选矿设备轴承密封结构的设计及优化

李元新

（沈阳远大铝业工程有限公司，辽宁 沈阳 110000）

我国是一个矿产资源大国，为了提高我国在世界组织上的地位与竞争力，应当加大对矿产资源的开采量，以提高选矿质量，带动我国市场经济的发展。在此种社会发展背景下，有关技术单位设计了针对矿区的选矿设备，为了方便后期的使用与维修，选择密封轴承结构作为设备的主要结构[1]。通常情况下，密封结构可被划分为接触式密封结构与非接触式密封结构，前者存在启动时，动力轴距大的问题，即启动设备需要耗费较多的能源，而后者存在密封性能差、使用时存在漏脂现象的问题，总之，现如今常用的轴承密封结构均无法满足矿产行业对于选矿设备应用提出的问题[2]。甚至会在实际使用中，为采矿技术人员带来一些不必要的麻烦。但优化改造结构需要耗费的成本或资金较大，我国一直没有相关研究单位对此方面的工作进行组织，因此，有必要对选矿设备轴承密封结构进行优化设计，以此种方式，提高设备在使用中发挥的效果，从而为我国矿山工程的有序实施提供指导，避免由于选矿设备结构方面的问题，导致矿山工程的实施受到抑制。

1 选矿设备轴承密封结构的优化设计

1.1 构建选矿设备轴承密封结构参数优化目标模型

对于选矿设备轴承密封结构而言，其密封面的内侧和外侧都会形成接触应力峰值，并且内侧接触应力的峰值应当远远高于外侧应接触应力的峰值，以此才能够确保多余的润滑脂不会进入到密封结构当中，影响结构的密封效果。因此，综合上述分析，将密封结构内侧接触应力峰值Tnmax和外侧接触应力峰值Twmax作为本文优化设计当中的主要优化参数[3]。同时，在选矿设备实际应用中，由于轴承密封结构接触应力的分布呈现出中间应力值低于两侧应力值的现象，会引起密封结构失去原本的密封性能，而实际密封区域会比理想状态下更小。因此，对于轴承密封面之间的最小接触应力Tmin进行调节。若Tmin能够获得一个相对较大的数值，则能够进一步提高轴承结构的密封效果。

综合选矿设备实际应用效果，选择将轴承密封结构静环与动环密封面之间的宽度、倾斜面角度以及入角径向长度作为结构优化设计的主要变量，构建如公式（1）所示的选矿设备轴承密封结构参数优化目标模型。

公式（1）中，x1表示为轴承密封结构静环与动环密封面之间的宽度；x2表示为轴承密封结构静环与动环密封倾斜面角度；x3表示为轴承密封结构静环与动环密封倾斜面入角径向长度；f1、f2和f3分别表示为上述三个优化目标[4]。对于多个结构参数的优化而言，为了方便后续实现，需要将其转换为单一目标的优化问题，因此本文采用线性加权法对上述多目标函数进行转换，得出如公式（2）所示的单一总目标函数：

公式（2）中，a1表示为密封结构内侧接触应力峰值Tnmax的加权系数；a2表示为密封结构外侧接触应力峰值Twmax的加权系数；a3表示为密封结构密封面之间的最小接触应力Tmin的加权系数。同时，为了实现对三种不同优化目标重要性的描述，可通过公式（3）表达式表示：

公式（3）中，i表示为上述总目标函数当中某一目标优化参数，通过计算得出ai，利用该数值对各个单一优化目标对整个多目标问题当中的重要程度进行表示，并以此对三个不同优化目标结构进行排序，选择出影响选矿设备轴承密封结构的密封性能最重要的结构参数，并以此为后续基于遗传算法的多目标密封结构关键参数优化提供数据依据。

1.2 基于遗传算法的多目标密封结构关键参数优化

在对选矿设备轴承密封结构进行优化时，利用遗传算法对多目标密封结构的关键参数进行优化，其运算流程如图1所示。

图1 基于遗传算法的多目标密封结构关键参数优化流程

将通过神经网络训练得出的映射函数作为遗传算法当中的适应度函数，计算出选矿设备轴承密封结构参数组合下，三个接触位置的应力值大小，并对图1流程中的主要参数进行设定。根据选矿设备轴承密封结构特点，设置在参数优化求解过程中群体大小为60，遗传代数为150代，交叉率为85%，变异率为1%。将本文上述构建的选矿设备轴承密封结构参数优化目标模型转换为单目标函数，并利用线性加权法对其进行求解[5]。由于在选矿设备实际运行过程中，轴承密封结构的各个单目标函数的加权关系无法确定，因此需要对单目标函数的加权系数进行模糊处理。由于权重发生改变时，总目标函数的最优值变化幅度不明显，因此说明加权系数的变化对于最终结构优化参数的影响较小，因此考虑到上述三种单目标对总目标的影响程度，假设单目标的加权系数为A1，A2和A3，则取总目标的加权系数为A1=A2= A3=1/3。

按照上述优化流程，当完成60次遗传迭代后，选矿设备轴承密封结构的密封面上内侧最大接触应力的最小值、外侧最大基础应力最大值都达到了最优值。而在完成规定的60次遗传迭代次数后，总目标函数的解没有发生较大变化，并逐渐趋于稳定。因此，说明在第60次遗传迭代得出的结果，即为最优选矿设备轴承密封结构参数结果。

2 实例应用分析

本文以选矿设备当中常见的6314系列产品为例，该产品在优化前密封结构的内圈外径为直台式密封结构，如图2所示。

图2 优化前6314系列选矿设备轴承密封结构示意图

这种结构的密封结构相对简单，其密封性能会直接影响轴承零部件的加工精度以及密封圈的质量。当前该系列选矿设备存在防尘、抗漏脂性能差的问题。对此，本文引入上述提出的优化设计思路，对该设备的轴承密封结构进行优化。优化后内圈外径带牙槽式密封结构具有良好的密封性，并且不论述轴承内部，或是轴承外部都不存在油脂漏出或灰尘进入的现象。为进一步验证优化前后密封结构的性能，选择在高压工况条件下，通过增加轴承运行速度，对其最大温升进行记录，如表1所示。

表1 优化前后不同轴承转速条件下最大温升变化表

从表1中可以看出，优化前轴承密封结构随着转速的增加，最大温升也不断增加，并且增加幅度明显，而优化后轴承密封结构的最大温升虽然也随着转速增加而增加，但增加幅度较小。在高压工况条件下，出现最大温升增加的主要原因是动静环之间的接触应力增加，进而造成密封面的摩擦热产生，从而使得最大温升增加，若增加幅度过大，则会造成轴承密封结构失去密封效果。因此，从表1当中的数据得出，优化后的轴承密封结构最大温升的上升幅度缓慢，能够保证轴承结构具有良好的密封性。

3 结语

通过本文上述论述，针对当前选矿设备轴承密封性差的问题，提出了一种全新的优化设计方法，并通过实例分析证明了该优化思路的可行性。本文虽然对选矿设备轴承密封结构进行优化，但由于研究能力有限，文章中还存在一些方面不足，例如本文仅针对轴承密封结构在理想状态下进行了性能分析，在今后的研究中还将建立针对选矿设备轴承结构偏载和振动工况下的分析模型，从而实现对结构参数变化的全面分析，提出更加符合实际工况的密封结构优化方案。