２０１０年１月 润滑与密封 Ｊａｎ．２０１０ 第３５卷第１期 ＬＵＢＲＩＣＡＴ１０Ｎ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．１ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１０．Ｏ１．０２１ 超细选粉机主动气流密封装置研究 张亚南 李双跃 田 坪 李翔 金应贵 任朝富 （１．西南科技大学制造学院 四川绵阳６２１０１０；２．绵阳西金科技发展有限公司技术中心 四川绵阳６２１０００） 摘要：针对选粉机机械迷宫式密封存在的产品跑粗问题，设计了一种新型主动气流密封装置，并采用ＦＬＵＥＮＴ流 体力学软件对密封装置的几何参数与操作参数进行了数值模拟，在分析模拟所得Ｘ—Ｙ散点数据基础上，通过讨论溢出 气流速度、压力标准差与密封区域内各结构参数及进口压力等重要参数的关系，得到了密封结构的关键尺寸与压力控制 参数。通过试制样机ｓｅｘ４００并利用重质碳酸钙进行筛余实验，定性验证了数值模拟结果的正确性。 关键词：选粉机；密封性能；主动气流；速度标准差；压力标准差 中图分类号：ＴＤ４５２；ＴＢ４２文献标识码ｉ Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１０）１—０７８—５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｅａｌ Ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ Ａｉｒｆｌｏｗ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ Ｚｈａｎｇ Ｙａｎａｎ Ｌｉ Ｓｈｕａｎｇｙｕｅ Ｔｉａｎ Ｐｉｎｇ Ｌｉ Ｘｉａｎｇ Ｊｉｎ Ｙｉｎｇｇｕｉ Ｒｅｎ Ｃｈａｏｆｕ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｅｅｋｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２１０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｅａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ ａｉｒｆｌｏｗ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ａｉｍ ａｔ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｌａｂｙｒｉｎｔｈ ｓｅａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ．ＦＬＵＥＮＴ ｃｏｄｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｉｔｓ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｘ—Ｙ ｐｌｏｔ ｄａｔａ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｌｌ ａｉｒｆｌｏｗ ａｎｄ ｅａｃｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｓｅａｌ ａｒｅａ ａｎｄ ｉｎｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｓｅａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｇｏｔ．Ｔｈｅ ｓｉｅｖｅ ｒｅｓｉｄｕｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｗａｓ ｍａｄｅ ｗｉｔｈ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ＳＣＸ４００，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｈ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ ｃｌａｓｓｉｉｆｅｒ；ｓｅａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ ａｉｌｆｒｏｗ；ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａ— ｔｉＯｉｌ 选粉机内转子与壳体间密封的失效是造成产品细 １ 主动密封装置简介 度跑粗或出现粗颗粒的原因之一，使得细粉中混人粗 １．