润滑油泄漏，一个防止粉尘进入，中间有通甘油管路，对外侧油封进行润滑;更多的是选用三个单密封唇油封，两个用来防润滑油泄漏，一个用来防粉尘进入，中间同样有甘油管路，对外侧两个油封进行润滑。也有极个别厂家选用两个双唇油封，安装时主密封唇都朝向润滑油侧防油泄漏，副唇起到防尘的作用，没有专用的甘油管路，仅仅在装配时封入甘油。

随着实践经验的不断积累，人们逐渐认识到在立磨这种特殊的工况下，防尘与防泄漏同等重要，不重视防尘设计，一味的强调防泄漏，很容易出问题。某公司就发生过现场安装人员为提高防泄漏性能，将三个单唇油封都朝向防油侧，导致粉尘很快进入油封致使油封损坏而发生泄漏。只要粉尘进入，必将加速油封密封唇的磨损，现在有的生产厂家已将三个油封中的两个用来防尘，一个用来防润滑油泄漏，中间同样有甘油润滑管路，取得了很好的效果。

6 结语

立磨磨辊密封设计与选用的好坏，直接影响着密封效果，进而影响轴承的正常使用与寿命，从而影响设备的安全运行，因此是磨辊设计的重要一环。

［1］申东川.油封在实际应用中的几点注意事项［J］.液压与气动，2003(9):41.

［2］叶盂蜍，李祖彬.汽车油封的研究与进展［J］.特种橡胶制品，2010，Vol.31(6):71 －76.

［3］付平，常德功.密封设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2009:147－148.

［4］李欢.立磨磨辊密封圈安装工具设计及使用［J］.水泥，2013(5):36.