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现代大型轧机油膜轴承DF密封技术
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 上海宝山钢铁有限公司 刘龙 雷志云点击:
油膜轴承又称全液体摩擦滑动轴承，由轴颈、轴瓦、、缓冲器等主要部件组成。工作过程中，轴颈和轴瓦之间的油被无限挤压，产生楔形效应，从而形成油膜。油膜将轴颈和轴瓦两个具有高速相对运动的部位分隔开来，形成了液体内摩擦，并具有强大的承载能力，使油膜轴承能够适应现代轧机高速、重载的工况条件，而且具有许多其它类型轴承无法比拟的显著优点，因而在现代大型轧机上得到越来越广泛的应用。
油膜轴承的密封系统是油膜轴承的关键部件，具有二重作用：一方面防止轴承腔体内的润滑油外泄，使润滑油从箱体返回泵站，保证形成连续不断的油膜；另一方面防止外界的冷却水、轧制油（乳化液）及铁屑、灰尘等杂物渗入轴承腔体内，维持轴承的正常运转。如果密封失效，会导致外界杂物侵入，使润滑油污染老化，降低油膜轴承寿命；还会导致腔体内润滑油泄漏，不仅造成大量油的消耗浪费，而且油液会沿轧辊旋转的切线方向甩出，溅落到轧制出的钢带、钢板表面，造成污染，增加退火困难，影响钢带表面质量。因而，改善油膜轴承的密封结构，提高密封件的性能和寿命是发展油膜轴承技术的重要课题之一。
1 结构特点
油膜轴承的密封技术和结构发展经过了几个阶段，目前我国冶金企业大型轧机上使用的主要是第三、第四代密封结构，又简称x型、DF型密封。
X型密封属于第三代油膜轴承密封结构，是美国摩根公司（MORGON）的专利。其特点是密封断面近似于英文字母“x”，密封面有A、B、c、D、E五个唇口（见图l）。D、E是外密封唇口，D为封油唇，E为封水唇，唇口末端厚度一般为5mm左右，与密封挡板接触，靠压缩过盈而起密封作用。DF密封是在x型密封结构上优化改进而产生的，人们称之为第四代密封。DF密封件的断面与x型有所类似，工作原理也基本相同。但在三个方面作了优化（见图2）：
（1）将两个外密封唇口D唇、E唇改为斜角，唇口边缘减薄，加强唇口跟随性。
（2）密封挡板由斜角改为直角，密封件产生轴向窜动时两个唇口压缩量基本相等，唇口就不会出现间隙。
（3）密封的机理采用了负压和泵吸的原理，密封的效果明显加强。DF密封减少了泄漏量，降低了油耗成本，密封件寿命有较大提高，改善了钢板的表面质量。实际生产应用中，x型密封由于过盈量大，密封件磨损严重、寿命短；而且高速旋转时轧辊存在轴向窜动，加之密封挡板带有一定的倾斜角度，D唇口或 E唇口与端盖之问易形成瞬间脱离，以及x型密封唇口厚、跟随性差，易造成漏油严重、系统进水。因此 x型密封已逐渐被DF型密封所代替。
2 DF密封的工作原理
DF密封由铆钉、密封钢带、缓冲器、水封、密封挡板、油封及0型密封圈七部分组成。
（1）密封钢带套在轴颈密封的腰部，作用是防止轴颈在高速旋转作用下的离心力对其形状和尺寸的改变。
（2）缓冲器的铝合金材质使它的转动惯量小，并 具有一定耐腐蚀性。此外，缓冲器还具有轴向定位和 在旋转状态下的甩水作用。
（3）水封可以防止冷却剂的冲灌，使大部分冷却 剂避开轴颈密封圈的封水侧，对DF密封的E唇口有 着保护作用。
（4）密封挡板与油封的接触面上喷涂了耐腐蚀性 能好的氧化铝陶瓷，使密封挡板的使用寿命得以延 长，减少了摩擦损耗。挡板内表面加工了回旋线，轧 辊高速旋转时，螺旋线产生回流，形成泵吸作用，把 渗入油封D唇口和E唇口外侧的油液（或水液）吸人 唇口内侧，减少渗漏，提高密封效果。
（5）油封随着锥套和轧辊同步转动，与密封挡板 产生高速相对运动，几个唇口分工不同，协同作用形 成有效密封（见图3）：1）唇口A、B抱紧轧辊轴颈，起到静密封作用。其中A唇口封油，防止润滑油外泄；B唇口封水，防止外界冷却剂、杂物侵入轴承。
2）唇口C是甩油唇，挡住了从轴承工作面上飞溅出的大量油液，并将油液向远离封油唇的方向甩出，对封油唇起到“保护伞”的作用。
3）唇口D是封油唇，E是封水唇。它们与密封挡板过盈配合、紧贴挡板，与密封面保持一定的接触角度和压力。当密封件随轧辊高速旋转时，把附着在它上面的油液（或水）以一定倾斜角甩出，使液流获得很大的惯性力，该液流可阻止即将通过间隙外流或泄出的油液（或水）流出。同时，因唇面上的油液（或水）高速甩出，故在唇口与密封挡板之问很小的缝隙处产生负压，有助于密封。
