犁刀式混捏机新型密封系统的开发与应用

犁刀式混捏机新型密封系统的开发与应用

李昊

中石化催化剂长岭分公司，湖南岳阳  414000，

1背景

在众多的粉体混合设备中，犁刀式混捏机是一种高效的混合设备，

这种混捏机具有混合均匀度高、能耗低、速度快、产量大等优点，能进行粉体与粉体、粉体与液体、粉体与颗粒的混合，在制药、食品、化工、陶瓷、耐火材料、砂浆等领域得到广泛应用。

生产过程中犁刀式混捏机密封频繁泄漏，漏灰严重，现场操作需戴防尘面罩，工作环境恶劣。不仅对环境造成严重污染，而且由于粉体泄漏，液体与粉体的比例与理论值存在一定偏差，不符合生产要求，影响产品质量和产量，降低了收率和企业效益。

表1为30天内卧式犁刀混捏机的运行生产情况。

表1  30天内犁刀混捏机的运行情况

1.2  原因分析

卧式犁刀式混捏机主要由传动机构、主轴、犁刀搅拌器、筒体、飞刀组、进出料阀、喷淋装置等组成，主轴上装有数把犁刀搅拌器，在与筒体主轴成一定角度位置上装有4组飞刀。工作时，粉体物料由进料口进入混捏机筒体，随后液体经喷淋管喷进，由于液体的添加而形成结团的物料在一定转速(148r/min) 的犁刀搅拌器作用下，沿筒体圆周作径向湍流运动，并沿犁刀两侧的法线方向抛出，当径向湍流的物料流经高速旋转的飞刀(2900r/min) 时，被强烈剪切打碎、分散，物料在犁刀和飞刀的复合作用下，不断的掺混、扩散、翻动，从而在极短的时间内达到均匀的混合。

该混捏机有主轴两端与筒体、四组飞刀与筒体共六个动密封点，

主轴密封结构为填料密封加气封结构。该结构填料密封中设置气体分配环，要求通入气体压力大于混捏机内腔工作压力，气体分配环与大气接触侧填料处于密封状态，防止气体外泄，与混捏机内腔介质接触侧密封为失效状态，允许少量气体进入混捏机内腔，防止粉体颗粒进入密封腔引起密封失效。

该密封方案能有效的阻止粉体颗粒进入密封腔，防止轴面磨损造成泄漏。但从卧式犁刀混捏机的运行情况来看，存在主轴、飞刀与筒体密封频繁泄漏的问题，分析原因如下：

(1)粉体物料（氢氧化铝）为白色颗粒状多孔性物质，粒度均匀，表面光滑，流动性极强；混捏机一次进料量为300~400KG，筒体容积有2.78m3，进料时间为90秒，粉体物料进入筒体后，筒体内气体不能及时排出去，使筒体内腔形成正压，粉体颗粒进入密封面，密封表面磨损而导致密封处泄漏；

(2)由于粉体与液体助剂在混捏过程中会放热，水蒸气与粉凝结在布袋上易结垢，使布袋透气性差。这样使混捏机内腔正压较大，使物料从主轴轴封处泄漏。

(3)在实际生产操作过程中，混捏机的进料量接近最大设计量，物料填充位置高于主轴位置，使物料易从主轴轴封处泄漏。

(4)混捏机现有的密封采用传统的粉体密封结构，即填料密封加气封，由于混捏机在混粉过程中主轴会发生颤动造成填料不规则磨损；压紧的填料与轴套之间摩擦力加大、发热，造成填料磨损；犁刀式混捏机经过一定时间使用之后因为填料磨损形成间隙，此时进入风环的风带动粉尘从填料压盖漏出造成密封失效漏料。

2 技术研究目标及多种密封的开发

2.1技术研究目标

经检索，类似混捏机主轴这种工况的密封问题，无论国内或者国外均没有较好的解决方案。故如何从根本上解决犁刀式混捏机密封问题或寻找一种使用寿命更长的密封，使犁刀式混捏机密封使用寿命由2~3天提高到三个月以上。

为了达到项目的研究目标及技术经济指标，结合项目研究背景存在的主要问题，拟通过对犁刀式混捏机的密封装置失效进行分析，选择一种或几种组合的，能适应混捏机工况的机械密封装置，同时优化工艺操作、改进混捏机附属设施，以提高犁刀式混捏机主轴及飞刀密封的使用寿命，改善环境，提高加氢催化剂的产品质量、产量和收率。

