繆樹峰 ， 王清發(fā) ， 郭千里 ， 王煥澄 ， 方 兵 ， 葉大鵬

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350000）

在現(xiàn)代工業(yè)加工生產(chǎn)活動中，立磨因節(jié)能高效等優(yōu)勢已被廣泛使用。在立磨設(shè)備中，磨輥軸的軸承性能與結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣決定了設(shè)備的工作效果[1]。而軸承結(jié)構(gòu)的密封效果則直接影響軸承的使用壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。由于立磨在工作過程中往往會產(chǎn)生大量的粉塵，并且工作環(huán)境相對密封，這樣密閉重塵的工作環(huán)境對軸承的密封性能產(chǎn)生了較高的要求，如果立磨磨輥部件的密封性能較差，將使外界環(huán)境中的粉塵等進(jìn)入磨輥軸軸承的內(nèi)部，使得潤滑油遭受污染，輪轂軸承工作表面腐蝕，并且可能使得磨輥軸間隙溝道與滾動體之間產(chǎn)生磨損[2]。這種磨損一旦發(fā)生不僅影響立磨設(shè)備的工作效率與工作平穩(wěn)性，也會大大縮短輪轂軸承的使用壽命，甚至有時(shí)會致使設(shè)備卡死制動造成慘重生產(chǎn)事故，因此，對軸承抗塵密封能力的研究對磨料等行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。為此，相關(guān)人員進(jìn)行了相關(guān)的研究，例如，大峘集團(tuán)有限公司通過在原有一般的立磨磨輥軸防塵措施的條件下，通過在原有結(jié)構(gòu)上添加磨輥保護(hù)罩，該保護(hù)罩實(shí)現(xiàn)了密封間隙的外移，使得原本高粉塵環(huán)境下的密封間隙轉(zhuǎn)移至粉塵濃度較低的空間，令油封和立磨內(nèi)部環(huán)境分離，減少了粉塵與關(guān)鍵部件接觸的機(jī)會，極大地提高了密封效果[3-4]。但是該結(jié)構(gòu)體積較大，并不適用于所有立磨設(shè)備。為了探究更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用、應(yīng)用范圍更大、效果更好的改進(jìn)方式，現(xiàn)對磨輥軸軸承密封的研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研和分析[5]。

1 密封圈密封

從傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的密封件使用中來看，密封圈材料一般分為金屬材料和彈性材料[6]。一方面，彈性材料通常為橡膠[7]，由于橡膠材料的生產(chǎn)成本低廉且具有一定彈性，因此，被廣泛運(yùn)用在機(jī)械設(shè)備軸類機(jī)構(gòu)的密封設(shè)計(jì)中。另一方面，金屬材料的密封件對高溫環(huán)境的適應(yīng)能力有著彈性材料無法取代的地位。金屬材料密封件的缺陷也顯而易見，金屬材料不具有彈性，與相關(guān)零件之間的接觸絕大多數(shù)為剛性接觸，因此在長時(shí)間的工作下，金屬零件往往容易出現(xiàn)疲勞破壞引發(fā)的磨損、變形和斷裂等情況[8]。隨之而來的是密封效果的大幅度下降，直至無法滿足生產(chǎn)需求，必須更換新的密封件，而在某些機(jī)械結(jié)構(gòu)，如立磨中密封件的更換需要拆換大量大質(zhì)量零件，造成較高的維護(hù)成本[9]。彈性材料的磨損速度雖然遠(yuǎn)低于金屬材料，但是磨損也是大多數(shù)情況下導(dǎo)致彈性材料密封件失效的原因[10]。根據(jù)這種情況，研究者對密封件的優(yōu)化進(jìn)行了相關(guān)研究[11-16]。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，彈性密封圈是軸類結(jié)構(gòu)常見的密封結(jié)構(gòu)，彈性密封圈對軸類結(jié)構(gòu)的密封有著至關(guān)重要的作用[17-20]。

1.1 彈性密封圈力學(xué)分析

為對密封圈的工作效果進(jìn)行優(yōu)化，相關(guān)研究者對彈性密封圈的力學(xué)性質(zhì)開展了相關(guān)的研究工作。

2021年Grün J等對徑向唇形密封件磨損進(jìn)行了研究，通過對唇形密封件進(jìn)行三維建模，對該模型進(jìn)行仿真分析，觀察該模型在仿真中的宏觀變形和軸表面接觸區(qū)域的應(yīng)力關(guān)系[21]。結(jié)果顯示，唇形密封件的里外兩側(cè)均存在著應(yīng)力，且流體側(cè)的接觸角明顯高于空氣側(cè)，朝向流體側(cè)出現(xiàn)接觸壓力剖面的最大值，通過流體動力學(xué)研究唇形密封件的全面失效邊界條件。

