产业科技创新 Industrial Technology Innovation 18Vol.1 No.9
〈创新实践〉
产业科技创新 2019，1（9）：18~20Industrial Technology Innovation JOY采煤机摇臂中心水管的改进分析 薛 军
（国家能源集团神东煤炭集团 高端设备研发中心，陕西 榆林 719315）
摘要：密封技术水平的提高对于工业发展至关重要，生产生活中应用广泛，小如水龙头，煤气阀，大如汽车、航 海、航空、航天、工业成套设备中更是无处不在。甚至在某些领域内是瓶颈因素，如液压气动领域的泵、阀、马达等。也可以说密封技术水平的步步突破是现代工业（应用蒸汽为标志）发展不可或缺的组成部分，往往一个小小的密封失效问题，带来难以估量的损失！
关键词：橡胶密封圈；滑动摩擦；橡胶油封；陶瓷涂层水管；干式摩擦面设计 中图分类号：TD421.6 文献标志码：A 文章编号：2096-6164（2019）09-0018-03
1 典型案例
挑战者号航天飞机事故，仅仅因为一个O 型圈低温失效，导致耗资百亿美金，由数万个精密零件组装成的航天飞机凌空爆炸，巨大经济损失之外，还有7名宇航员--人类精英中的精英殒命在人类探索太空之路上。
文章讨论的进口采煤机摇臂中心水管组件改进实际上就是密封结构进行升级改进，主要升级改进内容是将径向软对硬油封改为轴向硬对硬机械密封结构。
2 升级改进原因
采煤机摇臂中心水管组件频繁漏水，存在使用寿命短，可靠性差的问题，使用寿命经常不足6个月，常出现因密封漏水导致摇臂乳化、齿轮箱损坏，而且井下检修频繁存在较大安全隐患。
3 原JOY 采煤机摇臂中心水管组件结构
银行复点机采煤机摇臂中心水管是指安装在摇臂上，贯穿行星腔的水管、橡胶密封圈以及轴承等部件的统称。负责将压力水输送至滚筒，工作时与滚筒相对旋转。
原JOY 采煤机中心水管组件结构：橡胶密封圈内周与水管外周贴合组成摩擦副，橡胶油封内周唇口贴
合水管外周陶瓷涂层滑动摩擦密封，属于旋转接触式径向动密封，如图1。
改进后采煤机中心水管组件结构：
软对硬油封改为硬对硬机械密封硬质合金环端面贴合超硬石墨环端面滑动摩擦密封，如图2。
图1 JOY 原中心水管组件结构简图
图2 改进后中心水管组件结构简图
4 理论依据
两种密封均为滑动摩擦密封，为透彻弄清存在的问题，需要从滑动摩擦规律与密封原理着手分析阐述。
滑动摩擦：是指一个物体在另一个物体表面上滑动时，两个物体接触面上产生的阻碍它们之间相对滑动的现象称为滑动摩擦。
滑动摩擦力：两个物体产生相对滑动（或有相对滑动趋势）时，在接触面间将产生阻碍物体滑动的力，这种力称为滑动摩擦力。力的大小和其摩擦系数成正比。例如：JOY 采煤机中心水管组件中水管与密封圈，
作者简介：薛军（1985- ），男，陕西神木人，工程师，本科，毕业于内蒙古科技大学，现任神东煤炭集团高端设备研发中心综采技术部经理，主要从事煤矿机电设备高端研发方面研究。
19第1卷 第9期
运转时克服的力就是滑动摩擦力。摩擦力产生原因尚不明确，目前主流科学界倾向于由原子间电磁力相互作用产生，并非由接触面粗糙、凸凹不平而产生。但在通常情况下物体表面粗糙凸凹不平也会对摩擦系数有直接影响，并在一定区间内符合越光滑摩擦系数越小规律。
注：粗糙度对摩擦系数影响并非线性的，并非表面越光滑越小，当摩擦面过于光滑超过临界值时，摩擦力反而增大，具体因材质不同，粗糙度临界值也不相同！
滑动摩擦力：F=μs×N
F为滑动摩擦力；μs为摩擦系数；N为摩擦面垂直力
