【关键词】碳环 碳环密封 碳环机加工 工装夹具
【摘 要】碳环有很好的耐磨性、自润滑性、耐高温性被广泛应用于各种蒸汽透平的轴端密封，碳环装配前要通过手工对其进行刮削或研磨来获得与主轴的装配间隙。由于碳环机械强度低、易脆，手工研刮碳环装配间隙较难控制，通常情况是间隙过大，透平运行机制时造成轴封出现较大漏气，因此提出用机加工方法加工碳环来达到装配间隙精度，降低轴封漏气。
1前言
上世纪70年代初引进的年产300kt合成氨装置，功率在100kW以下的透平使用较为普及，通过3O年的运行，反映出的问题主要是运行中透平两端气封漏蒸汽。蒸汽的泄漏，增大了透平的蒸汽消耗，提高了运行成本，同时造成了对环境的污染。随着能源的紧缺和价格的上涨，为降低透平轴封漏气造成的经济损失，如何降低透平轴封漏气问题显得更为重要。
2问题分析
透平轴端密封结构如图l所示。压力侧(缸内)参数为压力3．2MPa、温度321℃蒸汽顺序进入四组碳制形成的密封腔逐级节流降压实现密封目的。因此要求在组装前，通过人工研刮碳环内径来控制与主轴的间隙在技术要求数值范围内，才能确保碳环在工作状态起到密封作用。由于碳环机械强度低、脆性强，人工研刮存在一定的难度，碳环间隙很难达到技术要求数据，同时为了防止间隙过小工作状态出现碳环热膨胀抱轴，密封间隙的控制通常取高限，结果是造成在工作状态下轴封产生漏气。
3加工工艺制定
由于密封碳环间隙是通过研刮碳环内孔直径来实现的，考虑碳环材料有一定的硬度和新备件碳环留有加工余量，提出用机加工来替代人工研刮碳环．提高碳环加工精度，确保密封间隙满足技术要求，达到降低碳环气封泄漏的目的。通过对碳环材料性能和结构进行分析，制定出下述加工工艺：
(1)套类零件“碳环”属于非金属复合材料机械用碳石墨材料，导热性好，温急变好，线膨胀系数小，相对密度小，但机械强度低，较脆。可通过控制加工速度、进刀量和加强冷却的方法来保证。
(2)气封零件内孔加工的难度较大，如图2所示，密封碳环由三块120。半圆形面组成，正常机加工难以满足加工精度，需设计专用工装才能实现加工精度。
(3)透平转轴上的密封碳环相对位置精度必须采用工序集中的方法，在一次安装中端面及内孔同心度应达到技术指标。
4加工方法的确定
碳环的加工精度将直接影响使用性能和寿命，零件表面的加工方法多种多样，但要获得实际要求的公差等级，必须对设备条件、生产类型、技术水平等方面综合考虑。通过类比分析，选取技术上可行，经济上合理的加工方法。
4．1装夹方式
由于碳环材料的特殊性，工件不能采用三爪自定心卡盘或四爪单动卡盘直接装夹，可采用其他方法或方式获得。
4．2加工基准的选取
根据碳环外形特点，技术要求，位置精度要求，将制作的专用夹具以正确的位置安装在机床上，在按照六点定位原理在夹具中定位夹紧加工碳环，确保碳环的位置精度，来确定加工基准。该方法具有下述优点：
(1)用夹具装夹工件，定位精度高且稳定；
(2)加工同型号一批工件时，不必逐个找正定位，就能保证加工的技术要求且批量加工。
5工装设计
由于三辨碳环环结构复杂，其几何尺寸公差和形状公差的要求高，为了使加工后碳环几何尺寸公差和形状公差符合图纸精度要求，工装夹具的设计应满足下述设计原则。
5．1保证工件符合要求
要保证工件达到图纸上所要求的精度定位基准最好跟设计基准重合，夹紧力要跟支承点对应，防止工件变形，夹具的加工精度要满足工件的要求。
5．2保证使用安全
车床夹具是在高速旋转情况下工作，所以夹具上连接件必须牢固可靠，以防旋转时甩出。夹具跟机床连接要有定位台阶，防止因切削力过大剪断连接螺栓而造成事故。
在上述设计思想的指导下，设计出如图3所示夹具。该夹具的优点是：当把工件装入夹具中，使工件对机床和刀具有一个相对正确的位置；工件的定位是靠工件上的定位基准和夹具中的定位装置相接触来实现的。但在安装夹具的时候，考虑碳环材料的脆性特点，在辅助压垫与碳环端面接触面上铺垫质软的四氟垫圈，防止压板压紧后造成碳环表面缺损和产生压痕。夹具和工件装配见图4。
6效果
现场装置维修应用上述工装加工的碳环，通过装机运行检验，解决多年来透平轴封漏气问题，目前在全公司得到推广。效果是明显的，主要体现在下述几个方面：
(1)机加工的碳环精度比人工研刮的高，气封间隙完全能满足图纸技术参数；
(2)轴封漏气问题的解决，减少了透平蒸汽消耗且降低透平运行费用，改善了运行环境；
(3)废品率低，节约了备件费用；
(4)加工时间短，减少了透平维修时间，提高了生产力。
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