， ， ，

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州　450001)

引言

瓊州海峽跨海隧道工程具有高水壓、長(zhǎng)距離的特點(diǎn)，若采用盾構(gòu)法施工，則對(duì)盾構(gòu)機(jī)的防水密封性能提出了更高要求，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是保證盾構(gòu)機(jī)主軸承的密封性能，一旦主軸承密封失效，就會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)，由于盾構(gòu)機(jī)主軸承洞內(nèi)修復(fù)十分困難，出現(xiàn)上述情況后，將會(huì)增加盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)和施工成本。而目前國(guó)內(nèi)關(guān)于高水壓下盾構(gòu)主軸承密封性能分析方面的研究并不多，文獻(xiàn)[1]研究了在彈簧圈預(yù)緊、過(guò)盈配合及不同介質(zhì)壓力下旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的密封性能；文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]分別研究了唇形密封圈和Y形密封圈在不同工作壓力下的變形及受力分布情況； 文獻(xiàn)[4]研究的是不同壓力下初始過(guò)盈量與唇形密封圈潤(rùn)滑性能的關(guān)系；文獻(xiàn)[5]研究了Yx形密封圈和O形密封圈在應(yīng)力場(chǎng)、 溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下的受力情況和密封性能，探討了發(fā)熱對(duì)密封圈密封性能的影響；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別研究的是O形密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同壓縮率、不同油壓狀態(tài)對(duì)其密封性能的影響。

上述研究從不同角度對(duì)不同類(lèi)型的密封圈進(jìn)行分析研究，但對(duì)于盾構(gòu)機(jī)所用的唇形密封圈的密封性能研究還存在不足，高水壓環(huán)境下唇形密封圈的密封性能變化規(guī)律研究比較缺乏。本研究以某型盾構(gòu)機(jī)所用唇形密封圈為研究對(duì)象，分析唇形密封圈在高水壓條件下的受力狀態(tài)和密封性能變化規(guī)律，研究不同的唇形密封圈保持架結(jié)構(gòu)對(duì)其密封性能的影響，在此基礎(chǔ)上總結(jié)適用于高水壓條件下盾構(gòu)主軸承密封圈設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為適用于大埋深跨江越海隧道的盾構(gòu)設(shè)計(jì)選型提供參考。

1　盾構(gòu)主軸承密封系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1所示的是一種盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，整個(gè)大的密封腔室由刀盤(pán)法蘭、主軸承外圈、主軸承內(nèi)圈、主軸承密封壓環(huán)和密封襯套組成，該密封腔室為開(kāi)放式、刀盤(pán)法蘭和主軸承密封壓環(huán)之間預(yù)留一些凹槽，裝配后形成迷宮密封。

①～⑥.第一至第六密封腔室　1～5.第一至第五唇形密封圈6～11.第一至第六密封圈保持架　12.刀盤(pán)法蘭　13.主軸承外圈14.主軸承內(nèi)圈　15.主軸承密封壓環(huán)　16.密封襯套圖1　盾構(gòu)主軸承密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

五道唇形密封圈和六個(gè)密封圈保持架將整個(gè)大的密封腔室分隔成六個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小密封腔室，其中第一密封腔室與迷宮密封結(jié)構(gòu)相通，需要承受土艙或泥水艙的壓力。該密封腔注入高黏度特種壓力油脂，如HBW油脂，在壓力作用下，HBW油脂不斷沿迷宮密封縫隙溢出，將渣土和泥水阻擋在外面，另一方面迷宮密封自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也能阻擋大顆粒的渣土進(jìn)入第一密封腔。第二、三、四密封腔注入中等黏度的油脂，如EP2油脂。第五密封腔室作為泄漏測(cè)試腔，用以測(cè)試主軸承的密封性能；第六密封腔室注入齒輪油進(jìn)行沖洗潤(rùn)滑，同時(shí)將主軸承滾柱所在的腔室與外密封腔隔開(kāi)，保證滾柱腔體密封潤(rùn)滑可靠。

假設(shè)外界土艙或者泥水艙壓力為p0，第一至第六密封腔的壓力分別為p1，p2，p3，p4，p5，p6，它們之間的關(guān)系一般為：p0p2>p3>p4=p5=p6，每個(gè)密封腔室的壓力是可量測(cè)的[9]。

另一種盾構(gòu)機(jī)主軸承密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖1和圖2中兩種主軸承密封結(jié)構(gòu)相似，都采用了5道唇形密封圈，形成了6個(gè)相對(duì)獨(dú)立的密封腔室，但二者都有自己的特點(diǎn)：圖1中密封結(jié)構(gòu)中密封襯套不可調(diào)，密封圈唇口與其接觸區(qū)固定，圖2中的密封襯套是可調(diào)的，當(dāng)其表面有一定的磨損后，可調(diào)節(jié)密封襯套的位置，使其與密封圈重新保持良好的接觸；圖1中唇形密封圈保持架有楔形突起，該突起位于前一道密封圈的低壓區(qū)，圖2中的密封圈保持架無(wú)楔形突起。兩種密封結(jié)構(gòu)中，第一道唇形密封圈承受的壓力是最大的，文章主要研究第一道唇形密封圈的受力情況。