摩擦系数（μs）：是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。根据力值大小可以测定摩擦系数，影响摩擦系数有材质本身特性、硬度、粗糙度、平面度、摩擦面所受压力等因素。
滑动运动规律：滑动在微观下并非匀速连续运动，而是脉冲式跃动，即跳跃前进，这也是“干摩擦”时产生啸叫声原因，所以摩擦面必须有润滑来改善运动形式，避免脉动。如图4所示，摩擦面上的某一点由A至B，是呈“跳--停--
跳……”运动状态。
图3 滑动摩擦运动
图4 摩擦面粘膜与摩擦系数，泄漏量关系图摩擦副：由两个即直接接触又产生相对摩擦运动的物体所构成。例如：JOY中心水管与橡胶密封圈、轴瓦与轴、浮动密封的两个环、液压拉杆与密封圈均是摩擦副。
摩擦面积：摩擦面积分名义接触面积（宏观接触面积）和实际接触面积（微观接触面积）。摩擦副实际接触面积随光滑程度提高成指数级增加，例如粗糙度Ra0.2和Ra0.4两个相邻等级，实际接触面积相差约10几倍，实际接触面积对润滑和密封影响较为密切和复杂。
发热影响：摩擦副工作时其所耗的机械能全部转换为热能，由摩擦面产生向外扩散，所以要求散热性能必须大于发热功率，摩擦面超温是影响摩擦副使用寿命原因之一。
防爆电磁线圈摩擦密封原理：摩擦副光滑的表面紧密贴合滑动实现密封功能，又因物体紧密贴合滑动时是跳跃式前进运动（此时会令摩擦副磨损加剧、密封失效），所以摩擦面必须有合理润滑防止跳动，密封液体时通常由液体形成的液膜实现润滑。以水为例；依据液膜薄厚大致分为1全液，2半液，3边界，4半干，5干摩擦。通常设计在全液至临界区间，可满足绝大部分需求，例如常规水泵密封在全液区工作，允许少量泄漏，此时摩擦副不直接接触，摩擦力只是剪切液膜的力，发热少散热好！当摩擦面设计在半干和干摩擦区间工作状态的，工况较为复杂，需要考虑润滑、高温、闪蒸、空爆、气蚀等破坏性因素影响，如图4。
5 原设计问题分析及升级改进后特点
5.1 密封选型不合理
改进前：原JOY采煤机中心水管组件选用的是橡胶油封配合带陶瓷涂层水管组成的软对硬形式摩擦副，此种结构在密封润滑油情况下性能优异，但软对硬形式油封，用在水密封工况下，不稳定因素太多，在密封水情况下并不适合，容易失效，寿命不可预期，原因如下：
1）润滑性不好：相比润滑油，水的粘度低，液膜形成困难，且强度低、韧性差。如要达到理想润滑液膜，泄漏量势必加大，这与要求矛盾。
2）不耐杂质：相比润滑油水里面锈蚀、泥沙等杂质多，容易堆积在唇口研磨水管，加速水管涂层磨损，这是中心水管涂层磨损较快原因之一。
3）容易气蚀: 气蚀破坏力大，对比油，水容易闪蒸汽化、空爆气蚀，从而破坏涂层。
4）密封唇口硬化：为保证密封性能，摩擦面需要压力较大，橡胶材料本身摩擦系数较大，导热系数较小，摩擦面温度积聚容易导致密封唇口表面硬化，从而密封失效。
设计生产难度大：摩擦面最优选只能处于边界摩擦状态（参照图4），少量液膜润滑防止跃动，此时泄漏量较小，但橡胶件用于水工况不容易保持处于边界摩擦状态。
改进后：摩擦面为轴向双圆环端面对端面，材料是超硬石墨对硬质合金，超硬石墨硬度＞60HRC，硬质合金硬度≥72HRC，因此可定义为硬对硬摩擦副。
1）摩擦面工况处于干摩擦密封区域，泄漏量趋近于零，双环端面结构摩擦面压强容易控制和计算，初始力只由弹簧提供，无衰减直接作用在摩擦面，液体施加二次力同理，因此摩擦面压强力值精确可控，使之处于理想工况。
2）摩擦面自润滑不跃动，摩擦面润滑不再依靠
薛 军：JOY采煤机摇臂中心水管的改进分析
