高壓離心風機軸承箱密封改進設計研究

來源：上海沃克通用設備有限公司 2023.07.27 4206

高壓離心風機是一種用途非常廣泛的工藝設備，在廢氣治理、石油化工、精細化工、集成電路、顯示玻璃等行業都有大量的使用案例。該設備通常與自動化生產線動態連鎖，生產負荷增大時，高壓離心風機通過變頻器升頻運行，提高轉速，從而提高流量和壓力;生產負荷降低時，高壓離心風機降頻運行，降低轉速，從而降低流量和壓力。該設備的正常運轉關聯著整個生產線的可靠性，甚至關聯到產品的合格率和產量。在有些工藝過程中，如果高壓離心風機故障，不但會造成產品報廢廢氣濃度超標，更嚴重的會導致有毒有害廢氣逸散，導致人員傷亡，造成巨大的經濟損失和安全事故。

因此，各風機廠家都在研究提高風機的可靠性，延長風機的第一次大修時間。使用更好的軸承、提升機械加工精度、提升動平衡品質、利用高精度激光對中儀提高對中度等，都能有效地降低風機的故障率。但在研究的過程中，發現有一個部件的研究被大多數工程技術人員忽略了，那就是對軸承箱密封的研究。軸承箱密封設計和使用不合理會導致軸承箱漏油，造成軸承缺油損壞，另外也會污染環境。本文將針對4種常見的軸承箱密封形式展開研究

常用的軸承箱密封形式與現狀

目前，風機行業軸承箱常用的密封有填料密封、迷宮密封、骨架油封、軸承箱隔離器4種形式。填料密封一般采用毛氈作為填料，使用時將毛氈裝入密封槽內，通過對密封壓板上的螺栓緊固對填料施加預緊力，利用壓力使得毛氈擠壓變形，使其緊緊抱在軸上，同時利用毛氈的吸附能力起到密封的作用。毛氈具有天然彈性，呈松孔海綿狀，可存貯潤滑油和防塵。軸專轉時，毛氈又將潤滑油從軸上刮下反復自行潤滑。在此基礎上，市場上逐漸出現了PTFE填料、芳綸填料陶瓷纖維填料等多種填料材料。

迷宮密封是另外一種常見的密封形式。迷宮密封是在密封腔和旋轉軸之間，由一組密封齒片形成一系列有規則的節流間隙和膨脹空腔，當油氣流過密封齒與軸表面構成的間隙時，油氣受到一次節流作用，油氣的壓力和溫度下降而流速增加，經過間隙之后是2個密封齒形成的較大空腔，油氣在這一空腔內速度下降形成渦流動能衰減。類似的，油氣多次經過間隙和空腔，動能逐步衰減，隨著油氣流經間隙和空腔數量的增多，油氣的流速和壓降越來越大，待壓力降至近似背壓時，壓力差接近0，油氣不再繼續外流，從而實現了油氣的密封。

骨架油封也很常見。骨架油封結構由三部分組成:油封體、加強骨架和自緊螺旋彈簧。通常，在自由狀態下的骨架油封，其內徑比軸徑略小，也就是內徑相對于軸具有一定的過盈量。當骨架油封裝入密封槽內后，油封密封唇的彈性和彈簧的收縮力對軸產生徑向抱緊力遮斷泄漏間隙，從而起到密封的作用。投入運行后，由于密封唇和軸的摩擦，該壓力會逐漸變小，這時彈簧可在一定范圍內補償油封自緊力，持續保證密封效果。

軸承箱隔離器是近十年出現的新型密封產品，是在復合迷宮密封的基礎上發展起來的一種非接觸密封形式。其機構由靜環、動環、浮動環組合而成，靜環阻止潤滑油泄漏并帶有回油孔，動環防止外界污染物進人軸承箱。浮動環連接動環與靜環，將其鎖定為一個整體，這個整體結構同時具有蒸汽阻隔作用。動環和靜環上使用的是O型圖密封，軸承隔離器是一種非接觸、無磨損的軸承保護裝置。當設備運行時，動靜環之間不接觸，所以沒有功率損耗，同時利用自身結構特點防止漏油。