圖2　帶可調(diào)密封襯套的盾構(gòu)主軸承密封結(jié)構(gòu)圖

2　唇形密封圈材質(zhì)及分析模型

根據(jù)《HG/T 2811-1996旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈橡膠材料》可知，唇形密封圈一般采用以丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠和氟橡膠為基的橡膠材料，其材料特性如表1所示。

橡膠材料通常被認(rèn)為是各向同性且不可壓縮的超彈材料，超彈材料應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線(xiàn)性關(guān)系主要通過(guò)應(yīng)變能函數(shù)來(lái)定義。本研究采用在實(shí)際工程應(yīng)用中常用的Mooney-Rivlin二參數(shù)本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度函數(shù)的表達(dá)式為[10]:

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W—— 應(yīng)變勢(shì)能

I1、I2—— 變形張量

C10、C01—— Mooney-Rivlin常數(shù)

表1　唇形密封圈材料參數(shù)

橡膠材料的彈性模量E與邵爾A(式中用SA表示)、Mooney-Rivlin常數(shù)C10、C01有以下關(guān)系[10]：

(2)

選擇硬度為85度的橡膠，取C01=0.25、C10，得C10=1.7644，C01=0.4411。

3　唇形密封圈受力分析

瓊州海峽跨海隧道工程預(yù)計(jì)需要承受的最大水壓為1.7 MPa，由盾構(gòu)主軸承密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，第一道唇形密封圈承受的壓力最大，需要能夠抵抗1.7 MPa的最大水壓，取安全系數(shù)為1.2，則需要抵抗的設(shè)計(jì)水壓為2.04 MPa，根據(jù)密封作用的原理，當(dāng)密封接觸面的最大接觸壓力大于設(shè)計(jì)壓力時(shí)，即可起到密封作用。分析第一道唇形密封圈的受力情況，分別建立的分析模型如圖3所示。

圖3　唇形密封圈分析模型

當(dāng)?shù)谝幻芊馇缓偷诙芊馇恢g壓力差較大時(shí)，密封唇將會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)在接觸面上將產(chǎn)生一定的接觸壓力，當(dāng)二者的壓力差為0.6 MPa時(shí)，唇形密封圈的受力情況如圖4～7所示。

對(duì)比圖4和圖6中兩種結(jié)構(gòu)密封圈的變形可以看出，其密封唇變形的趨勢(shì)和變化量是不同的。保持架帶楔形突起的密封圈的密封唇呈現(xiàn)“逆時(shí)針”的變形趨勢(shì)，變形量為1.53 mm；保持架無(wú)楔形突起的密封圈的密封唇呈現(xiàn)“順時(shí)針”的變化趨勢(shì)，變形量為6.27 mm。

圖4　保持架帶楔形突起的密封圈受力情況

圖5　保持架帶楔形突起的密封圈接觸情況

圖6　保持架無(wú)楔形突起的密封圈受力情況

圖7　保持架無(wú)楔形突起的密封圈接觸情況

從圖5和圖7的接觸應(yīng)力分布情況來(lái)看，高壓差情況下，兩種密封結(jié)構(gòu)的密封圈唇口的接觸應(yīng)力分布都呈現(xiàn)“山峰”狀，但是保持架帶楔形突起的密封圈呈現(xiàn)的“山峰”更加陡峭，峰值大，接觸應(yīng)力分布更加集中，而保持架無(wú)楔形突起的密封圈唇口呈現(xiàn)的“山峰”較為平緩，峰值小，分布區(qū)域較大。而取得最佳密封效果的理想情況是：盡量采用最小徑向力得到最尖銳“峰值”壓力分布[11]，而且在產(chǎn)生較好密封效果的同時(shí)，保持架帶楔形突起的密封圈與密封襯套接觸面積較小，減緩了密封圈磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。因此，在高壓差情況下，保持架帶楔形突起的密封結(jié)構(gòu)密封性能優(yōu)于保持架無(wú)楔形突起的密封結(jié)構(gòu)。

4　唇形密封圈密封性能變化規(guī)律分析

分別分析當(dāng)唇形密封圈兩側(cè)的壓力差為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa下兩種不同結(jié)構(gòu)的密封圈受力和接觸情況，如表2所示。

得到關(guān)于壓力差與密封圈受力及接觸情況的曲線(xiàn)分別如圖8、圖9和圖10所示。從圖中可以看出，在總變化趨勢(shì)上，隨著唇形密封圈兩側(cè)的壓力差逐漸增大，兩種結(jié)構(gòu)的密封圈變形、等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但各自具有不同的變化特點(diǎn)。