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液膜，而是依靠石墨本身自润滑特性来润滑，微观下石墨脱落极薄的一层，呈六方格晶体，六方格晶体对垂直力抗压值极高，同时抗剪切力值极低，因此润滑效果好，替代液膜起到隔离、润滑作用，使其平稳运转不发生跃动。
3）硬质合金表面硬度高，粗糙度容易保证，石墨本身摩擦系数小，发热少，导热性能优良等特性、此种组合摩擦副做到发热少，散热好，可适应无水干运转摩擦运行。
射频开关芯片5.2 原传动结构不合理
改进前：摩擦面应尽量在平稳状态下工作，JOY 原机水管整根单体结构，作为摩擦副之一直接固定在盖板上，橡胶密封圈内置在水封壳体内固定在驱动方头上，而盖板相对方头存在的相互运动除旋转外，还有径向跳动和轴向窜动，其数值≥行星架主轴轴承的间隙值。还有齿轮啮合，轴承运转等震动传递到摩擦面，这就使得一个摩擦面要同时应对旋转摩擦、轴向往复摩擦、高低频震动等复杂运动。
改进后特点：传动方式改进后JOY采煤机摇臂中心水管结构由3个模块组成 即旋转水封、 水管 和管座总成 。将传动部分分解为3段式、两端固定，中间水管柔性连接，十字轴形式传递动力，消除安装孔位偏心应力。同时密封任务分解，旋转摩擦副只负责旋转密封，轴向窜动由管座内密封圈负责。
改进后优点：
1）干式摩擦面设计，渗漏量小，无限接近零渗漏。
2）防杂质，硬对硬摩擦面和浮动密封同理，天然防杂质。
矩阵干扰3）耐压和防冲击等级提升，长期耐压＞6兆帕，瞬时耐压＞15兆帕。
hg(scn)24）摩擦面工况理想，干式摩擦面没有液膜，少有闪蒸、空爆、气蚀等破坏。
5）耐温高，石墨和硬质合金耐温300℃以上，橡胶不超过200℃。
6）一致性好，摩擦面初始压力只由弹簧提供，精确可控，消除个体差异。
7）运动分工，旋转摩擦副只负责旋转运动，轴向窜动由管座内密封圈负责。
8）容差大，十字轴原理驱动，对两端安装孔位同心度要求低。
9）保险示警功能，两端均有溢流孔起到预警功能！
10）寿命长，石墨耐磨性好，寿命大于2万小时，平均寿命提高10～15倍。
原水管6 改进创新点重点描述
6.1 材料创新
1）高强度超硬石墨是创新：硬度＞60HRC和，许用应力＞200MPa
2）硬质合金抗蠕变性提高是创新点之二，抗蠕变性的提高使得硬质合金环摩擦面平面度在长期受力情况下变化不超过0.0002 mm。
以上2种材料创新使得设计成为可能。（注：硬质合金是由难熔的硬质相和易熔的黏结相组成，蠕变主要和黏结相特性有关）
6.2 结构创新
1）采用2级密封结构形式，中间形成隔离腔并设有溢流孔，安全水平大幅提高！
2）传动部分3段式、十字轴形式连接，消除安装孔位偏心应力。
3）密封任务分解，旋转摩擦副只负责旋转密封，轴向窜动由管座内密封圈负责。
6.3 安装维护
旋转水封总成、水管、管座各是单独模块，现场只需将3部件组合。模块化设计，复杂部分工厂内完成，现场安装简单，特别是抢修时更具优势。
7 升级改进后产品现场应用情况
2019年1月15日在神东煤炭集团锦界煤矿31408工作面，LWS848采煤机左摇臂投入试用，使用9个月效果良好。
2019年2月16日在神东煤炭集团补连塔煤矿22411工作面，LWS6595采煤机左摇臂进行试用，使用11个月效果良好。
2019年10月28日在神东煤炭集团上湾煤矿8.8采高西煤机MG1100/3030机组左摇臂紧急抢修使用至今效果良好。
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