摘要:
 

　　水下密封是凝汽器在線清洗機器人的關(guān)鍵技術(shù)。目前采用的機械密封具有密封可靠、泄漏量小、使用壽命長等特點，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對制造加工精度及安裝技術(shù)要求高，維護不便。本文設(shè)計的組合密封方式，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護密封及防水密封潤滑脂，形成組合密封，真正實現(xiàn)了凝汽器在線清洗機器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)“零泄露”，且結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、易于維護，目前已成功應(yīng)用到海水型凝汽器在線清洗機器人產(chǎn)品中。
 

　　關(guān)鍵詞：
 

　　水下密封、旋轉(zhuǎn)動密封、O形圈、外徑壓縮、防水密封潤滑脂、零泄露
 

　　0 引言
 

　　凝汽器長期運行中，由于水質(zhì)和溫度等原因，凝汽器冷凝管內(nèi)壁會產(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組經(jīng)濟性【1】。因此，電廠必須定期對冷凝管清洗。凝汽器在線清洗機器人是目前較環(huán)保、高效的一種清洗方式，其利用機械臂將高壓水噴頭對準(zhǔn)冷凝管中心，然后高壓噴頭進入冷凝管清洗【2】。因機械臂長期置于水室中運行，內(nèi)部有伺服電機、編碼器等精密器件，不得有水進入內(nèi)部，故密封尤為重要 。
 

　　凝汽器清洗機器人機械臂的密封分為靜密封和動密封兩種，靜密封相對較容易解決，其旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動密封確是難點。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時，軸孔間會存在配合間隙，就會產(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，均會影響機械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的密封。
 

　　1 研究背景
 

　　凝汽器在線清洗機器人應(yīng)用場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℃。機械臂兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機轉(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。機械臂旋轉(zhuǎn)幅度正反各180°。密封要求內(nèi)部水位不得到達電機位置，壽命為8年。
 

　　目前，凝汽器在線清洗機器人機械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)多采用機械密封。 機械密封的工作原理是靠一對或數(shù)對垂直于軸線做相對滑動的端面，在流體壓力和補償機構(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、維護要求低，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】。因密封端面潤滑液膜的存在，機械密封并不能做到零泄露。我國JB/T 4127.1—2013《機械密封技術(shù)條件》中規(guī)定，平均泄漏量軸(或軸套)外徑不大于50mm時不超過5ml/h,軸(或軸套)外徑大于50mm時不超過3ml/h【4】。除此外，機械密封結(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，處理較困難【3】。
 

　　2 機械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)動密封設(shè)計
 

　　水下旋轉(zhuǎn)動密封除機械密封外，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，其比較見表1?！?】凝汽器在線清洗機器人機械臂旋轉(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滑及O形圈的彈性補償作用，在旋轉(zhuǎn)密封中使用較廣，但一般結(jié)構(gòu)尺寸小，機械臂的關(guān)節(jié)直徑達到200mm以上，沒有適用規(guī)格；且組合密封對軸的硬度要求較高，旋轉(zhuǎn)時間長了之后軸上磨損會導(dǎo)致泄露。使用O形圈作為旋轉(zhuǎn)動密封應(yīng)用的不足：一是啟動摩擦阻力大，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)時會加速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?！?】
 

　　用O形圈實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的動密封，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)動密封時，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；同時密封面涂抹潤滑脂，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，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，其儲存穩(wěn)定性達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)下的實際外徑(mm)，D1為O形圈溝槽底直徑(mm)。以機械臂一關(guān)節(jié)為例，進行O形圈設(shè)計計算，一關(guān)節(jié)軸徑設(shè)計為D=φ266mm，選擇O形圈線徑為7mm,內(nèi)徑為φ276，設(shè)計溝槽底徑為φ278mm,此時外徑壓縮率為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，裝配時在其中填充防水密封潤滑脂或者空壁上對應(yīng)潤滑油槽的位置打一小孔，壓入潤滑脂【7】。潤滑脂采用防水密封潤滑脂，是一種高粘附性防水密封硅脂，具有抗腐蝕性，同時具備潤滑和輔助密封作用。
 

　　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密封用來擋泥沙。一般情況下?lián)跄嗌巢捎妹珰置芊?，但機械臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)尺寸相對較大，毛氈斜切口的銜接有導(dǎo)致泄露的風(fēng)險。采用PTFE密封環(huán)作為保護密封。PTFE密封環(huán)外圈與殼體之間為過盈配合，內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)軸配合，密封面涂抹防水密封潤滑脂。密封截面為矩形，在運動的接觸表面加開了兩個儲油槽，在減小接觸面積的基礎(chǔ)上儲油槽內(nèi)部油脂起潤滑作用，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、自潤滑性等優(yōu)良性能。因其摩擦系數(shù)低的特性，可自潤滑，可運用于旋轉(zhuǎn)、搖擺、往復(fù)運動之中?！?】圖3為采用新的密封結(jié)構(gòu)的海水型機械臂。
 

 

　　3 試驗驗證
 

　　為驗證上述密封結(jié)構(gòu)的用于凝汽器在線清洗機器人機械臂旋轉(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所示工裝進行驗證。
 

　　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，加壓達到0.6MPa并保壓。機械臂運行1年清洗20次，清洗一根冷凝管1分鐘 ，機械臂運動5秒，按10000根冷凝管計算，清洗一次約7天，則8年大臂關(guān)節(jié)實際運轉(zhuǎn)時間為8*20*7*24*5/60=2240小時。為縮短測試周期提高至4倍轉(zhuǎn)速測試，運行560小時即滿足8年密封壽命。
 

　　560小時候測試結(jié)果如圖6、7所示，內(nèi)部保持無可見液態(tài)水，泥沙堆積在密封結(jié)構(gòu)外。測試過程中對摩擦阻力矩進行監(jiān)控，如圖8所示，力矩值比較穩(wěn)定。
 

　　目前，該密封測試工裝測試1200小時，超2倍壽命，依舊保持內(nèi)部干燥，無可見液態(tài)水。
 

　　4 結(jié)論
 

　　驗證結(jié)果表明，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護密封及防水密封潤滑脂，形成組合密封的密封方案適用于凝汽器在線清洗機器人使用工況，在對應(yīng)的速度、壓力下可實現(xiàn)有效密封，真正實現(xiàn)零泄露。同時，該方案結(jié)構(gòu)簡單、易拆裝、便于維護，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器人產(chǎn)品中。