浙江工業(yè)大學(xué)劉旭星通過對輪轂軸承密封圈的有限元分析，對唇形密封圈的初始過盈量、摩擦系數(shù)、法蘭不同轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，探討了其設(shè)計(jì)的唇形密封圈最大Von Mises應(yīng)力，以及橡膠密封唇與法蘭（凸緣）接觸面間的最大接觸應(yīng)力與設(shè)計(jì)變量的對應(yīng)關(guān)系，其結(jié)果如表1所示。張守麗等利用有限元分析軟件ABAQUS建立輪轂軸承密封圈二維軸對稱模型，分析相關(guān)參數(shù)對輪轂軸承密封圈密封性能和摩擦力矩的影響。

表1 唇形密封圈不同設(shè)計(jì)參數(shù)與力學(xué)特性的相關(guān)性結(jié)果

1.2 彈性密封圈材料優(yōu)化

2020年清華大學(xué)的徐小堯等對非正交網(wǎng)狀織物增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料及其復(fù)合織物橡膠密封件的力學(xué)性能進(jìn)行了分析｛XE"1"｝｛XE"1"｝，通過對多種不同組織形態(tài)的橡膠材料進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與內(nèi)部織物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，如圖1所示。通過改變內(nèi)部織物橡膠復(fù)合材料方向之間的初始角度和軸方向，來達(dá)到表面織物結(jié)構(gòu)透氣效果與磨損效果之間的平衡[22]。

圖1 材料組織示意圖

密封件與軸承接觸在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的摩擦是相互作用的，因此，為提高彈性密封圈密封效果而討論對彈性密封環(huán)優(yōu)化的同時(shí)對旋轉(zhuǎn)軸本身進(jìn)行考慮也十分重要。機(jī)械設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)軸類零件時(shí)，考慮到高速旋轉(zhuǎn)工況對密封件與旋轉(zhuǎn)軸的接觸面有較高要求，往往僅通過增加加工精度的方式來增強(qiáng)質(zhì)量，最先進(jìn)的制造工藝通常包括預(yù)轉(zhuǎn)彎、外殼硬化和沖壓研磨，與此同時(shí)，許多研究者也在旋轉(zhuǎn)桿工作面質(zhì)量方面開展了一些研究。清華大學(xué)的Li Shenhou等通過對設(shè)備旋轉(zhuǎn)部件密封部位工作之前的金屬材料組織進(jìn)行檢測，具體觀察了該部位金屬的晶須生長形態(tài)、細(xì)粒和粗粒形態(tài)，以研究表面氧化物形態(tài)對密封黏合行為的影響[23]。該研究指出通過密封前的預(yù)氧化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對連接部位金屬組織的螺紋生長形態(tài)、復(fù)雜的細(xì)粒生長形態(tài)和多面等軸粗粒形態(tài)的改造，通過降低晶須含量、增加粗粒的組織數(shù)量來達(dá)到提高氧化層質(zhì)量的目的，增強(qiáng)軸的強(qiáng)度，延長密封件可靠工作時(shí)長。此外，Thielen等將微尺度顆粒用作噴射材料，旨在在軸加工表面形成一層細(xì)致的疏水層，能使得潤滑油得以在其表面形成一定張力而不產(chǎn)生粘黏，因此可以理解為表面的微噴丸[24]。該實(shí)驗(yàn)通過料速率為10 g/h的尺寸為5 μm~35 μm鈦顆粒，利用氣瓶束制造恒定壓力以減少壓力波動，采用噴嘴進(jìn)口溫度500 ℃作為工藝溫度對材料進(jìn)行噴丸處理，結(jié)果顯示，噴丸顯著地改變了最初轉(zhuǎn)動的表面，也極大地減少了摩擦。噴丸工藝在提高軸承表面質(zhì)量的同時(shí)會對工作表面造成一定影響，對于高精度要求的配合面應(yīng)予以適當(dāng)考慮[25]。

1.3 彈性密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

彈性密封件的密封除去材料本身微觀組織結(jié)構(gòu)對其密封效果有影響之外，其外觀結(jié)構(gòu)也有一定影響。2021年Kim G H等通過對適用于高壓和超真空的O型密封圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由于金屬O型密封圈的長期性能取決于它們的彈性，有必要最大限度地提高彈性以加強(qiáng)其長期性能[26]。通過對密封圈受力方式的研究發(fā)現(xiàn)密封圈的受力并不是圓周對稱，處于受壓力的上下端點(diǎn)以及與之垂直的左右兩側(cè)受壓力最大，Kim G H等為實(shí)現(xiàn)密封圈在載荷下出現(xiàn)均勻應(yīng)力，避免應(yīng)力集中，將O型密封圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，該新型O型密封圈的彈性比普通O型密封圈提高了31%。