各類型密封形式的優缺點分析

填料密封、迷宮密封、骨架油封、軸承隔離器 4種軸承箱密封形式都較為常用，也各有優缺點，應用場合各不相同，下面通過數據加以比較和分析。

填料密封是一種最常用的密封形式，其填料可以是毛氈、PTFE、芳綸、石墨、陶瓷纖維等多種材料，不同的填料使用的環境和要求不盡相同。這種密封的特點是結構簡單、成本低、體積小，可使用不同材料制作，使用溫度范圍-120~600C，線速度根據填料不同而不同，毛氈填料最大線速度不超過10m/s，聚四氟乙烯填料不超過20m/s，芳綸填料不超過15m/s，石墨繩填料不超過10m/s。密封壓力一般為常壓，最高也不超過0.05kPa。

填料密封的缺點是壽命較短，高轉速下3一6個月就需要更換。因填料與軸長期接觸且有一定壓力，軸高速運轉導致填料與軸同時磨損，進而密封間隙增大導致漏油。更換時需要將軸承箱與動力單元和負載拆開才能更換填料，維護工作量相對較大。填料磨損后的粉末也容易進人軸承箱，對軸承箱內的潤滑油造成污染，導致潤滑油提前變質失效。

迷宮密封也是軸承箱常用的密封方式，通常在軸承箱端蓋和軸上錯開加工環槽，利用多道密封齒和環槽產生的摩阻效應和流束收縮效應降低潤滑油壓頭和動能，阻擋潤滑油泄漏。這種密封在高轉速條件下具有良好的密封效果，無需潤滑、無摩擦、基本上無需維護、功率損耗小、使用壽命長、耐高溫、耐腐蝕。線速度可達80m/s，使用溫度范圍-120-600C，使用壽命可達6年以上。

密封壓力一般為常壓，最高不超高 1kPa。缺點是加工精度高導致成本較高，裝配精度高，對軸跳動有嚴格要求，20mm以下的軸徑無法使用迷宮密封。更換時需要將軸承箱與動力單元和負載拆開才能更換，對維修人員的素質要求較高，維護工作量相對較大骨架油封在軸承箱密封中也比較常用。骨架油封安裝位小，軸向尺寸小，使機器緊湊，價格便宜,通用性好，材質橡膠耐油性好，彈簧能自動補償磨損間隙，有很好的防塵能力，無需維護，有一定的耐腐蝕能力，密封壓力可達200kPa，對軸跳動不敏感，裝配精度要求不高。缺點是功率損耗大，密封壽命短，一般使用壽命為3一12個月。由于其材質和結構所限，所以使用時不能承受高溫。丁睛橡膠骨架油封使用溫度-15~150C，狐橡膠骨架油封使用溫度-40~300C。骨架油封不能用于高轉速的軸承箱密封，線速度不超過20mm/s。更換時需要將軸承箱與動力單元和負載拆開才能更換，維護工作量相對較大。

軸承箱隔離器是一種新型密封產品，可根據客戶要求定制，目前在風機行業使用非常少，但這種密封形式優點明顯，應引起工程技術人員重視。軸承箱隔離器結構緊湊，厚度通常為830mm，不增加軸承箱長度，也不需要對軸承箱結構進行改型設計。這種隔離器通常采用動靜環設計，動環與軸面通過O型圖過盈配合;靜環與軸承箱端蓋密封槽也通過O型圈過盈配合，不需要在軸上開槽或安裝軸套，直接按壓推入即可安裝完成，安裝非常方便。

動環和靜環運轉時不接觸，無磨損，壽命長達6年以上。無功率損耗，無溫升。動環密封嚴密，有良好的防塵效果其內部的浮動環靜態時能防止水蒸氣進入軸承箱內部大幅提高軸承壽命，提升軸承箱傳動系統的可靠性。軸承隔離器通常采用磷青銅合金或不銹鋼制成，有一定的耐腐蝕抗銹效果。使用溫度范圍寬，-40一200C均可使用。

