“防污墙”密封设计在煤矿用带式输送机改向滚筒上的应用

摘要：简述了煤矿井下可伸缩带式输送机改向滚筒部位的工作条件与环境，密封结构的损坏原因、机理和造成的后果。根据提出的问题，结合工作面的条件进行个性化的研究与设计，使影响带式输送机连续运行和安全隐患的问题得到较好的解决。

关键词：带式输送机；滚筒损坏；密封设计；安全

由于煤矿井下生产环境的特殊性以及作业条件的复杂无常等，对带式输送机和一些关键零部件的设计提出了很高的要求，特别是带式输送机的改向滚筒，尤其是在可伸缩输送机移动机尾处改向滚筒的轴承密封腔的密封性能，对滚筒的使用寿命和输送机的连续安全工作运行非常重要。

可伸缩带式输送机是工作在掘进工作面或回采工作面的运输顺槽。在工作面的端头，由于受采动压的影响，围岩变形、顶板破碎、淋水及底板凹凸不平等，条件非常恶劣，特别是淋水、煤泥积水和浮煤等污染物对滚筒轴承浸渍研磨非常严重。根据条件不同，使用时间最短的约一个月便损坏，致使停机更换。同时更换一次滚筒还需对输送带重新进行牵引力调整、张力调整和运行调偏的工作。所以改向滚筒的损坏不单是本身部件的问题，还会影响到输送机的安全运行，影响到工作面的连续出煤，降低采掘系统的开机率。所以对于设计者，除要求在广义的条件下设定前提和参照系外，还应对特殊过程和条件进行分析，对过程中的主要项目进行个性化设计，达到优化功能目标和可靠性的要求。

1 轴承密封结构损坏机理分析

现行带式输送机改向滚筒的轴承密封均采用旋转轴唇形密封圈，习惯称为骨架油封，现代弹性体径向唇形密封结构构成是，柔性唇环隔膜的一端为密封唇口，另一端与金属骨架固连。密封唇口的接触面为0.1-0.2mm宽的环带，在边界润滑状态下，唇口与轴圆周表面保持有2.5μm的油膜间隙，柔性唇环密封面由两个相交的锥角而形成，α>β，早期的密封圈设计均是α角面对轴承腔，β角面对污染端，径向载荷使密封唇口的微凸体变平与轴接触，经实验证明，由于α>β，接触压力分布不对称，压力分布曲线形状为准三角形，最大接触应力靠近α侧，轴旋转后在密封界面产生摩擦剪力，由此导致弹性体的表面发生切向变形，变形大小与接触应力大小成函数关系。因此切向变形的分布由接触应力的分布反映出来。经微观研究，在接触应力峰值两侧，其变斜的方向相反，这些相反方向的倾斜的微观结构起到了流体导向作用，将周向流动的剪切流导向了最大的接触线处。

由于β侧的导向微观结构比α侧更多，故使其泵送能力较强。当β侧遇有动压流体时，其阶梯微泵开始工作，由于α侧是轴承腔，且采用润滑脂润滑，不存在也不产生动压效能。而在β侧有煤泥水浸渍则产生微动压效能，故而将污水泵送到轴承腔，导致轴承损坏。在后来进行的密封设计中，又增加了一组骨架油封，采用背靠背的组合安装，即外侧的密封圈α角对污染端，内侧的密封圈α角对轴承端，该设计只是解决了前述问题，而对于仍存在的磨损泄漏问题仍未解决。经运行试验分析，首先是轴的表面粗糙度问题，实验表明；合适的轴的表面粗糙度范围为Ra=0.2-0.6μm，而实际上这个指标往往达不到，一般经车床精车后的表面粗糙度较好的为Ra=1.6μm，圆周表面过高的微凸体在轴旋转后，会产生较高的相对滑动摩擦力，由于对偶表面存在较高的硬度差，轴表面过高的金属微凸体对密封圈唇口起了“梨削”作用，不断的将材料从表面去除，这种两体磨料磨损也称为低应力磨损的破坏。加大了轴与唇口的间隙，加速了煤泥水渗透。然后是煤泥水中的煤和矸石的微粒，在随水的渗透浸渍到了密封圈唇口，并在唇口聚积，随着旋转时间的继续，煤和矸石微粒加入到两个相对滑动的表面，便出现了三体磨料磨损，也称为高应力的磨损破坏，间隙越来越大，浸渍泥沙越来越多，最后造成轴承的锈蚀与研磨破坏，被迫更换滚筒，影响到设备的安全运行。

2 轴承密封结构“防污墙”功能装置的设计

由于煤矿井下带式输送机的工作环境是很难改变的，不可能达到设计者的理想状态，因此对前述问题的分析，对带式输送机改向滚筒的密封设计不宜在进行接续性的修改设计，而需要进行个性化的研究，按要求进行结构性的转换设计，争取从根本解决问题。