3 设计与制造
为确保DF密封的良好密封效果，应对产品材料选型、结构设计和模具设计进行优化。
（1）材料选型及配合时需要考虑的几个方面：
1）良好的耐油性能是选材的前提。在介质老化的过程中，材料应保证体积变化、强力变化及伸长率变化较小，压缩永久变形小。
2）唇口部位恢复及跟随性要求高，胶料应具有良好弹性。试验时，空气中和介质中压缩永久变形值小。
3）制品规格尺寸大、断面复杂、金属嵌件多，硫化成型时，必须考虑到胶料焦烧期、流动性，降低废品率，提高产品外观质量和整体质量。
4）产品长时间高速运转，两个外唇口部位磨损严重，提高胶料耐磨性可以延长产品寿命。
（2）产品结构设计
1）DF密封工作时，D、E唇口与密封挡板陶瓷面之间形成液体动压油膜。油膜的厚度至关重要，薄了会发生干摩擦，降低密封寿命；厚了则易造成泄漏。D、E唇口与密封挡板陶瓷面配合的过盈量和角度直接影响油膜形成的厚度。产品设计应充分考虑这些因素。
2）结构设计时，还应考虑密封沟槽尺寸、各唇口过盈量及角度、配套件、弹簧、钢带尺寸的合理性以及产品整体结构的优化。
（3）模具设计
DF密封产品规格大、断面宽而且有多个唇口、还有金属嵌件，模具型腔复杂，硫化成型时胶料难充模，易产生分层和内部缺陷；硫化启模时，产品薄弱的唇口D、E易产生撕裂。此外，产品还易产生窝气、抽边、缺胶等。模具设计应综合这些因素进行反复优化才能保证产品整体质量。
4 国产化经济分析
DF密封件属于易消耗品，每年需要大量的备件，而我国大型轧机的油膜轴承密封长期依赖进口，存在备件申购周期长、库存成本和产品价格高等缺点。因此推进DF密封国产化工作有着现实的经济意义。以宝钢1580热轧为例，年消耗量120～150件，原DF密封及水封每套进口件基本价格约人民币10000元，国产化后约5000元，每年备件消耗可节约（10000—5000）×（120～150）=（600000～750000）元，经济效益显著。再进一步推广到宝钢全厂，除冷、热轧DF密封备件外，还有相当部分原三菱x型密封需进行技术改造，解决其x型密封泄漏严重的问题，实现国产化后，不但备件成本可以大大降低，还可降低库存量，并得到优质的现场服务。
随着我国密封制造技术不断进步，许多企业已经能够制造出质量和寿命与进口件不相上下的产品，其中广州机床研究所密封分所曾先后在宝钢l420冷轧、武钢、珠钢等冶金企业成功地完成了DF密封件的国产化研制工作，这就为我国DF密封国产化创造了良好的环境。(end)
油膜轴承的密封系统是油膜轴承的关键部件，具有二重作用：一方面防止轴承腔体内的润滑油外泄，使润滑油从箱体返回泵站，保证形成连续不断的油膜；另一方面防止外界的冷却水、轧制油（乳化液）及铁屑、灰尘等杂物渗入轴承腔体内，维持轴承的正常运转。如果密封失效，会导致外界杂物侵入，使润滑油污染老化，降低油膜轴承寿命；还会导致腔体内润滑油泄漏，不仅造成大量油的消耗浪费，而且油液会沿轧辊旋转的切线方向甩出，溅落到轧制出的钢带、钢板表面，造成污染，增加退火困难，影响钢带表面质量。因而，改善油膜轴承的密封结构，提高密封件的性能和寿命是发展油膜轴承技术的重要课题之一。
1 结构特点
油膜轴承的密封技术和结构发展经过了几个阶段，目前我国冶金企业大型轧机上使用的主要是第三、第四代密封结构，又简称x型、DF型密封。
X型密封属于第三代油膜轴承密封结构，是美国摩根公司（MORGON）的专利。其特点是密封断面近似于英文字母“x”，密封面有A、B、c、D、E五个唇口（见图l）。D、E是外密封唇口，D为封油唇，E为封水唇，唇口末端厚度一般为5mm左右，与密封挡板接触，靠压缩过盈而起密封作用。DF密封是在x型密封结构上优化改进而产生的，人们称之为第四代密封。DF密封件的断面与x型有所类似，工作原理也基本相同。但在三个方面作了优化（见图2）：
（1）将两个外密封唇口D唇、E唇改为斜角，唇口边缘减薄，加强唇口跟随性。
（2）密封挡板由斜角改为直角，密封件产生轴向窜动时两个唇口压缩量基本相等，唇口就不会出现间隙。
（3）密封的机理采用了负压和泵吸的原理，密封的效果明显加强。DF密封减少了泄漏量，降低了油耗成本，密封件寿命有较大提高，改善了钢板的表面质量。实际生产应用中，x型密封由于过盈量大，密封件磨损严重、寿命短；而且高速旋转时轧辊存在轴向窜动，加之密封挡板带有一定的倾斜角度，D唇口或 E唇口与端盖之问易形成瞬间脱离，以及x型密封唇口厚、跟随性差，易造成漏油严重、系统进水。因此 x型密封已逐渐被DF型密封所代替。
