矿用 行星减速器浮封腔轴向间隙的取值研究

刘建刚

（中煤张家口煤矿机械有限责任公司，张家口 075000 ）

矿用 行星减速器浮封腔轴向间隙的取值研究

刘建刚

（中煤张家口煤矿机械有限责任公司，张家口 075000 ）

本文选择DO型4290浮动油封及浮封腔作为典型研究对象，通过受力分析，计算取得浮封腔之间理论轴向间隙，然后开展模拟实验，将实验结果与理论数据做对比分析，最终得出最佳的轴向组装间隙值。

浮封腔 端面比压 轴向间隙

1 浮动油封密封机理

DO型浮动油封由成对的两个浮封环组成，每个浮封环则由金属环和O形圈配套组成。使用中，两个浮封环分别装在减速器输出端的轴套和端盖上，两个浮封环中的金属环亮带保持面面重合。减速器运转中，一个浮封环随轴套转动，另一个则在端盖上相对静止，这样就使两个金属环亮带做相对滑动旋转。而此时O形圈在各自浮封腔中受轴向挤压产生变形，在两个金属环之间产生一定的轴向预载力（预先加载），从而使密封亮带之间紧密对合，产生一定的端面比压。此时，在两个亮带之间含有一层非常稀薄的油膜，就是它完成了内外隔离从而达到密封。

但是，如果端面比压值太小，两金属环不能正常贴合，将直接产生泄漏油。反之，如果太大，会使两密封面之间的油膜变得稀薄甚至缺失，导致干磨加速金属环损坏，缩短使用寿命。

2 浮动油封在使用中的力学分析

这样看来，在最初组装时应该给定一个合理的预载力，而这个力f1的大小则取决于O形圈在浮封腔内挤压变形量的大小。因此，可以通过调整轴套和端盖之间的轴向间隙值“A”，来控制浮动油封金属环间预载力的大小。图1为O形圈在浮封腔内受力分析。可以想象，随着不停地运转使用，这个预载力会逐渐减小直至失效。那么，在组装时给出一个最佳的预载力，就能使浮动油封具有较长的使用寿命。

下面选择4290浮动油封作为研究对象，其密封亮带外圈直径45.7cm，内圈直径45.2cm，可计算接触亮带的面积M。由以下推导公式可得端面比压值Pc与轴向间隙值A的关系：

图1 O形圈在浮封腔内受力分析

其中，W是O形圈受挤压变形率，L是受压接触面宽度，D是O形圈在自然状态下形状平均直径（cm），d是O形圈在无受力状态下的截面直径（mm），H0是单个金属环在自然组装状态下相较于端盖浮封腔的距离，f1是O形圈产生的轴向分力。

按照浮动油封结构尺寸，金属环背锥角度α=20°，密封腔锥面角度β=10°。根据经验取值，橡胶圈弹性模量Ea=28.5kg/cm2。

按照以上公式，选取不同的轴向间隙值A依次计算，A取值2mm～10mm之间所对应的端面比压值从0.637MPa一直递减到0.268MPa。在此范围内，O形橡胶圈的单向受挤压变形量范围是14.1%到21.5%之间。结合油封厂家的推荐，得知浮动油封O形圈单向压缩变形率应控制在15%～25%之间。显然，这样的间隙值选择能够保证O形橡胶圈的使用性能。

3 DO型4290浮动油封工作状态模拟实验

为进一步分析，对4290型浮动油封做如下实验。图2为减速器输出端浮动油封密封处的结构。组装时，先将油封两个浮封环分别装在轴套与端盖上，轴套与端盖的浮封腔基面间产生间隙尺寸A，就是组装调整需保证的的轴向间隙值。

图2 浮动油封实验图示

3.1 实验需求

①目前使用的两个厂家（厂家A和厂家B）的4290型浮动油封各一套；②试验用加压法码，最好以10公斤为系列制作，也可用产品零件替代；③具有4290型浮动油封的密封腔，且能够配对的轴套和端盖各一套；④实验平台1块。

3.2 实验内容

将实验平台清理干净，将两个浮封环分别装在轴套和端盖各自浮封腔内。事先测量好所需数据，按照实际使用状态组装轴套和端盖，并放置在实验平台上。然后，对轴套逐渐加压，每增加一个砝码的重量，测量图示尺寸H。由于这种类型的减速器目前设计的轴向间隙是3±0.5mm，加工件一般加工在尺寸3mm，即图2中A=3mm。那么，计算H+A就是每增加一个砝码时所对应的轴向间隙值，并根据对应的砝码数量计算重量（kg）。两者之间呈现一定关系，记录好实验数据，可以绘制曲线图。

3.3 实验结果分析

根据A厂家和B厂家经过实验的数据，绘制间隙值A与端面比压值Pc的关系曲线，与之前理论计算所得曲线比较结果，如图3所示。

图3 实验取点数据与曲线对比图（理论-A厂家-B厂家）

由图3可知，两者呈近似于线性的关系。在一定的范围内，间隙值A越小，比压值Pc越大；反之，递减。间隙值与端面比压成反比例曲线关系。由两种浮动油封做实验得出的关系曲线变化情况非常接近，将理论计算绘制的曲线与之合在一个曲线图上，很容易看出实验所得与理论计算结果非常吻合。由实验首先计算在A=3.0mm、A=3.5mm和A=4.0mm三个特殊间隙值时产生的浮动端面比压值Pc。将以上实验数值与之前纯理论计算所得数值做具体比较，可以看到两者数值非常接近。

可是，相较于理论计算，实验能够更加真实反映浮动油封的性能特征。那么，当轴套和端盖间轴向间隙压缩到3mm时，浮封环端面比压值已经接近于或超过0.6MPa。由于行业标准制定比压值范围在0.3MPa～0.6MPa之间，可知在3mm调整间隙值情况下，已达到许允比压值的临界上限值。而以往设计给定的间隙调整值为3±0.5mm，当调整间隙时取值3mm以下的范围，将使金属环承受较大预载力，直接导致密封面间不能形成有效厚度的油膜，进而产生高温发热，从而加速O形圈的提前老化。综合这两种油封产品实验结果，针对4290浮动油封来说，在保证O形圈和金属环都在正确的位置前提下，浮动油封的设计要考虑让其具有尽可能大的端面比压，产生较大的弹性储备，增大使用期限。调整浮封腔间的轴向间隙值A至少应该选择＞3mm的范围，进而考虑到给组装留出合理的调整范围，选择3.5～4mm之间，即3.5（+0.5/0）mm。

4 结语

参照典型型号的浮动油封和对应浮封腔结构特征，建立密封零件截面的二维模型，通过理论计算和实验分析，得到轴向间隙值与密封端面比压之间的关系。综合两种分析方法的结果，确定最佳组装间隙值A。因此，也形成了一套研究两个浮封腔零件轴向调整间隙值A的方法。该研究过程简单明了，很具有实际指导意义。

[1]成大先.机械设计手册[K].北京：化学工业出版社，2002.

Study on the Value of the Axial Clearance of the Floating Seal Chamber for the Mine Planetary Reducer

LIU Jiangang
(Zhangjiakou Coal Mine Machinery Co., Ltd., Zhangjiakou 075000)

This paper choose the dissolved oxygen (do) 4290 floating oil seal and floating seal cavity as a typical research object, through the stress analysis, obtained between the floating sealing cavity theory of axial clearance, then carry out simulation experiments, comparative analysis of experimental results with the theoretical data, finally obtains the optimum axial assembly clearance value.

floating seal cavity, end face pressure, axial clearance