張馨宇 李雙喜 馬 也 李慶展 張楠楠

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院流體密封技術(shù)研究中心 北京 100029)

往復(fù)密封是一種動(dòng)密封技術(shù)，它對密封裝置元件的要求很高[4]，其密封性能與摩擦副之間的潤滑、摩擦、密封環(huán)結(jié)構(gòu)及材料等因素相關(guān)[5]。往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦?xí)绊懨芊猸h(huán)與往復(fù)軸的變形，也會(huì)改變密封接觸面間的壓力分布[6]。目前往復(fù)密封技術(shù)在液壓缸、高壓往復(fù)泵等領(lǐng)域的應(yīng)用已十分成熟[7-10]。張付英等[4]對液壓往復(fù)密封的理論、技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展展開綜述討論。SALANT、YANG等[11-12]建立了液動(dòng)往復(fù)密封的有限元模型，分析了多種結(jié)構(gòu)的液動(dòng)往復(fù)密封，研究了模擬Y形圈現(xiàn)實(shí)安裝過程的有限元建模方法。NIKAS與SAYLES[13-16]研究了往復(fù)密封中各種密封材料的應(yīng)力、應(yīng)變以及矩形密封結(jié)構(gòu)受力時(shí)的應(yīng)力變化情況和密封性能。隨著往復(fù)密封工況日益復(fù)雜，對應(yīng)的密封措施也日益增多。德國WERNECKE[17]對U形圈工作時(shí)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行測量并得到一系列溫度、壓力、膜厚的變化規(guī)律。

傳統(tǒng)的剛性軸往復(fù)密封主要采用填料密封，而由于牽引繩受壓變形大，圓度、同軸度較差的特點(diǎn)，若采用填料密封不僅會(huì)增大系統(tǒng)摩擦功耗，而且會(huì)降低密封使用壽命。為此，本文作者自主設(shè)計(jì)一種調(diào)控式牽引繩往復(fù)密封裝置，并針對牽引繩往復(fù)密封性能展開研究，利用有限元分析與試驗(yàn)結(jié)合的方法研究操作參數(shù)對密封性能的影響規(guī)律。

1 牽引繩往復(fù)密封結(jié)構(gòu)及工作原理

自主設(shè)計(jì)的調(diào)控式牽引繩往復(fù)密封裝置為三級(jí)串聯(lián)協(xié)同工作，各級(jí)密封均包括密封環(huán)、密封腔體、支撐環(huán)及輔助密封圈等部件。單級(jí)密封結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 牽引繩往復(fù)密封裝置

該密封工作原理如下：密封預(yù)裝后，輔助密封圈被壓縮建立初始靜密封條件；通過增壓口引入高壓調(diào)控液，在支撐環(huán)支撐作用下，密封環(huán)被迫發(fā)生徑向向內(nèi)變形而與牽引繩緊密貼合，阻止被密封的高壓液體泄漏，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密封，因此稱為調(diào)控式高壓往復(fù)密封。

該密封具有以下特點(diǎn)：采用外部引入的調(diào)控液體，操作簡單，易調(diào)控；檢漏口設(shè)置流量計(jì)，監(jiān)測密封泄漏量反饋調(diào)節(jié)增壓口內(nèi)的調(diào)控壓力，改善密封性能；密封采用三級(jí)串聯(lián)形式，逐級(jí)減壓，各級(jí)密封結(jié)構(gòu)一致，互換性強(qiáng)。

2 有限元模型

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)確定材料模型相關(guān)參數(shù)[18-20]，利用ABAQUS軟件，采用表1給出的結(jié)構(gòu)尺寸及表2給出的材料參數(shù)，建立密封環(huán)、牽引繩、輔助密封圈的二維軸對稱模型并進(jìn)行裝配，完成網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證如圖2所示。

表1 密封關(guān)鍵參數(shù)初始值

表2 模型中的材料參數(shù)

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2.2 分析步及載荷約束定義

分析模擬過程主要包括工件的預(yù)裝、調(diào)控壓力的加載、介質(zhì)壓力的加載、軸的正向行程、軸的反向行程5個(gè)過程。其中正向行程為牽引繩向高壓側(cè)移動(dòng)，位移設(shè)置L=-10 mm，時(shí)長設(shè)置1 s。反向行程為牽引繩向大氣側(cè)移動(dòng)，位移設(shè)置L=5 mm，分析步時(shí)長設(shè)置1 s。將多個(gè)分析步的載荷和約束條件匯總于表3。