2 DF密封的工作原理
DF密封由铆钉、密封钢带、缓冲器、水封、密封挡板、油封及0型密封圈七部分组成。
（1）密封钢带套在轴颈密封的腰部，作用是防止轴颈在高速旋转作用下的离心力对其形状和尺寸的改变。
（2）缓冲器的铝合金材质使它的转动惯量小，并 具有一定耐腐蚀性。此外，缓冲器还具有轴向定位和 在旋转状态下的甩水作用。
（3）水封可以防止冷却剂的冲灌，使大部分冷却 剂避开轴颈密封圈的封水侧，对DF密封的E唇口有 着保护作用。
（4）密封挡板与油封的接触面上喷涂了耐腐蚀性 能好的氧化铝陶瓷，使密封挡板的使用寿命得以延 长，减少了摩擦损耗。挡板内表面加工了回旋线，轧 辊高速旋转时，螺旋线产生回流，形成泵吸作用，把 渗入油封D唇口和E唇口外侧的油液（或水液）吸人 唇口内侧，减少渗漏，提高密封效果。
（5）油封随着锥套和轧辊同步转动，与密封挡板 产生高速相对运动，几个唇口分工不同，协同作用形 成有效密封（见图3）：1）唇口A、B抱紧轧辊轴颈，起到静密封作用。其中A唇口封油，防止润滑油外泄；B唇口封水，防止外界冷却剂、杂物侵入轴承。
2）唇口C是甩油唇，挡住了从轴承工作面上飞溅出的大量油液，并将油液向远离封油唇的方向甩出，对封油唇起到“保护伞”的作用。
3）唇口D是封油唇，E是封水唇。它们与密封挡板过盈配合、紧贴挡板，与密封面保持一定的接触角度和压力。当密封件随轧辊高速旋转时，把附着在它上面的油液（或水）以一定倾斜角甩出，使液流获得很大的惯性力，该液流可阻止即将通过间隙外流或泄出的油液（或水）流出。同时，因唇面上的油液（或水）高速甩出，故在唇口与密封挡板之问很小的缝隙处产生负压，有助于密封。
3 设计与制造
为确保DF密封的良好密封效果，应对产品材料选型、结构设计和模具设计进行优化。
（1）材料选型及配合时需要考虑的几个方面：
1）良好的耐油性能是选材的前提。在介质老化的过程中，材料应保证体积变化、强力变化及伸长率变化较小，压缩永久变形小。
2）唇口部位恢复及跟随性要求高，胶料应具有良好弹性。试验时，空气中和介质中压缩永久变形值小。
3）制品规格尺寸大、断面复杂、金属嵌件多，硫化成型时，必须考虑到胶料焦烧期、流动性，降低废品率，提高产品外观质量和整体质量。
4）产品长时间高速运转，两个外唇口部位磨损严重，提高胶料耐磨性可以延长产品寿命。
（2）产品结构设计
1）DF密封工作时，D、E唇口与密封挡板陶瓷面之间形成液体动压油膜。油膜的厚度至关重要，薄了会发生干摩擦，降低密封寿命；厚了则易造成泄漏。D、E唇口与密封挡板陶瓷面配合的过盈量和角度直接影响油膜形成的厚度。产品设计应充分考虑这些因素。
2）结构设计时，还应考虑密封沟槽尺寸、各唇口过盈量及角度、配套件、弹簧、钢带尺寸的合理性以及产品整体结构的优化。
（3）模具设计
DF密封产品规格大、断面宽而且有多个唇口、还有金属嵌件，模具型腔复杂，硫化成型时胶料难充模，易产生分层和内部缺陷；硫化启模时，产品薄弱的唇口D、E易产生撕裂。此外，产品还易产生窝气、抽边、缺胶等。模具设计应综合这些因素进行反复优化才能保证产品整体质量。
4 国产化经济分析
DF密封件属于易消耗品，每年需要大量的备件，而我国大型轧机的油膜轴承密封长期依赖进口，存在备件申购周期长、库存成本和产品价格高等缺点。因此推进DF密封国产化工作有着现实的经济意义。以宝钢1580热轧为例，年消耗量120～150件，原DF密封及水封每套进口件基本价格约人民币10000元，国产化后约5000元，每年备件消耗可节约（10000—5000）×（120～150）=（600000～750000）元，经济效益显著。再进一步推广到宝钢全厂，除冷、热轧DF密封备件外，还有相当部分原三菱x型密封需进行技术改造，解决其x型密封泄漏严重的问题，实现国产化后，不但备件成本可以大大降低，还可降低库存量，并得到优质的现场服务。
随着我国密封制造技术不断进步，许多企业已经能够制造出质量和寿命与进口件不相上下的产品，其中广州机床研究所密封分所曾先后在宝钢l420冷轧、武钢、珠钢等冶金企业成功地完成了DF密封件的国产化研制工作，这就为我国DF密封国产化创造了良好的环境。(end)