１ 密封原理与结构 颗粒，细粉筛余过高，给产品质量造成很大的影 响 。传统密封都是采用机械迷宫式密封，其密封主 要原理是靠控制密封间隙来保证密封的效果，但由于 其间隙始终存在，使部分较粗甚至毫米级的颗粒没有 经过转子的分选就直接混入成品中，因此，传统的机 械迷宫式密封在超细选粉机中的密封效果并不佳。且 迷宫式密封方式要求回转部件和静止部件间的间隙较 小，若它们之间的同心度保证得不好，将会使其产生 摩擦磨损而失去密封作用 。 本文作者针对ＳＣＸ超细选粉机机械密封方式的 １．气管弯头２．管接头３．密封圈４．密封环 不足，参考传统机械密封方式的结构特点，采用主动 图１ 主动气流密封方式示意图 气流密封原理，设计了新型气动密封结构，并用数值 Ｆｉｇ １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｆｏｗ—ｇｕｉｄｅｄ ｓｅａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 模拟方法对其结构参数进行优化。 设计的ＳＣＸ超细选粉机主动气流密封结构如图１ 基金项目：四川省教育厅重点项目（０７ＺＡ１３７）． 所示，其主要由气管弯头、管接头、密封圈和密封环 收稿日期：２００９—０８—０３ 作者简介：张亚南（１９８３一），男，硕士研究生，研究方向为 构成。其截面形状如图２所示，密封槽（见图３）整 ＣＡＤ／ＣＡＭ．Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｒａｚｙ－９９９９＠１６３．ｃｏｒｎ． 体呈倒“凹”形，与转子叶片相连接；密封环（见 ２０１０年第１期 张亚南等：超细选粉机主动气流密封装置研究 ７９ 图４）上开有气流槽，其整体与出风筒连接；管接头 与密封环连接，选粉机工作时转子带动密封圈转动， 密封环与管接头为固定件，由气管弯头内引入高压气 流，气流沿着密封槽与密封环的间隙溢出，同时在密 封区域形成强大的溢出气流而使物料无法通过，有效 地阻碍了细粉颗粒的进人，从而产生良好的密封效 果。主动气流密封在结构上较凹凸镶嵌式密封复杂， 但其主要是通过气流强度来密封的，密封间隙相对传 字形状，如图５所示，气流在进入区域最高点后分为 相反方向的２个分支，其中一分支沿Ｈ，一Ｄ 一 。通 道从转子外部气流出口溢出，另一分支沿 一Ｄ 一 ，Ｊ：从转子内部气流出口溢出。其中前一分支负责阻 碍转子外部的干扰气流，对密封起主导作用，其强弱 和方向直接决定了密封效果的好坏，后一分支则对密 封基本不起作用。 因此要达到良好的密封效果，需合理地控制２个 统密封方式要大得多，因此从另外一方面也降低了加 工和安装的精度要求。只要保证合理的密封间隙和产 生的气流强度，气流密封将达到很好的密封效果。 图２密封装置截面图 Ｆｉｇ ２ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏ ｏ 图３密封槽 图４密封环 Ｆｉｇ ３ Ｓｅａｌ ｓｌｏｔ Ｆｉｇ ４ Ｓｅａｌ ｒｉｎｇ １．２密封区域参数分析 气流入口 图５密封区域示意图 Ｆｉｇ ５ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｓｅａｌ ｚｏｎｅ 密封槽工作时随转子转动，由于密封槽的转动为 面转动，因此忽略转子对密封区域的影响。密封区域 的水平截面为圆环形状，其直径由转子直径决定，在 此不做深入研究。密封区域的竖直截面近似为“几” 分支气流的强度大小。由密封区域的结构可以看出， 控制气流强度的结构参数主要有３组通道宽度的比值 日。／ 、Ｄ ／Ｄ 、 ／ ：，其操作参数主要是主动气流 的压强Ｐ，以下将运用ＦＬＵＥＮＴ软件通过数值模拟对 结构参数和操作参数做进一步分析与优化。 ２数值模拟 ２．