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摘要:
水下密封是凝汽器在線清洗機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。目前采用的機(jī)械密封具有密封可靠、泄漏量小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)制造加工精度及安裝技術(shù)要求高，維護(hù)不便。本文設(shè)計(jì)的組合密封方式，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護(hù)密封及防水密封潤(rùn)滑脂，形成組合密封，真正實(shí)現(xiàn)了凝汽器在線清洗機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)“零泄露”，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、易于維護(hù)，目前已成功應(yīng)用到海水型凝汽器在線清洗機(jī)器人產(chǎn)品中。
關(guān)鍵詞：
水下密封、旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封、O形圈、外徑壓縮、防水密封潤(rùn)滑脂、零泄露
0 引言
凝汽器長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于水質(zhì)和溫度等原因，凝汽器冷凝管內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，從而導(dǎo)致凝汽器傳熱性能下降從而影響電站機(jī)組經(jīng)濟(jì)性【1】。因此，電廠必須定期對(duì)冷凝管清洗。凝汽器在線清洗機(jī)器人是目前較環(huán)保、高效的一種清洗方式，其利用機(jī)械臂將高壓水噴頭對(duì)準(zhǔn)冷凝管中心，然后高壓噴頭進(jìn)入冷凝管清洗【2】。因機(jī)械臂長(zhǎng)期置于水室中運(yùn)行，內(nèi)部有伺服電機(jī)、編碼器等精密器件，不得有水進(jìn)入內(nèi)部，故密封尤為重要 。
凝汽器清洗機(jī)器人機(jī)械臂的密封分為靜密封和動(dòng)密封兩種，靜密封相對(duì)較容易解決，其旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)密封確是難點(diǎn)。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸孔間會(huì)存在配合間隙，就會(huì)產(chǎn)生泄露。而且水室中的循環(huán)水多取自江河水，部分為海水，水介質(zhì)中的氯離子、微生物等產(chǎn)生的腐蝕作用，以及硬質(zhì)雜質(zhì)如泥沙等產(chǎn)生的磨損，均會(huì)影響機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封。
1 研究背景
凝汽器在線清洗機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)合為可能有海水倒灌、含泥沙的水室，部分為氯離子濃度≤20g/L的海水水室，含固量為10%。水室中定期會(huì)添加阻垢劑等酸性或堿性溶劑。水下壓力小于0.6MPa，溫度：5℃~55℃。機(jī)械臂兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速限制為100r/min,減速比分別為：242.1,150.1，即關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速<0.41r/min，第二關(guān)節(jié)<0.66r/min。機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)幅度正反各180°。密封要求內(nèi)部水位不得到達(dá)電機(jī)位置，壽命為8年。
目前，凝汽器在線清洗機(jī)器人機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)多采用機(jī)械密封。 機(jī)械密封的工作原理是靠一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸線做相對(duì)滑動(dòng)的端面，在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力(或磁力)作用下保持貼合，端面間維持一層極薄的液體膜并配以輔助密封而達(dá)到阻止介質(zhì)泄漏的目的。其理論密封性能可靠、泄漏量小、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)要求低，能在各種溫度、壓力及腐蝕介質(zhì)、含顆粒介質(zhì)等工況條件下使用【3】。因密封端面潤(rùn)滑液膜的存在，機(jī)械密封并不能做到零泄露。我國(guó)JB/T 4127.1—2013《機(jī)械密封技術(shù)條件》中規(guī)定，平均泄漏量軸(或軸套)外徑不大于50mm時(shí)不超過(guò)5ml/h,軸(或軸套)外徑大于50mm時(shí)不超過(guò)3ml/h【4】。除此外，機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造加工精度要求高，安裝與維修比較麻煩，要求工人有較高的技術(shù)水平，發(fā)生偶然性事故時(shí)，處理較困難【3】。
2 機(jī)械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封設(shè)計(jì)
水下旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封除機(jī)械密封外，還有O形圈密封、組合密封、迷宮密封、磁流體密封等多種密封方式。這些密封各有優(yōu)缺點(diǎn)，其比較見(jiàn)表1?！?】凝汽器在線清洗機(jī)器人機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封介質(zhì)為水，故磁流體密封方式不適用。迷宮密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝拆不便，也不作為考慮。組合密封因其結(jié)合了聚四氟乙烯自潤(rùn)滑及O形圈的彈性補(bǔ)償作用，在旋轉(zhuǎn)密封中使用較廣，但一般結(jié)構(gòu)尺寸小，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)直徑達(dá)到200mm以上，沒(méi)有適用規(guī)格；且組合密封對(duì)軸的硬度要求較高，旋轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)了之后軸上磨損會(huì)導(dǎo)致泄露。使用O形圈作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封應(yīng)用的不足：一是啟動(dòng)摩擦阻力大，易引起忽滑忽粘的爬行現(xiàn)象；二是如果使用不當(dāng)易引起O形圈扭、切、擠等事故，三是“卡夫-焦耳效應(yīng)”在軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)加速O形圈老化，并把轉(zhuǎn)軸研磨成一條環(huán)形溝痕，最終導(dǎo)致泄露。【6】