2.2多种密封的开发

2.2.1 车恒德（车氏）密封结构分析

经查阅相关文献，有一种车恒德（车氏）密封曾先后在Y-11、Y-22、FBC-1（飞豹）飞机起落架、装甲兵器、军用工程机械等军工产品及民用机械上连续工作达数年之久。解决了多年的泄漏和摩擦力大的技术难题，成倍提高了使用寿命。且在粉尘领域也有相当不错的业绩。

车氏轴齿形重载密封采用增强PTFE齿形滑环与特殊材料O型圈组成，具有自行弹性补偿、高寿命、低摩擦，耐磨损的能力，适用于酸、碱、油及泥砂、粉尘密封；而车氏防尘圈由高强度、高耐磨的特种聚合物制成，具有自动弹性补偿功能，使泥沙无法进入；一旦防尘环内孔出现磨损，防尘环可自动抱紧轴上或贴紧防尘表面，以消除磨损间隙，从而提高刮尘效果与工作寿命。

选用车氏密封的主轴密封结构，即车氏组合密封加气封结构。经试用，车氏组合密封装置使用周期达到一个月（见表2）：

表2  30天内犁刀混捏机的运行情况

改造后的车氏组合密封在使用效果上远远好于原装密封，但是并没有从根本上解决主轴密封的问题，究其原因都属于填料密封，轴与密封处于干磨的状态，经历发热、磨损、密封失效的过程，因此填料密封不是混捏机主轴密封的最优选择。

2.2.2 弹簧式机械密封结构分析

机械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点，在石油、化工、轻工、冶金、机械、航空和原子能等工业中获得了广泛的应用。尤其在泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用。据统计，为阻止动力输入轴与壳体间介质的泄漏， 国外化工流程中95%左右的旋转设备采用了机械密封。随着工业的发展以及环境保护的需要,人们对机械密封性能又提出了更高的要求。尤其是随着新理论、新技术的支持，长寿命、低泄漏率、高参数的机械密封产品应运而生。

犁刀式混捏机属于搅拌混合类设备，工况为常温常压，且设备内介质为氢氧化铝加稀硝酸溶液，为避免设备内介质对机械密封弹簧的腐蚀、堵塞，这类工况一般选用弹簧受保护的静止式机械密封。图6所示的机械密封为弹簧受保护的静止式双端面机械密封，其介质端的密封为主密封，用于密封设备内的输送介质，大气端的密封为辅助密封，主要用于密封背部冲洗水。该类型的机械密封与介质直接接触的零部件相对较少，弹簧在密封正常使用的情况下完全不与介质接触，这种结构可以有效避免介质对弹簧的腐蚀、磨蚀以及堵塞造成的密封失效。此种结构的密封现已被输送矿浆类介质的设备大量采用。

鉴于混捏机运转过程中振动较大，主轴跳动厉害，采用此类型机械密封时，易发生如下问题：

(1)由于混捏机压力为常压，动静环密封面的贴合力主要由弹簧力提供，弹簧的弹力由弹簧的物理变形产生，当设备产生振动时，机械密封的动环会沿主轴上下微量窜动，这个窜动量会随设备的振动的加大而增加。这就需要弹簧及时的产生变形提供弹力以使动静环密封面始终处于贴合状态并具有一定的贴合力。当这个窜动量不大于0.5mm时，通过弹簧的弹力变形是能有效保证动静环密封面的贴合度的。但随着振动的增强，当窜动量超过0.5mm时，密封面的贴合就比较难保证了，这就有可能造成密封面的瞬间开合，密封泄漏。

(2)由于该设备在运转过程中振动较大，主轴跳动量最大达到2mm，在这种因素下会造成密封端面与主轴中心线不垂直，产生偏摆。这就会使得动静环密封面环带面积上的贴合力不均匀，贴合力大的地方易加剧磨损，贴合力小的地方易出现泄漏。最终会导致密封面的不均匀磨损，密封失效。

2.2.3 气压闭合型机械密封结构分析

气压闭合型机械密封是一种以气体压力替代传统弹性元件弹力作为机械密封密封面初始闭合力的机械密封装置，该类型的密封装置能弥补传统弹性元件物理机械性能的不足，使得密封面的初始闭合力随时可控、可调，使得机械密封密封端面的贴合度及追随性能更佳，从而提高了机械密封的可靠性及使用寿命，从而可以扩大机械密封的应用范围。