密封壓力一般為常壓，最高不超高0.0kPa。其采用對稱截面設計，轉速轉動時顫動小，最大使用線速度可達60~90m/s(型號不同最大線速度會有差異)對軸的加工精度要求不高，軸徑向跳動容差可達30絲軸向竄動容差可達50絲。安裝方式靈活多樣，可代替骨架油封采用內裝方式，也可以采用外裝形式以方便拆裝，但密封效果均不受影響。外漏部件均為金屬，耐UV照射，不易老化。其使用的O型圈均為標準件產品用戶可自行更換。其缺點是加工工藝復雜，加工精度高成本高昂，與骨架油封相比，其成本高出7~10倍拆卸時需要專用工具和特殊手法，否則拆卸時容易損壞通過以上分析研究，軸承箱各密封形式各有優缺點對比見表。

項目改造案例

上海金山化工區某聯苯環氧產線項目使用了12臺高壓離心風機，風量28000m3/h，靜壓23000Pa，電機功率250kW，轉速2980r/in，采用軸承箱稀油潤滑該批風機于2018 年3月投入使用，初期使用性能穩定運行工況良好。18個月后逐漸出現軸承箱固定軸承端漏油現象。該批風機軸承箱密封采用的是氟橡膠骨架油封線速度約為15.6m/s。在現場查看時發現，漏油問題是由于骨架油封磨損間隙增大導致的。由于該生產線是企業重要的生產資料，停機維修會帶來巨大影響，所以決定對軸承箱密封進行改造，提升密封可靠型。為了盡量減少停機時長，決定利用原軸承箱密封端蓋改造，非標設計符合技術要求的密封形式。綜合現場條件和要求設計指標為密封設計壽命為48000h，最大線速度30m/s以上，利用摩擦力安裝，沒有條件使用螺栓壓緊，該廠環境有一定的腐蝕性，密封件需要耐腐蝕，能防塵防水保護軸承，后期更換應能快速完成。綜合以上要求，研究分析后發現只有軸承隔離器能滿足要求。最終設計方案為軸承隔離器動環，靜環一體式設計和裝配，靜環外側設計2個0型圈以增加其密封性，動環內側也設計2個O型圈增加抱緊力，防止產生軸向位移。在動環和靜環之間設計O型圈浮動環，既能防止動環與靜環摩擦也能減小空腔體積，進一步降低泄漏風險。靜環上設計回油槽和回油孔，由于回油量較大，回油孔設計成長孔結構,以增大回油量。為了提高裝配精度,實現快速安裝在靜環上設計定位臺階，該臺階與軸承箱端蓋配合定位設計方案如圖所示。

改進后的實際使用效果

改進后，該軸承隔離器安裝方便，運行穩定，取得了立竿見影的效果，動環和靜環同心度僅差3絲，溫度未見明顯上升。12臺高壓離心風機再未出現漏油情況。民機振動、軸承溫度等各項指標均正常。連續觀察16個月后軸承隔離器未見明顯變化，證明該改進方案可靠有效。

結語

截至目前，該軸承隔離器的設計方案已在數十個項目上得到驗證。相較于傳統的軸承箱密封，軸承隔離器是一種較為先進的密封形式，其動靜環的非接觸設計，能大幅提高密封的可靠性和使用壽命，同時還具有安裝方便、軸徑向跳動容差大、能隔離水汽和灰塵、耐腐蝕、轉速高、功率損耗小的特點。軸承隔離器的正確使用能將軸承的壽命提升4~5倍。隨著軸承隔離器設計技術和加工技術的發展，成本有望大幅降低，其市場占有率也在不斷提高，逐漸替代傳統的軸承箱密封已成為趨勢。

參考文獻:

[1]成大先，機械設計手冊·第三卷(第5版)[M].北京:化學工業出版社2008

[2]顧永泉。機械密封實用技術[m].北京:機械工業出版社,2001.