１ 数学模型的建立 主动气流密封结构复杂，密封空间呈狭长线性分 布，若直接进行求解，不仅较难收敛，网格数量也受 到。同时，密封部分主要为单相流区域，故仅结 合质量守恒方程、动量守恒方程与ＲＳＭ进行耦合隐 式不可压缩单相稳态３Ｄ双精度求解，控制方程 为 ： 质量守恒方程： ＋ （ｐｕｉ）＝Ｓ （１） 动量守恒方程： 蔷（ｐｔｔｉ）＋ （ ）：一老＋Ｐｇ；＋Ｆ （２） 在目前ＤＮＳ和ＬＥＳ难于应用于复杂工程问题前 提下，虽然ＲＳＭ在２Ｄ求解中加入了４个方程，会比 一ｅ和ｋ一∞类湍流模型耗费更多计算资源，但由于 其放弃了各向同性湍流黏度假设，直接对Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方 程中的湍流脉动应力建立微分方程，因而在各项异性 的强旋转流动求解中更具有优势。ＲＳＭ流动方程表 示为： 景（ｐ—ｕｌｕ；）＋云（ 一蠹［ＪＤ觋＋ ］＋击［ 去（ ）］－ＪＤ（ 罄＋ Ｔ－－ ．７－ Ｏ ｔｔｉ）ｇｅ（ｇ ＋ ）＋ｐ（ Ｏ１Ｌ．ｔｉ一』＋ Ｏｘｉ）一 一２ｐ￣（ｕ一；Ｕ＇ｍｅ ＋ （３） 式中等号左端第一、第二相分别为随时间变化率及平 均运动的对流；右端依次为湍流扩散项、压力产生 项、浮力产生项、压强应变项、耗散项、旋流产生项 和颗粒作用源项。具体符号意义及推导过程详见文献 『５］ 润滑与密封 第３５卷 ２．２边界条件设置 图６物理模型网格和边界条件 Ｆｉｇ ６ Ｍｅｓｈ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 具体分析模拟机为Ｓｅｅｋｅｒ公司ＳＣＸ４００型，由 Ｐｒｏ／Ｅ Ｄ建立实体模型，导入Ｇａｍｂｉｔ中作网格划分， 网格如图６所示，区域主要采用四面体结构，但是在 适当位置可以包含六面体、锥形和楔型网格单元。进 风口设置速度进口边界条件，出口设置压力出口边界 条件，固壁无滑移且不可穿透，采用标准壁面函数处 理，在ＦＬＵＥＮＴ里进行有限体积法求解。其中流体密 度、黏度、出口风压、风量等参数按裸机工作状况选 取，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力分量按文献［６］计算。各变量均 为Ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｕｐｗｉｎｄ格式，压力速度耦合方程采用 ＳＩＭＰＬＥ算法，欠松弛因子经验选取。其中湍流强度 ，由公式 （４）取得 ，＝０．１６（Ｒｅ ） （４） 水力直径取流通面积与湿润周长比值的４倍。完 成初步求解后进行网格自适应调整，共迭代约１７ ０００ 次达到较优结果。 ３结果与分析 ３．１密封效果分析 沿转子外部气流出口的气流全部溢出时即产生密 封效果，且溢出气流的强度越大对细粉的阻碍性越 强，但是过大的溢出气流不仅需要消耗大量的动能， 而且会对分级流场产生扰动，影响分级精度和分级效 率。因此定义当转子外部气流出口产生流速最小的溢 出气流时即达到最佳的密封效果。 从模拟结果中很难对密封效果进行直接分析，因 此采集出口圆周上的散点数据对溢出气流的压力和速 度进行定量分析。当达到既定密封效果时，则气流外 部出口各点压力与选粉机内部压力之差皆大于０，气 流的速度矢量方向皆指向选粉机外壳且流速最小。即 气流出口各散点压力与选粉机内部压力之差的偏差均 值Ｐ 最小，溢出气流的速度偏差均值 也达到最小。 其中 与 分别为： Ｉ ｒ １ ｎ １ ２ ｐ２。 【（ｐ 一Ｐｏ）一言 （ｐ —ｐ）Ｊ （５） ２＝ 砉 一 （６） ３．２ ／ 对密封效果的影响 在截面方向上，气流沿轴向上升到顶部后分成２ 个方向流出，一部分气流背离轴心从外部出口流出， 这部分气流对密封效果起决定性作用，另一部分指向 轴心从内部出口流出获得释放。而两部分气流的初始 强度取决于两侧通道的高度 、 之比，通过改变两 者的比值来合理地分配气流的强度以获得最优解，结 果如图７，８所示，可以看出，在进口压力Ｐ ＝３．２ ｋＰａ时， 与 的比值过大或过小都会使密封效果降 低，其中速度标准差在 ／ ＝１．７５～１．９５、压力标准 差在 ／ ＝１．～１．８之间取得最优值，两者吻合较 好，综合考虑取 ／ ＝１．７５较为合适。 ＝０＝Ｂｌ ０ 目 目暑∞．ｃ＝ｕ０Ｉａ＞ 引勰 ０ 图７速度标准差与Ｈ。