气压闭合型机械密封原理是将机械密封中的静环作为机械密封的补偿环，在补偿环（静环）的背部设置有压力腔，将补偿环（静环）插入压力腔后会形成一个环形气缸的结构形式，通过将具有一定压力的气体引入压力腔，使得气体压力通过压力腔作用于补偿环（静环）背部，以使得气体压力作为机械密封中密封面所需的初始闭合力，且这种闭合力可以随着外部气压的变化进行调整，对密封效果进行有效补偿。

气压闭合型机械密封优点：

(1)由于动静环密封端面的初始闭合力由具有一定压力的气源提供，其作用于静环背部的压力均衡性得到有效保障，动静环端面的贴合力相比普通弹簧式机械密封更均衡。可以有效避免因密封运转过程中密封端面局部受压力较大产生的不均匀磨损，有助于维持密封端面间的液膜完整性，有效提高密封面的耐磨性从而提高密封的使用寿命。

(2)外接压力气源在机械密封运转过程中随时可调可控，可以弥补弹簧式机械密封在使用一段时间后弹簧疲劳造成的弹力下降，密封面贴合力不够而导致的密封失效。

2.2.4  气压闭合型机械密封定型

综上所述，比较填料密封、弹簧式机械密封和气压闭合型机械密封，气压闭合型机械密封具有：

(1)没有弹簧，相对于弹簧机械密封来讲，即使密封端面出现微量泄漏也不会像弹簧式机械密封那样造成弹簧堵塞，弹力下降，使得密封面的泄漏量急剧增大。

(2)该类机械密封的端面贴合力来源于一定压力的气体，由于气体自身的膨胀特性，在密封使用过程中如果出现轴向窜动或径向跳动，气压会根据密封面的贴合情况及时给出反馈；其作用于静环背部的推力可以得到及时的补给，且动静环密封面的贴合力始终保持均衡且贴合力度不变。这就使得静环端面和动环端面的追随性得到有效保障，从而提高机械密封的使用性能。而普通弹簧式机械密封在遇到同样的情况时，弹簧会根据密封端面的窜动和偏摆被强制压缩或自动伸长，特别是在伸长时，弹簧自身特性使得其反馈速度不如气体压力迅速，有可能在一定的窜动量下，密封面成瞬间打开状态。在轴向窜动的情况下，弹簧式机械密封端面的贴合力是呈现出一种时大时小的状态，而在偏摆跳动的情况下会出现密封面整个圆周上受力不均。这都是不利于密封运转的。为了有效缓解密封干磨、发热而磨损失效，引入冷却水对密封面起到冷却、润滑、冲洗杂质的作用，因此，混捏机主轴密封最优改造方案为气压闭合型（气压辅助）机械密封加弹簧式机械密封，在大气侧密封增加弹簧式机械密封起到密封冷却水的作用。

3  技术创新点

3.1  气压闭合型机械密封的应用

气压闭合型机械密封是通过改变闭合力来实现密封的可控型机械密封，是近年来开发出的一种新型的机械密封，在长岭分公司属首次应用，国内外应用到犁刀式混捏机上也是先例。在实际应用中还要摸索操作流程和规范，找出理论计算值与操作值之间的误差，并及时的补偿。气压闭合型机械密封的成功应用必将改善操作环境，减少浪费，提高综合效益。

3.2 气压闭合型机械密封引入冷却水

事实上，无论混捏机主轴随机密封还是车氏密封，其最终原理还是传统的填料密封；在工作过程中终处于填料与轴套干磨的状态，经历发热、磨损、密封失效的过程。气压闭合型机械密封引入冷却水，使得机械密封动静密封面在工作过程能够得到及时的冷却、润滑和冲洗杂质，冷却水形成的水膜还对密封面起到保护作用，大大减小密封面因摩擦发热，加速磨损的工况，延长使用寿命。

3.3 模块化设计

气压闭合型机械密封采用模块化设计理念，使得拆卸、安装更方便；在以后的检修中，只对本机械密封中的易损件（标准化）进行更换，减少运行成本。

4  主轴密封的改进措施及现场应用

4.1 主轴密封的改进措施

4.1.1 主轴密封的结构设计

主轴密封结构在气压闭合型机械密封前端设计一套卡环密封对主密封进行保护，而大气侧密封端采用弹簧式机械密封起到密封冷却水的作用。

4.1.2  主轴密封主要参数设计

4.1.2.1  平衡系数（K）的确定

如果作为普通的机械密封，平衡系数会根据工况条件的不同取值大部分在0.55-1.3之间，但由于混捏机内工作压力为常压或微负压，平衡系数对该密封的性能影响几乎可以忽略不计，因此可以根据通过较理想的结构设计来确定平衡系数的取值。

