王 成，顾 萍，张 瑞，禹建勇

(1.南京科远智慧科技集团股份有限公司，江苏 南京 211102； 2.南京拓耘达智慧科技有限公司，江苏 南京 211102；3.江苏省热工过程智能控制重点实验室，江苏 南京 211102)

0 引 言

在凝汽器长期运行过程中，凝汽器冷凝管内壁因水质和温度等原因会导致结垢现象，从而使凝汽器传热性能下降[1]。因此，为了提高冷凝管的热传导性电厂必须对冷凝管进行定期的清洗。凝汽器在线清洗机器人是用于火电厂凝汽器清洗的一种自动化装置，其通过机械臂引导高压水管对准每根冷凝管，绞盘控制高压水管收放，并利用高压水管进入冷凝管内清洗[2]。因机械臂长期置于水室中运行，内部有伺服电机、绝对编码器等精密电气部件，故防水密封尤为重要 。

凝汽器清洗机器人机械臂的密封分为静密封和动密封两种，静密封相对容易解决，旋转关节的动密封为难点。关节旋转时，轴孔间存在配合间隙，就会产生泄露。且水室中的循环水多取自江河水，部分为海水，水介质中的氯离子、微生物等产生的腐蚀作用，以及硬质杂质如泥沙等产生的磨损，均会影响机械臂旋转关节的密封。目前，凝汽器在线清洗机器人机械臂的旋转关节多采用机械密封。实际应用中，使用机封的旋转关节运行约两年便会出现内部进水，导致电机损坏等故障。为解决机械臂旋转关节进水问题，笔者设计出一种组合密封结构，经验证满足凝汽器在线清洗机器人机械臂在水室环境中的长期密封。

图1 凝汽器在线清洗机器人

1 机械臂关节旋转动密封设计

1.1 动密封结构设计

凝汽器在线清洗机器人应用场合为可能有海水倒灌、含泥沙的水室，部分为氯离子浓度≤20 g/L的海水水室，含固量为10%。水室中定期会添加阻垢剂等酸性或碱性溶剂。水下压力小于0.6 MPa，温度：5～55 ℃。机械臂两旋转关节电机转速最大限制为100 r/min,减速比分别为：242.1,150.1，即第一关节转速<0.41 r/min，第二关节<0.66 r/min。机械臂旋转幅度正反均<180°。密封要求内部水位不得到达电机位置，寿命为8年。

目前采用的机械密封型式，其密封端面之间有垂直于轴线的相对滑动，在流体压力和补偿机构的作用下始终保持贴合，端面之间始终维持一层薄的液体膜来辅助密封[3]。但是，凝汽器水室中压力不超过0.6MPa为低压，线速度很低仅0.023m/s，密封端面液膜不易形成和维持，可能导致干摩擦，加剧密封端面的磨损。而且由于润滑液膜的存在，密封端面间始终维持一定的间隙，同时流体压力和补偿机构的不平衡也会造成端面打开，导致介质中的颗粒状物进入密封面，加剧磨损造成密封失效。此外，安装不良、摩擦副端面形成水垢、振动等因素均可能导致泄露。

旋转关节的动密封方式除机械密封外，还有多种其他的密封方式，如：O型圈密封、O形圈与聚四氟乙烯滑环组合密封、迷宫密封、磁流体密封等。这些密封各有优缺点，其比较见表1。[4]凝汽器在线清洗机器人机械臂旋转关节的密封介质为水，故磁流体密封方式不适用。迷宫密封适用于高转速密封且结构复杂，而机械臂转速很低，故也不作为考虑。组合密封因其结合了聚四氟乙烯自润滑及O形圈的弹性补偿作用，在旋转密封中使用较广，但一般结构尺寸小，机械臂的关节直径达到200 mm以上，没有适用规格；且组合密封对轴的硬度要求较高，旋转时间长了之后轴上磨损会导致泄露。O形圈动密封结构简单、成本低、安装方便、应用范围广。凝汽器在线清洗机器人的旋转关节转速低，密封压力小，故首先考虑O形圈方式作为凝汽器在线清洗机器人的旋转关节动密封方式。

表1 动密封方式比较[4]

为保证密封的可靠性，采用双O形圈密封，且两O形圈沟槽中间设置一个储油槽，装配时在其中填充润滑脂。润滑脂采用防水密封润滑脂，是一种高粘附性防水密封硅脂，具有抗腐蚀性，同时具备润滑和辅助密封作用。