／Ｈ２关系（Ｐ ＝３．２ ｋＰａ） Ｆｉｇ ７ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈ１／ （Ｐ。 ＝３．２ ｋＰａ） ０．２５ ０．７５ １．２５ １．７５ ２．２５ ２．７５ ３．２５ Ｈｔ｜Ｈｌ 图８压力标准差与 ／ 关系（Ｐ。 ＝３．２ ｋＰａ） Ｆｉｇ ８ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ＨＩ／Ｈ２（Ｐ ＝３．２ ｋＰａ） ３．３ Ｄ ／Ｄ，对密封效果的影响 两部分气流在分别通过日 、 通道后进人下 沉阶段，在进口压力不变的情况下Ｄ ，Ｄ，，的大小 对两部气流的强度起重要作用。图９，１０反映了进 口压力Ｐｉ ：３．２ ｋＰａ，Ｈ。／Ｈ２＝１．７５时，Ｄｌ／Ｄ：对密 封效果的影响。可以看出当Ｄ。／Ｄ ：１．５时密封效 果最好。 ２０１０年第１期 ＝０一＿目一 傅 胄嚣＿∞ ＿一 ０一∞ｌ＾ 张亚南等：超细选粉机主动气流密封装置研究 鱼口々 再 ｕ 荫 篇日 ∞∞ 罩∞ ８１ ０一ｌ＿∞一 ０ 日 口∞ 帕 一ｕ０一∞＞ Ｄｌ／Ｄ２ 图９速度标准差与Ｄ。／Ｄ２关系（ｐ。 ＝３．２ ｋＰａ，日ｌ／ ＝１．７５） Ｆｉｇ ９ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｌ／Ｄ２（Ｐ ＝３．２ ｋＰａ，日．／Ｈ２：１．７５） 龟口０ｌ，再一≯０Ｉ＇弓 嚣 口傅 ∞ 暑 ∞ （Ｉ Ｄ１／Ｄ２ 图１０压力标准差与ＤＩ／ 关系（Ｐ ＝３．２ ｋＰａ，Ｈ，／ ＝１．７５） Ｆｉｇ １０ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｌ／Ｄ２（Ｐ． ＝３．２ ｋＰａ，Ｈ１／ ：１．７５） ３．４ ＬＪ／ 对密封效果的影响 ￡ｌ／Ｌ２ 图１１速度标准差与 ｌ／ 关系（Ｐ。 ＝３．２ ｋＰａ） Ｆｉｇ １１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ￡１／ （ｐ ＝３．２ ｋＰａ） 气流出口是密封的发生区，溢出气流与选粉机内部 的气流发生干涉冲击，在进口压力Ｐｉ ＝３．２ ｋＰａ时，如 图１１，ｌ２所示，当 。／ 过小时，厶处溢出气流过大， 虽然密封效果好，但由于沿出口圆周速度标准差过大， 会对分级流场产生不利影响。同样的厶／ 过大时，厶 处溢出气流过小，不仅沿出口圆周速度标准差增大，而 且还会产生溢出气流的返混导致密封失效。从图中可以 看出取Ｌ ／ 为１．５～１．６时为最佳。 上ｌ，￡２ 图１２压力标准差与，｜ｌ／￡ 关系（ｐ ＝３．２ ｋＰａ） Ｆｉｇ １２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｎａｄ Ｌｌ／Ｌ２（Ｐ。 ＝３．２ ｋＰａ） ３．５进口压力对密封效果的影响 孽 ：ｆ 鲁 目 、 目０＝∞一 矗弓口再 舶ｕ ；∞∞蛊 暑 皇 詈 Ｉｎｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｋＰａ 图１３速度标准差与进口压力关系 Ｆｉｇ １３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｔｎａ— ｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｉｎｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｋＰａ 图】４压力标准差与进口压力关系 Ｆｉｇ １４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｎ— ｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ 进口压力也是影响密封效果的重要因素，通常情 况下，进口压力过小，气流达不到完全密封，产品产 生跑粗现象，反之压力过大，不仅需要消耗大量的能 量，气流的速度梯度大，而且溢出气流会对分级流场 产生干扰，影响分级效率 。图１３，１４反映了在密 封装置取最优值 ／Ｈ２＝１．７５、Ｄ ／Ｄ：＝１．５、Ｌ ／Ｌ ： １．６的情况下，不同的进口压力对密封效果的影响。