從圖8和圖9中可以看出，盡管隨著壓力差的增加，兩種結(jié)構(gòu)的唇形密封圈的變形有所增大，但增幅是不同的。壓力差增大6倍時(shí)，對(duì)于保持架帶楔形突起的密封圈，其變形量從0.76 mm增加到1.53 mm， 增大了約2倍， 等效應(yīng)力從1.78 MPa增加到2.81 MPa，增大了約1.58倍；而對(duì)于保持架無(wú)楔形突起的密封圈，其變形量從0.76 mm增加到 6.27 mm，增大了約8.25倍，等效應(yīng)力從1.16 MPa增加到6.75 MPa，增大了約5.82倍。這說(shuō)明保持架上的楔形突起存在與否影響著唇形密封圈的結(jié)構(gòu)受力情況， 楔形突起的存在改善了密封圈的受力結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其不隨著外界壓力差的變化而劇烈變化，避免了密封圈在高壓差下產(chǎn)生大的變形量和等效應(yīng)力，延緩了其老化的速度，提高了使用壽命。

圖8　壓力差與密封圈變形的關(guān)系曲線(xiàn)

圖9　壓力差與密封圈等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖10中可以看出，隨著壓力差的增大，兩種結(jié)構(gòu)的唇形密封圈的接觸應(yīng)力呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其增幅也是不同的。壓力差增大6倍時(shí)，對(duì)于保持架帶楔形突起的密封圈，其接觸應(yīng)力從1.99 MPa增加到3.11 MPa，增大了1.56倍；而對(duì)于保持架無(wú)楔形突起的密封圈，其接觸應(yīng)力先增后減， 最終從1.97 MPa增加到2.61 MPa，增大了1.32倍。在整個(gè)變化過(guò)程中，當(dāng)壓力差小于0.45 MPa時(shí)，保持架無(wú)楔形突起的密封圈的接觸應(yīng)力大于保持架帶楔形突起的密封圈，當(dāng)壓力差大于0.45 MPa時(shí)，則剛好相反。這說(shuō)明楔形突起的存在與否影響著唇形密封圈的接觸應(yīng)力或密封性能，楔形突起的存在提高了唇形密封圈密封性能的穩(wěn)定性，避免其隨著外界壓力差的變化而劇烈變化；提高了唇形密封圈在高壓差下的密封性能。

表2　不同壓力差下的兩種結(jié)構(gòu)的密封圈受力和接觸情況

圖10　壓力差與密封圈接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)

5　結(jié)論

分析了唇形密封圈在高水壓條件下的受力狀態(tài)和密封性能變化規(guī)律，研究了不同的唇形密封圈保持架結(jié)構(gòu)對(duì)其密封性能的影響，最終發(fā)現(xiàn)唇形密封圈保持架上的楔形突起對(duì)密封圈受力情況及密封性能具有較大影響：

1) 楔形突起改善了密封圈的力學(xué)結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和密封性能的穩(wěn)定性，使其不隨著外界壓力差的變化而劇烈變化；

2) 楔形突起使密封圈在保證良好密封性能的前提下，產(chǎn)生較小的變形和等效應(yīng)力，減小了密封圈唇口與密封襯套之間的接觸面積， 有利于延緩密封圈的老化，降低密封圈的磨損，延長(zhǎng)使用壽命；

瓊州海峽跨海隧道工程具有高水壓、長(zhǎng)距離的特點(diǎn)， 對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承密封圈的密封性能和使用壽命提出了較高的要求，在盾構(gòu)設(shè)計(jì)選型時(shí)，可考慮采用保持架帶楔形突起的密封圈作為主軸承密封。

參考文獻(xiàn)：

[1]桑建兵，邢素芳，劉寶會(huì),等.旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的有限元分析與仿真[J].液壓與氣動(dòng), 2013,(5):114-117.

[2]陳敏，姜小敏，趙祖欣,等.唇形橡膠密封圈非線(xiàn)性接觸有限元分析[J].潤(rùn)滑與密封,2009,34(11):76-79.

[3]王世強(qiáng)，張付英，張東葛.基于ANSYS的Y形密封圈密封性能研究[J].潤(rùn)滑與密封，2012,(12):67-70,74.

[4]周瓊，李正美，唐建平,等.唇形密封圈潤(rùn)滑性能的數(shù)值模擬[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,(1):132-137.

[5]于潤(rùn)生.液壓密封圈有限元分析與研究[D].天津：天津理工大學(xué),2012,1.

[6]吳莊俊，趙良舉，杜長(zhǎng)春,等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)徑向唇形密封圈密封性能的影響研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,35(11):1451-1455,1581.

[7]徐同江.基于ANSYS的O形密封圈的有限元分析[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2012,2.

[8]楊春明，謝禹鈞，韓春雨.基于Ansys的橡膠O形密封圈密封性能的有限元分析[J].石油與化工設(shè)備, 2010,(13):21-24.

[9]洪開(kāi)榮.高速鐵路特長(zhǎng)隧道水下盾構(gòu)隧道施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013：37-38.

[10]左亮，肖緋雄.橡膠Mooney-Rivlin模型材料系數(shù)的一種確定方法[J].機(jī)械制造，2008,46(527):38-40.

[11]吳曉玲，袁麗娟.密封設(shè)計(jì)入門(mén)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2013:81-82.