在设计该密封时主要考虑到混捏机内物料接触到密封动静环时对密封的补偿机构尽量不加大补偿机构的补偿力。故在设计中计算出平衡系数值如下：

（1）

式中：d2为密封端面有效接触面外径：170mm

d1为密封端面有效接触面内径：156mm

d0为该密封的平衡轴径：180mm

将上述值带入公式（1）得出平衡系数K=-1.304

从上可以看出其平衡系数值为负值，所以该密封前端所设计的吹气保护压力对于该密封面是一个推开力，因此在下面确定气压入口压力时需考虑吹气入口压力对密封端面贴合力的影响。

4.1.2.2  吹气入口压力（P1）的确定

吹气的作用是阻止设备内的物料进入到主密封与卡环之间，由于混捏机在工作时为常压或微负压状态，因此吹气入口压力只需要大于等于设备内的介质压力即可。因此取注入吹气口的压力P1=0.1MPa。

4.1.2.3  气压入口压力（P2）的确定

通过对密封端面的受力分析，得出力的平衡方程：

气压入口作用力（P2）= 密封端面的闭合力（P）+ 吹气口作用力（P1）

得出如下关系式：

（2）

式中：A1为压力腔有效作用环带面积：

为压力腔有效作用外径：180mm

           为压力腔有效作用内径：160mm

将上述值带入式（2）得出A1=5340.7mm2

A0为吹气作用环带面积：

（3）

通过代入数值计算得出：A0=2748.9

A为密封面有效接触面积：

（4）

通过带入数值计算得出：A=3584.6mm2

其中端面闭合力（P）可参考普通机械密封的弹簧比压进行确定，一般绝大部分的密封弹簧比压根据工况条件的差异取值在0.15-0.25MPa之间。由于该密封所使用的工况震动较大，这里根据经验数据将端面闭合力（P）取上限值为0.25MPa。

通过式（2）可以推导出：

                                 （5）

通过代入上述数据计算得出：P2=0.22MPa。

综合考虑密封圈的摩擦阻力对补偿环的阻挡，加入0.1的保险系数，所以气压入口压力最终计算得出：

P2=0.22*1.1=0.242MPa。

4.1.2.4  冲洗水压力（P3）的确定

由于该设备主轴转速较低，因此对于其背部冷却润滑冲洗水的压力及流量要求就相对较低，只要目测有水流动即可，因此根据经验数据给定冲洗水的压力参考值为0.08MPa。

5  成果及应用效果

通过一系列密封开发的研究与探索，最终确定这种气压闭合性组合式密封，应用到生产上30天后达到改造效果如下：

表3  改造后犁刀混捏机的运行情况

期间共生产产品 2835吨，累计运行时间为190天，未出现密封泄漏故障。

 (4)减少了操作工和维修工的工作量。操作工不需每班紧盘根，只需要通过对风压和水流量的调节就达到对密封机构的调整，操作简单方便；

(5)设备故障率大大降低，减少了维修费用。

(6)产品质量得到保证，装置生产顺利。

6  结 论

通过分析犁刀式混捏机密封装置失效的原因，对犁刀式混捏机密封装置的结构进行了设计改进，采用气压闭合型（气压辅助）机械密封加弹簧式机械密封的方案解决了混捏机主轴密封的问题；采用填料加气封再加迷宫密封组合的方案解决了混捏机飞刀密封的问题。特别是气压闭合型机械密封在犁刀式混捏机上的成功应用，有效地解决了混捏机频繁漏粉的问题，实践证明了该密封的可靠性和实用性；

犁刀式混捏机运行过程中主轴密封和飞刀处密封频繁漏粉问题的解决，不仅提高了产量、质量、收率，而且改善了操作环境，减少了工作量和维修费，经济效益和社会效益显著，同时这几种密封装置组合应用的模式，为我们解决类似工况设备密封问题提供了宝贵经验。

7  参考文献

[1]陈德才,崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京: 机械工业出版社,1993.

[2]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册,上册[M].北京：化学工业出版社, P911