由于水室中的水介质中含有泥沙，故主密封外需增加一道保护密封用来挡泥沙。一般情况下挡泥沙采用毛毡密封，但机械臂旋转关节尺寸相对较大，毛毡斜切口的衔接有泄露的风险。故采用PTFE密封环作为保护密封。PTFE密封环采用PTFE添加20%的碳纤提高耐磨性，外圈与壳体之间为过盈配合，内圈与旋转轴配合，密封面涂抹防水密封润滑脂。密封截面为矩形，在运动的接触表面加开了两个储油槽，在减小接触面积的基础上储油槽内部油脂起润滑作用，降低摩擦阻力。PTFE即聚四氟乙烯，其摩擦系数低，可自润滑，适用于旋转、摇摆、往复运动[7]。

如图2所示，即为本文设计的机械臂旋转密封关节结构示意图，使用双O型圈作为主要密封，PTFE环阻挡泥沙、保护O型圈密封，同时设置油槽填充密封润滑脂。

图2 密封关节结构示意图

1.2 O型圈理论计算

O型圈密封虽然结构简单、安装方便且成本低，但容易出现启动摩擦阻力大、摩擦生热等问题。旋转轴高速旋转时，O型圈受热膨胀导致和轴之间的抱紧力加大，产生“卡夫-焦耳效应”，从而加剧旋转轴的磨损最终可能会磨出一条沟槽导致泄漏[5-6]。故设计时在保证足够的密封面接触压力的基础上，尽量使O型圈内径与旋转轴外径之间接触减少，减小摩擦力。故采取外径压缩量的设计方法， O形圈外径大于密封沟槽的内径，控制外径压缩率3%～8%[5];O形圈的内径稍大于旋转轴的轴径以减少抱紧力；同时密封面涂抹润滑脂，避免干摩擦，减缓了这种磨损的恶性循环，同时摩擦阻力减小。考虑到O型圈本身的尺寸精度，应尽量选择截面直径较大的O形圈。同时，选择较高硬度的O形圈，以邵氏硬度HS70～80为宜。根据凝汽器水室的循环水环境以及密封寿命要求，O形圈材质取氟橡胶材质，硬度为HS75，其耐海水腐蚀性基本同丁晴橡胶，但耐化学腐蚀性及耐候性及耐老化性能优于丁晴橡胶，其储存稳定性达20年。除此之外，应尽量选用分型飞边不明显的或者45°分型的O形圈，避免凸起的分型线加剧轴的“卡夫-焦耳效应”。

图3 O型圈参数说明

如图3所示，在旋转动密封中，O形圈外径压缩率W通常用以下公式求出：

其中：D2为O形圈在自由状态下的实际外径(mm)，D1为O形圈沟槽底直径(mm)。以机械臂一关节为例，进行O形圈设计计算，一关节轴径设计为D=φ266mm，O形圈内径d1比轴径大3%～5%，取d1=φ276； O形圈截面直径为φ7，故O形圈外径D2=φ290；外径压缩率要求取3%～8%，取沟槽底径D1=278，此时沟槽底距轴距离H>标准O形圈槽深，即O形圈截面压缩比一般情况小。考虑加工公差，外径压缩量校核亦满足3%～8%范围内。

2 试验验证

为验证上述密封结构用于凝汽器在线清洗机器人机械臂旋转关节的实际效果，按照一关节结构及尺寸制作如图4、5所示工装进行验证。

图4 测试工装结构 图5 测试工装外观

外壳腔体内注满水，模拟水室环境添加10%泥沙，添加盐使氯离子浓度为20 g/L，加压达0.6 MPa并保压。机械臂运行1年清洗20次，清洗一根冷凝管1 min，机械臂运动5 s，按10 000根冷凝管计算，清洗一次约7天，则8年大臂关节实际运转时间为8×20×7×24×5/60=2 240 h。为缩短测试周期提高至4倍转速测试，运行560 h即满足8年密封寿命。

560 h后测试结果如图6、7所示，内部保持无可见液态水，泥沙堆积在密封结构外。测试过程中对摩擦阻力矩进行监控，如图8所示，力矩值比较稳定。

图6 试验后腔体内干燥 图7 密封结构外部泥沙

图8 试验过程摩擦阻力监控曲线

寿命测试完成后，该密封测试工装继续测试累计1 200 h，超2倍寿命，依旧保持内部干燥，无可见液态水。

3 结 语

验证结果表明，利用O形圈外径压缩、辅以PTFE保护密封及防水密封润滑脂，形成组合密封方案适用于凝汽器在线清洗机器人使用工况，在对应的速度、压力下可实现有效密封，真正实现零泄露。同时，该方案结构简单、易拆装、便于维护，目前该结构已成功应用到海水型凝汽器在线清洗机器人产品中。