用O形圈實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)密封，其原理：O形圈預(yù)壓變形后密封面產(chǎn)生大于液體壓力的接觸壓力。當(dāng)O形圈橡膠受熱后，一般會(huì)發(fā)生膨脹，但在拉伸狀態(tài)受熱則劇烈收縮，這就是“卡夫-焦耳效應(yīng)” 【7】。選擇O形圈作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封的首要條件是避免“卡夫-焦耳效應(yīng)”。因此，在選擇O形圈作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封時(shí)，在保證足夠的密封面接觸壓力的基礎(chǔ)上盡量減小摩擦力、避免變形。故采取外徑壓縮量的設(shè)計(jì)方法， O形圈外徑大于密封溝槽的內(nèi)徑，外徑壓縮率3%-8%【8】;O形圈的內(nèi)徑稍大于旋轉(zhuǎn)軸徑；同時(shí)密封面涂抹潤(rùn)滑脂，避免干摩擦，減緩了這種磨損的惡性循環(huán)，且摩擦阻力減小。同時(shí)，應(yīng)盡量選擇大截面直徑的O形圈，且O形圈的硬度以邵氏硬度HS70~80為宜。根據(jù)凝汽器水室的循環(huán)水環(huán)境以及密封壽命要求，O形圈材質(zhì)取氟橡膠材質(zhì)，硬度HS75，其耐海水腐蝕性基本同丁晴橡膠，但耐化學(xué)腐蝕性及耐候性及耐老化性能優(yōu)于丁晴橡膠，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性達(dá)20年。除此之外，應(yīng)盡量選用分型飛邊不明顯的或者45度分型的O形圈。
其中，D2為O形圈在自由狀態(tài)下的實(shí)際外徑(mm)，D1為O形圈溝槽底直徑(mm)。以機(jī)械臂一關(guān)節(jié)為例，進(jìn)行O形圈設(shè)計(jì)計(jì)算，一關(guān)節(jié)軸徑設(shè)計(jì)為D=φ266mm，選擇O形圈線徑為7mm,內(nèi)徑為φ276，設(shè)計(jì)溝槽底徑為φ278mm,此時(shí)外徑壓縮率為4.1%。
為保證密封的可靠性，采用雙O形圈，且兩O形圈溝槽中間設(shè)置油槽，裝配時(shí)在其中填充防水密封潤(rùn)滑脂或者空壁上對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑油槽的位置打一小孔，壓入潤(rùn)滑脂【7】。潤(rùn)滑脂采用防水密封潤(rùn)滑脂，是一種高粘附性防水密封硅脂，具有抗腐蝕性，同時(shí)具備潤(rùn)滑和輔助密封作用。
由于水室中的水介質(zhì)中含有泥沙，故主密封外需增加一道保護(hù)密封用來(lái)?yè)跄嗌?。一般情況下?lián)跄嗌巢捎妹珰置芊?，但機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)尺寸相對(duì)較大，毛氈斜切口的銜接有導(dǎo)致泄露的風(fēng)險(xiǎn)。采用PTFE密封環(huán)作為保護(hù)密封。PTFE密封環(huán)外圈與殼體之間為過(guò)盈配合，內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)軸配合，密封面涂抹防水密封潤(rùn)滑脂。密封截面為矩形，在運(yùn)動(dòng)的接觸表面加開(kāi)了兩個(gè)儲(chǔ)油槽，在減小接觸面積的基礎(chǔ)上儲(chǔ)油槽內(nèi)部油脂起潤(rùn)滑作用，降低摩擦阻力。PTFE具有化學(xué)穩(wěn)定性、耐高低溫性能、摩擦系數(shù)低、自潤(rùn)滑性等優(yōu)良性能。因其摩擦系數(shù)低的特性，可自潤(rùn)滑，可運(yùn)用于旋轉(zhuǎn)、搖擺、往復(fù)運(yùn)動(dòng)之中?！?】圖3為采用新的密封結(jié)構(gòu)的海水型機(jī)械臂。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證上述密封結(jié)構(gòu)的用于凝汽器在線清洗機(jī)器人機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封性，按照一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及尺寸制作如圖4、5所示工裝進(jìn)行驗(yàn)證。
外殼腔體內(nèi)注滿水，模擬水室環(huán)境添加10%泥沙，添加鹽使得氯離子濃度為20g/L，加壓達(dá)到0.6MPa并保壓。機(jī)械臂運(yùn)行1年清洗20次，清洗一根冷凝管1分鐘 ，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)5秒，按10000根冷凝管計(jì)算，清洗一次約7天，則8年大臂關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為8*20*7*24*5/60=2240小時(shí)。為縮短測(cè)試周期提高至4倍轉(zhuǎn)速測(cè)試，運(yùn)行560小時(shí)即滿足8年密封壽命。
560小時(shí)候測(cè)試結(jié)果如圖6、7所示，內(nèi)部保持無(wú)可見(jiàn)液態(tài)水，泥沙堆積在密封結(jié)構(gòu)外。測(cè)試過(guò)程中對(duì)摩擦阻力矩進(jìn)行監(jiān)控，如圖8所示，力矩值比較穩(wěn)定。
目前，該密封測(cè)試工裝測(cè)試1200小時(shí)，超2倍壽命，依舊保持內(nèi)部干燥，無(wú)可見(jiàn)液態(tài)水。
4 結(jié)論
驗(yàn)證結(jié)果表明，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護(hù)密封及防水密封潤(rùn)滑脂，形成組合密封的密封方案適用于凝汽器在線清洗機(jī)器人使用工況，在對(duì)應(yīng)的速度、壓力下可實(shí)現(xiàn)有效密封，真正實(shí)現(xiàn)零泄露。同時(shí)，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆裝、便于維護(hù)，目前該結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用到海水型凝汽器在線清洗機(jī)器人產(chǎn)品中。
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