《工業設計》電話淺析“碳環”加工設計

　　碳環密封屬于浮動密封的一種，碳環密封需要增加隔離器，通常使用氮氣，氮氣耗量控制在一定的范圍內，主要應用于易燃的有毒介質，本篇文章介紹一篇碳環的論文。

　　【摘 要】碳環有很好的耐磨性、自潤滑性、耐高溫性被廣泛應用于各種蒸汽透平的軸端密封，碳環裝配前要通過手工對其進行刮削或研磨來獲得與主軸的裝配間隙。由于碳環機械強度低、易脆，手工研刮碳環裝配間隙較難控制，通常情況是間隙過大，透平運行機制時造成軸封出現較大漏氣，因此提出用機加工方法加工碳環來達到裝配間隙精度，降低軸封漏氣。

　　【關鍵詞】碳環 碳環密封 碳環機加工 工裝夾具

　　1前言

　　上世紀70年代初引進的年產300kt合成氨裝置，功率在100kW以下的透平使用較為普及，通過3O年的運行，反映出的問題主要是運行中透平兩端氣封漏蒸汽。蒸汽的泄漏，增大了透平的蒸汽消耗，提高了運行成本，同時造成了對環境的污染。隨著能源的緊缺和價格的上漲，為降低透平軸封漏氣造成的經濟損失，如何降低透平軸封漏氣問題顯得更為重要。

　　2問題分析

　　透平軸端密封結構如圖l所示。壓力側(缸內)參數為壓力3.2MPa、溫度321℃蒸汽順序進入四組碳制形成的密封腔逐級節流降壓實現密封目的。因此要求在組裝前，通過人工研刮碳環內徑來控制與主軸的間隙在技術要求數值范圍內，才能確保碳環在工作狀態起到密封作用。由于碳環機械強度低、脆性強，人工研刮存在一定的難度，碳環間隙很難達到技術要求數據，同時為了防止間隙過小工作狀態出現碳環熱膨脹抱軸，密封間隙的控制通常取高限，結果是造成在工作狀態下軸封產生漏氣。

　　3加工工藝制定

　　由于密封碳環間隙是通過研刮碳環內孔直徑來實現的，考慮碳環材料有一定的硬度和新備件碳環留有加工余量，提出用機加工來替代人工研刮碳環.提高碳環加工精度，確保密封間隙滿足技術要求，達到降低碳環氣封泄漏的目的。通過對碳環材料性能和結構進行分析，制定出下述加工工藝：

　　(1)套類零件“碳環”屬于非金屬復合材料機械用碳石墨材料，導熱性好，溫急變好，線膨脹系數小，相對密度小，但機械強度低，較脆。可通過控制加工速度、進刀量和加強冷卻的方法來保證。

　　(2)氣封零件內孔加工的難度較大，如圖2所示，密封碳環由三塊120。半圓形面組成，正常機加工難以滿足加工精度，需設計專用工裝才能實現加工精度。

　　(3)透平轉軸上的密封碳環相對位置精度必須采用工序集中的方法，在一次安裝中端面及內孔同心度應達到技術指標。

　　4加工方法的確定

　　碳環的加工精度將直接影響使用性能和壽命，零件表面的加工方法多種多樣，但要獲得實際要求的公差等級，必須對設備條件、生產類型、技術水平等方面綜合考慮。通過類比分析，選取技術上可行，經濟上合理的加工方法。

　　4.1裝夾方式

　　由于碳環材料的特殊性，工件不能采用三爪自定心卡盤或四爪單動卡盤直接裝夾，可采用其他方法或方式獲得。

　　4.2加工基準的選取

　　根據碳環外形特點，技術要求，位置精度要求，將制作的專用夾具以正確的位置安裝在機床上，在按照六點定位原理在夾具中定位夾緊加工碳環，確保碳環的位置精度，來確定加工基準。該方法具有下述優點：

　　(1)用夾具裝夾工件，定位精度高且穩定;

　　(2)加工同型號一批工件時，不必逐個找正定位，就能保證加工的技術要求且批量加工。

　　5工裝設計

　　由于三辨碳環環結構復雜，其幾何尺寸公差和形狀公差的要求高，為了使加工后碳環幾何尺寸公差和形狀公差符合圖紙精度要求，工裝夾具的設計應滿足下述設計原則。

　　5.1保證工件符合要求

　　要保證工件達到圖紙上所要求的精度定位基準最好跟設計基準重合，夾緊力要跟支承點對應，防止工件變形，夾具的加工精度要滿足工件的要求。

　　5.2保證使用安全

　　車床夾具是在高速旋轉情況下工作，所以夾具上連接件必須牢固可靠，以防旋轉時甩出。夾具跟機床連接要有定位臺階，防止因切削力過大剪斷連接螺栓而造成事故。

　　在上述設計思想的指導下，設計出如圖3所示夾具。該夾具的優點是：當把工件裝入夾具中，使工件對機床和刀具有一個相對正確的位置;工件的定位是靠工件上的定位基準和夾具中的定位裝置相接觸來實現的。但在安裝夾具的時候，考慮碳環材料的脆性特點，在輔助壓墊與碳環端面接觸面上鋪墊質軟的四氟墊圈，防止壓板壓緊后造成碳環表面缺損和產生壓痕。夾具和工件裝配見圖4。

　　6效果

　　現場裝置維修應用上述工裝加工的碳環，通過裝機運行檢驗，解決多年來透平軸封漏氣問題，目前在全公司得到推廣。效果是明顯的，主要體現在下述幾個方面：

　　(1)機加工的碳環精度比人工研刮的高，氣封間隙完全能滿足圖紙技術參數;

　　(2)軸封漏氣問題的解決，減少了透平蒸汽消耗且降低透平運行費用，改善了運行環境;

　　(3)廢品率低，節約了備件費用;

　　(4)加工時間短，減少了透平維修時間，提高了生產力。

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