2.1 密封方式选择与密封机理分析

经过对多种动密封结构形式的分析研究，决定采取比较传统而又价格低廉的软填料密封设计。该种密封原理是比较传统的技术，但由于加工容易、价格低廉、密封可靠、填料密封简单等，所以使用面仍然很广。近年来，由于新材料科学的发展，密封填料的材料、性能和结构有很大的改善和进步，增加了继续使用的生命力。早期难以解决的问题和技术障碍，如磨损和摩擦阻力问题，现在都有了克服办法。软填料密封的机理作用是：密封填料装入填料函后，经压盖对其轴向压缩，因为填料的的可塑性，使其产生径向力，并于轴紧密接触，与此同时填料中浸渍的润滑油被挤出，并与接触面之间形成油膜，这种接触状态并不是特别是均匀的，接触部位便出现边界润滑状态，这种状态称为“轴承效应”，而在未接触的凹槽部形成小油槽，有较厚的油膜，当轴与填料有相对运动时，接触部位与不接触部位组成一道不规则的迷宫，起到阻止污渍浸渍的作用，此作用称为迷宫效应。

2.2 填料密封的结构设计

根据填料的密封机理，在设计填料密封结构装置时应注意如下事项。

a） 填料沿填料函长度方向的径向力分布应均匀且与污染介质压力分布规律一致，以减小轴的磨损极其不均匀性，满足密封要求。

c） 根据密封介质的压力、温度和轴的速度大小，考虑润滑措施，及时带走摩擦热量，延长填料使用寿命。

b） 设置及时或自动补偿填料磨损的结构，拆装方便，能及时更换填料，缩短检修时间。

c） 在填料函底部设置低套，以防止填料被挤出。为防止固体颗粒介质的磨损，设计中间封液环，注入封液，起到冲洗和提高密封性能的作用。

d） 采用不同材料的填料环组合结构，提高填料综合密封性能。

关于填料密封的的填料函设计，摩擦力和压紧力设计，国内外均提出了多种设计方法，比较常用的有：

德国：DIN 3780

中国：JB1712；或机械设计手册

日本：阀门设计手册等

由于上述设计方法和技术路线均已公知公用，所以对于填料密封的详细设计与计算本文不再做具体叙述。设计标准与设计手册只是提出了原则性的设计方法，设计者要根据要根据具体情况如规格、参数等要素和具体工作条件进行个性化分析研究，对于在复杂环境条件工作，以进行模块化设计，便于拆装和检修。

2.3 软填料材料的选择

根据带式输送机改向滚筒旋转线速度较低、流体压力不大、运行温度不高而浸渍污物侵蚀磨损比较严重的特点。决定选用软填料品种中的聚四氟乙烯恒浸渍填料（PTFE），该产品是近年来开发研制的新材料，PTFE软填料是由纯聚四氟乙烯塑料加工成纤维经编制而成，它除了具备密封件所具有的良好性能外，还能与特种润滑剂相配合，避免渗透泄漏、污水侵蚀、耐磨损、摩擦系数低等而且还可以耐候多种化学品的侵蚀。缺点是对高温（200°）和高线速度（8m/s）比较敏感，但是煤矿用带式输送机改向滚筒则不会出现上述现象，所以不需考虑问题的后果。

具有“防污墙”功能的改向滚筒设计制造完毕，经地面检验试验合格后，便投入井下集中运输顺槽的SSJ1000/2*75型可伸缩胶带输送机上安装使用，分别装在带式输送机的机尾改向部、机头储带仓的固定改向部和张紧车的改向部，在连续10个月的使用时（下转125页）

（上接124页）间内，先后经过顶板淋水、煤尘侵蚀和煤泥水浸泡等影响，始终工作正常。随后随输送机升井检修，在将改向滚筒轴承盖打开后，轴承腔洁净如初，密封效果达到了要求，但在检查滚筒轴的填料密封外端部位后发现有局部锈蚀，说明PTFE软填料对轴的润滑供应不均，也就是压力分布不均，填料补偿不到位。根据这一额问题又设计了第二代改向滚筒，在填料函加装了恒压紧装置，然后又再次随输送机投入井下使用，经一年的使用未在出现上述锈蚀问题。目前带有“防污墙”功能的改向滚筒已在开滦钱家营矿的SSJ1000/2*75 、SSJ800/2*40等多部胶带输送机上使用。

参考文献：

[1]蔡仁良 顾伯勤 宋鹏云《过程装备密封技术》北京化学工业出版社

[2]徐灏 《密封》北京 冶金工业出版社

[3]徐鸣鹤 新型填料密封在水泵上的应用 《润滑与密封》