表3 不同分析步的載荷和約束定義

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

按照上文完成模型的條件約束及加載，初步設(shè)置調(diào)控壓力pc=8 MPa，介質(zhì)壓力p=6 MPa，對模型進(jìn)行求解，得到密封組件的應(yīng)力及變形分布情況。

2.3.1 應(yīng)力分析

計(jì)算得到的密封組件應(yīng)力分布情況如圖3所示。往復(fù)運(yùn)行的周期中，正反行程的最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域不同。分析是由于正行程時(shí)，密封環(huán)承受的摩擦力與介質(zhì)壓力方向相反，故使得密封環(huán)最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在腔體與低壓區(qū)的貼合部位。反行程時(shí)密封環(huán)承受與介質(zhì)壓力相同的摩擦力，使得密封環(huán)受力情況有所改善，最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在低壓區(qū)凸起區(qū)域的內(nèi)側(cè)。這是因?yàn)椋芊猸h(huán)同時(shí)承受介質(zhì)壓力與調(diào)控壓力作用，介質(zhì)壓力對密封具有開啟作用，靠低壓側(cè)承受的介質(zhì)壓力和調(diào)控壓力的合力更大;密封環(huán)受力情況主要受調(diào)控壓力與介質(zhì)壓力二者的綜合影響。

圖3 密封組件應(yīng)力分布云圖

2.3.2 變形分析

在介質(zhì)壓力與調(diào)控壓力的作用下密封組件發(fā)生內(nèi)嵌，提取牽引繩與密封環(huán)接觸表面上的徑向變形，處理后的結(jié)果如圖4所示。施加調(diào)控壓力后牽引繩出現(xiàn)箍起與內(nèi)嵌，施加介質(zhì)壓力后高壓側(cè)內(nèi)嵌消失，不再與牽引繩貼合。

圖4 牽引繩的徑向變形

往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，牽引繩發(fā)生一定的內(nèi)嵌有利于提高密封性能，降低密封泄漏量；牽引繩過大的變形增大摩擦阻力，不僅會(huì)增加往復(fù)運(yùn)動(dòng)能耗還會(huì)影響密封組件的使用壽命。工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證密封效果的前提下盡量減小密封環(huán)的徑向變形以保證密封裝置的綜合性能。

3 密封性能影響分析

3.1 密封性能評(píng)價(jià)方法

泄漏率及摩擦力是判定往復(fù)密封密封性能的主要依據(jù)。過大的泄漏率會(huì)影響機(jī)械設(shè)備的正常使用，摩擦力則是影響往復(fù)密封功耗及壽命的關(guān)鍵參數(shù)，文中針對牽引繩往復(fù)密封裝置的泄漏率和摩擦力展開研究。

3.1.1 泄漏率

影響密封泄漏的因素很多，從操作參數(shù)來說，介質(zhì)壓力、調(diào)控壓力是影響泄漏率的關(guān)鍵因素。從結(jié)構(gòu)參數(shù)來說，密封環(huán)和牽引繩表面加工的精度也會(huì)引起泄漏。為了便于研究往復(fù)過程中的泄漏狀態(tài)，根據(jù)密封組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將密封環(huán)與牽引繩密封環(huán)隙間的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)簡化為一維流動(dòng)。正反雙行程的膜壓分布曲線如圖5所示。

圖5 往復(fù)密封內(nèi)外行程膜壓分布

為方便計(jì)算泄漏率，文中規(guī)定正行程符號(hào)為i，反行程符號(hào)為o。假設(shè)牽引繩的運(yùn)行速度為u，流體黏度為η，高壓區(qū)流體壓力為p，環(huán)隙流體膜厚為h(x)，膜壓p=p(x)。設(shè)定環(huán)隙膜壓最大處的流體膜厚為h*，動(dòng)摩擦因數(shù)為μ。根據(jù)一維雷諾方程，反行程時(shí)

(1)

假設(shè)流體膜壓與接觸比壓分布情況相同，微分可得

(2)

又知斜率最大點(diǎn)A處d2p/dx2=0，代入上式有

(3)

