密相干塔烟气脱硫除尘系统机械传动轴优化研究

卜亚军

摘 要：本文利用Matlab对某钢厂烧结工艺过程中产生的废气与熟石灰反应的密相干塔烟气脱硫除尘系统中采用的螺旋密封结构进行优化，建立了螺杆式螺旋密封能力系数的数学模型，给出了密封处螺旋轴的结构参数的最优值，确定了密封处螺旋部分结构形状及尺寸，解决了系统存在的粉尘外泄问题。满足了使用要求，达到了预期的效果。

关键词：机械传动搅拌系统；轴密封失效；螺旋密封；Matlab；优化设计

1密封结构设计

1.1改进前原有密封结构的分析

轴与箱体的密封最初采用填料密封结构，填料以-定的作用力抱紧轴的表面且处于静止状态，转动的轴颈就与填料直接接触产生摩擦，使得轴与填料之间出现磨损产生间隙，矿粉最终从间隙处外泄。通过分析可知，对于矿粉一类的细微物料，只有通过不断更换填实和调整压盖的松紧程度来保证它们之间的间隙在允许范围内，以此保证密封的效果，但这实际上是以轴颈磨损为代价的，因此这种结构存在着设计选型的不合理性。

1.2螺旋密封的原理和特点

螺旋密封是流体中防止泄露常用的密封形式，是一种非接触型流体动力密封，依靠壳体表面和轴上开设的螺旋槽对粘性液体的起到泵送作用，压送出粘性流体从而阻止被密封介质泄漏的密封装置。其主要特点：工作时无磨损，寿命长；对密封进行正确的设计，可以达到零泄漏。因此考虑此系统采用螺旋密封结构实现阻止粉尘泄漏。

1.3新密封结构

密封结构机壳上无密封片，在轴与箱体密封处的轴上开有螺旋槽，形成螺杆式螺旋密封。压盖通过紧定螺钊随轴转动，压盖中的填料（羊毛毡）与从动轴表面接触，两者处于相对静止状态，故粉尘不会从其问泄出，轴表面也不会受到粉尘的磨损；压盖与填料盒问的填料压紧程度可以通过紧定螺钊可方便地加以调整；嵌在压盖槽内的不锈钢丝置于填料盒的圆筒端内，当压盖随轴转动时，不锈钢丝可将挤入螺旋的粉尘朝反方向抛出，只有极少量的粉尘经过螺旋渗到填料处，从而使外泄的粉尘大大减少。

2新密封结构密封能力系数优化计算

以系统中一个机械传动部分（电机功率为15kW，轴转速为269r/min）的密封结构进行密封能力系数计算，其余类似。

当不锈钢丝与压盖一起旋转时，对进入密封处的粉尘离心力反方向抛出，此时泄漏量比单独采用螺旋密封结构时要少得多。因此利用螺旋密封的密封系数计算公式，计算出的泄漏量数值在系统允许的范围内，即可满足此结构的技术要求。

计算螺旋密封的密封流体能力是设计螺旋密封的关键，其中计算方法有多种，这里采用CreaseAB（克里斯）计算方法，将螺旋密封内部流动分为2种流动：泵送流动和泄漏流动，当泵送流量与泄漏量相等时（亦即流量平衡），即可说明密封无泄漏。根据此理论即可推导螺旋密封无泄漏条件下的密封流体的能力系数，即

式中，Δp为密封部分内外压差，MPa；η为气固两相介质动力粘度，Pas/r，为轴的圆周速度，m/s；β为螺旋角；L为密封长度，即被介质浸入的螺旋段长度；s为齿顶间隙；k1为相对槽宽系数；k2为相对槽深系数；ks为密封系数。

从式（1）可知，在介质的粘度η、转轴转速Ur和间隙s确定时，要使单位螺旋长度上的密封能力最大，则密封系数ks应达到最大值。从式

（2）可知，ks，与k1，k2，俘有关，要获得最大密封能力，（k12-k1）应为最大值，此时可求得k1为0.5，绘制ks与k2，tanβ的关系曲线如图3所示。对应于任何一个tanβ值，随着k2的增大ks减小，但当tanβ增大到0.23087即β=13°，就不明显了；由图3可得：k2的最佳取值为3～9，tanβ为0.10510～0.466307即β=6°～25°。通過优化k1，k2，β这三个参数可使ks最大。本文介绍应用MATLAB优化工具箱来求解本优化问题。

3改进后现场使用效果

（1）对原密封结构的改造，使以前频繁更换填实（约12次/年）及轴（约3次/年）的现象半年问没有发生过，很大程度地减轻了检修工作的劳动强度，可节约检修人工、机械费约3万元年。

（2）按每年更换3个轴、6个轴承、6个填料盒及20m石棉盘根填料计算，每台设备-年可节约备件及材料费用约60000元，降低了设备维修费用。

（3）减少了不必要的非计划停车，延长了设备的检修周期和轴承的使用寿命，问接地降低了生产成本，提高了设备利用率。

4结论

基于Matlab对螺杆式螺旋密封的密封能力系数进行优化计算，避免传统计算方法（包括有约束坐标轮换法、网格法、复合形法、罚函数法等）的局限性；该方法具有较强的通用性，避免了由于优化方法选择不当而造成无法求解或所得最优解并不理想的情况。应用Matlab最终设计出的螺旋密封结构，解决了系统机械传动部分因密封泄漏造成设备不能长周期连续运行的难题，提高了设备利用率。近-年的使用情况充分说明，该结构简捷有效且具有很高的工程实用价值，可作为新的密封结构在除尘系统中加以推广。

参考文献

[1]张晓刚，宋存义，王亮，周超. 密相干塔技术在烧结烟气脱硫中的应用[J]. 钢铁，2013，07：79-82.

[2]王涛，马飞. 密相干塔烟气脱硫除尘系统机械传动轴密封结构设计[J]. 冶金设备，2013，05：25-27.