令反行程最大膜壓梯度ωA=(dp/dx)A，則可得hA表達(dá)式

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

那么由質(zhì)量守恒定律，可得到空氣側(cè)的膜厚為最大膜壓處的1/2，即

(6)

同理正行程時(shí)

(7)

那么可得正、反向行程的泄漏率Vi及Vo計(jì)算式如式(8)和式(9)所示。

(8)

(9)

故牽引繩一個(gè)完整行程的凈泄漏率V計(jì)算式為

(10)

調(diào)控式牽引繩高壓往復(fù)密封的泄漏率的計(jì)算過程為：經(jīng)有限元分析模擬后，提取密封環(huán)與牽引繩接觸面上的流體膜壓曲線；將提取出的膜壓分布曲線導(dǎo)入MATLAB求解得到膜壓最大點(diǎn)位置以及對應(yīng)的流體膜厚，代入式(10)即可得到牽引繩往復(fù)密封的泄漏率。

3.1.2 摩擦力

往復(fù)密封中摩擦力是影響密封使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)，是考察密封性能的重要指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，摩擦力大小與摩擦副接觸面所受正壓力和摩擦因數(shù)相關(guān)，在文中正壓力與密封環(huán)的流體膜壓及接觸面積有關(guān)。摩擦力計(jì)算公式如式(11)所示。

(11)

式中：f為摩擦力，N；μ為動(dòng)摩擦因數(shù)；p(x)為沿接觸面的流體膜壓分布，MPa；d為牽引繩直徑，mm。

3.2 調(diào)控壓力對密封性能的影響

令介質(zhì)壓力p=6 MPa，改變調(diào)控壓力pc的大小，進(jìn)行模擬分析。分析計(jì)算得到的正反運(yùn)行過程中不同調(diào)控壓力與接觸應(yīng)力(即流體膜壓)關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同調(diào)控壓力下的流體膜壓分布

牽引繩與密封環(huán)之間的密封是通過施加調(diào)控壓力后，沿接觸面的接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力實(shí)現(xiàn)的，圖6所示的正反2個(gè)行程中，密封環(huán)中部凸起位置的接觸應(yīng)力均大于介質(zhì)壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封效果，顯著地減小密封泄漏。

將上述正反行程流體膜壓分別代入公式求解后得到密封泄漏率及摩擦力隨調(diào)控壓力變化曲線，如圖7所示?？芍?，隨著調(diào)控壓力增長，密封泄漏率先迅速下降，而后緩慢下降并逐漸趨于穩(wěn)定;當(dāng)調(diào)控壓力大于介質(zhì)壓力的1.3倍時(shí)(即7.8 MPa)，密封泄漏率泄漏率小于0.5 mL/s，并且不再發(fā)生變化。密封摩擦阻力隨著調(diào)控壓力變化呈現(xiàn)先緩后急的增長趨勢，這是因?yàn)檫^大的調(diào)控壓力增加了牽引繩與密封環(huán)接觸面上的正壓力。增大調(diào)控壓力可以顯著地降低密封泄漏率，但同時(shí)增大密封摩擦阻力，影響牽引繩實(shí)際使用效果，降低使用壽命。在實(shí)際工程應(yīng)用中，要綜合考慮介質(zhì)壓力對密封性能的影響規(guī)律，維持調(diào)控壓力比介質(zhì)壓力高0.2～0.5 MPa時(shí)能夠保證密封效果最好。

圖7 不同調(diào)控壓力下的泄漏率與摩擦力

3.3 介質(zhì)壓力對密封性能的影響

令調(diào)控壓力pc=8 MPa，改變介質(zhì)壓力p的大小，進(jìn)行模擬分析,得到不同介質(zhì)壓力下正反行程下流體膜壓分布如圖8所示。介質(zhì)壓力小于等于調(diào)控壓力時(shí)，密封環(huán)中部凸起位置的接觸應(yīng)力均大于介質(zhì)壓力，可以實(shí)現(xiàn)密封;當(dāng)介質(zhì)壓力大于調(diào)控壓力時(shí)，密封環(huán)只有部分區(qū)域的接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力，密封可能發(fā)生泄漏。

圖8 不同介質(zhì)壓力下的流體膜壓分布

將上述正反行程流體膜壓分別代入公式求解后得到密封泄漏率及摩擦力隨介質(zhì)壓力變化曲線,如圖9所示。可知，介質(zhì)壓力小于等于調(diào)控壓力時(shí)，泄漏率受調(diào)控壓力影響較為敏感，密封泄漏率低于2 mL/s，能夠保證良好的密封效果；而當(dāng)介質(zhì)壓力大于調(diào)控壓力時(shí)密封泄漏率直線上升，工程應(yīng)用中需盡量保證調(diào)控壓力大于介質(zhì)壓力。隨著介質(zhì)壓力增大密封摩擦阻力線性減小，這是因?yàn)榻橘|(zhì)壓力對密封環(huán)具有開啟作用，增高介質(zhì)壓力能夠降低流體膜壓，減小接觸面正壓力進(jìn)而減小摩擦阻力。

圖9 不同介質(zhì)壓力下的泄漏率與摩擦力

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為對上文的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)搭建了如圖10所示的試驗(yàn)方案。由于密封主試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)具有兩側(cè)對稱結(jié)構(gòu)，在主試驗(yàn)裝置兩側(cè)分別只安裝一級(jí)密封組件，記錄不同調(diào)控壓力和介質(zhì)壓力下的泄漏率。牽引繩單向運(yùn)動(dòng)時(shí)所測量的泄漏率即為完成一個(gè)往復(fù)軸周期的泄漏率。采用彈簧拉力計(jì)水平拖拽牽引繩，測量得到的密封摩擦阻力為實(shí)際阻力的2倍。牽引繩往復(fù)密封性能試驗(yàn)流程如下：將動(dòng)力裝置、試驗(yàn)主體裝置及彈簧拉力計(jì)密封裝置等通過牽引繩依次連接后，啟動(dòng)試驗(yàn)裝置；通過輔助系統(tǒng)調(diào)節(jié)調(diào)控壓力與介質(zhì)壓力，并在檢漏口收集單位時(shí)間內(nèi)被密封介質(zhì)的泄漏量；記錄調(diào)子吊秤全程示數(shù)變化，摩擦數(shù)據(jù)平穩(wěn)時(shí)認(rèn)為是動(dòng)摩擦阻力。

圖10 往復(fù)密封試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)得到的不同介質(zhì)壓力和調(diào)控壓力下密封泄漏率與摩擦力與有限元模擬對比如圖11所示。不同調(diào)控壓力與介質(zhì)壓力下，牽引繩往復(fù)密封的泄漏率與摩擦力的試驗(yàn)值走勢均與有限元模擬分析相同。由于試驗(yàn)過程存在不可控誤差，故模擬值與試驗(yàn)值大小存在一定差異性，但在可接受范圍內(nèi)，故可認(rèn)為所進(jìn)行的有限元分析結(jié)果是可靠的。

圖11 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

5 結(jié)論

(1)針對實(shí)際工況條件，提出了一種新型調(diào)控式往復(fù)密封結(jié)構(gòu)，采用合理的調(diào)控壓力與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)較好的接觸應(yīng)力分布，顯著地減少密封泄漏。

(2)有限元模擬結(jié)果表明：調(diào)控壓力接近介質(zhì)壓力時(shí)密封泄漏趨于平穩(wěn)，泄漏率小于1 mL/s，當(dāng)調(diào)控壓力大于介質(zhì)壓力的1.3倍時(shí)，密封泄漏率接近于0；密封摩擦阻力隨著調(diào)控壓力變化呈現(xiàn)先緩后急的增長趨勢，較大的調(diào)控壓力增加密封功耗；介質(zhì)壓力對密封環(huán)具有開啟作用，增高介質(zhì)壓力能夠降低流體膜壓并減小摩擦阻力。工程應(yīng)用中，維持調(diào)控壓力比介質(zhì)壓力高0.2～0.5 MPa時(shí)密封效果最好。

(3)試驗(yàn)得到的密封性能隨調(diào)控壓力和介質(zhì)壓力的變化規(guī)律，與有限元模擬結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了有限元計(jì)算的正確性和牽引繩用高壓往復(fù)密封設(shè)計(jì)方案的可行性。有限元分析及試驗(yàn)研究結(jié)果對牽引繩用高壓往復(fù)密封的工程設(shè)計(jì)與正確使用具有重要指導(dǎo)意義。