2 迷宮密封

迷宮密封是當(dāng)下軸類結(jié)構(gòu)密封的研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、水下作業(yè)等領(lǐng)域，有著低污染、高效率等優(yōu)點(diǎn)[27-28]。當(dāng)前，研究者大多數(shù)的研究集中在迷宮密封的仿真分析，密封件和空腔等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上，通過對密封件和空腔等結(jié)構(gòu)的外形、材料等的優(yōu)化以改善密封效果，提高機(jī)械的工作效率。為了更好地總結(jié)歸納，比較各類迷宮結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，現(xiàn)對當(dāng)前研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研。

2.1 迷宮密封力學(xué)分析

迷宮密封具有耐高溫、抗高壓、耐摩擦、適用于高速工作環(huán)境和抵抗固體顆粒污染等優(yōu)點(diǎn)。迷宮式密封中的密封流動會產(chǎn)生流體不穩(wěn)定力，進(jìn)而導(dǎo)致整體機(jī)械振動。為了得到更優(yōu)的幾何模型，研究者一般的技術(shù)路線如下：首先，建立參考幾何結(jié)構(gòu)的CFD模型，通過幾何學(xué)實(shí)驗(yàn)對參考幾何模型進(jìn)行合理優(yōu)化，得到幾種可能合理的幾何結(jié)構(gòu)，接著研究者通過試驗(yàn)對幾種候選模型進(jìn)行進(jìn)一步的評估和確認(rèn)，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到滿足需求的優(yōu)化幾何模型[29-31]。

2020年Szymański等基于AnsysCFX軟件和CFD模擬，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試和分析[32]。對迷宮密封中常見的光滑型、蜂巢型、折疊蜂巢型和菱形迷宮型4種常見的迷宮類型進(jìn)行了力學(xué)性能分析，得到參考幾何參數(shù)和優(yōu)化幾何值，在其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，平滑陸地密封優(yōu)化考慮了5個輸入幾何參數(shù)：第一鰭翼角、第二鰭翼角、鰭片間距、翼片高度和翅片厚度。蜂巢型、折疊蜂巢型和菱形迷宮三種密封優(yōu)化迷宮考慮了6個輸入幾何參數(shù)：第一鰭位置、第二鰭位置、第一鰭角、第二鰭角、翅翼高度和翅翼厚度。同時(shí)，試驗(yàn)還得到結(jié)論：在光滑的蜂窩狀和菱狀陸地結(jié)構(gòu)中可以看到最顯著的減少，分別高達(dá)23.4%、22.7%和18.1%，優(yōu)化的效果隨著間隙尺寸的增大而減小。在壓縮蜂窩的情況下可以觀察到相反的趨勢，其中最小葉尖間隙的優(yōu)化效應(yīng)可以忽略不計(jì)。

除了對密封結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析以外，研究者同時(shí)亦對迷宮式密封的相關(guān)因素進(jìn)行仿真模擬，以獲得更好的優(yōu)化方案。例如，2021年Augusto團(tuán)隊(duì)對迷宮式密封件中的非等溫潤滑脂流進(jìn)行了數(shù)值研究，評價(jià)了傳熱和黏性耗散對機(jī)械損失的影響，指出聚合物密封的優(yōu)點(diǎn)，相比于金屬結(jié)構(gòu)在連續(xù)輸送帶操作中耗能更低，但是，高工作溫度會導(dǎo)致潤滑劑降解[33]。

從制造和操作的角度來看，厚度較大、傾角相對較大的翅片在制造和測試過程中造成的問題較少。薄而高度傾斜的鰭片難以制造，而且很容易損壞。在測試過程中，需要非常小心，以避免制動或彎曲。

2.2 新型迷宮密封結(jié)構(gòu)

本文對迷宮式密封件中的非等溫潤滑脂流進(jìn)行了數(shù)值研究，評價(jià)了傳熱和黏性耗散對機(jī)械損失的影響。采用阿倫尼烏斯型方程來表示潤滑脂黏度對溫度的依賴性，并包含在數(shù)學(xué)建模中。傳熱和黏性耗散提高了流動溫度，從而降低了潤滑脂黏度，從而導(dǎo)致摩擦損失。還評估了迷宮式材料（鋼和聚合物）對熱損失的影響，以及對黏性損失的影響。與聚合物迷宮相比，聚合物迷宮提供了更高的溫度水平，因?yàn)槠漭^低的導(dǎo)熱性[34]。

2.2.1 可變徑向間隙的兩級磁性流體真空密封件

2019年P(guān)armar等為解決大尺寸氣封密封裝置在高速運(yùn)動過程中密封效果下降的問題，對兩級磁性流體密封件進(jìn)行可變轉(zhuǎn)速和徑向間隙下的性能模擬測試[35-36]。兩級磁性流體密封通常用于大軸直徑、低真空度的真空裝置的軸承保護(hù)，也可以應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械臂等中的密封[36]。利用FEMM分析討論兩級磁性流體密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀、徑向間隙和流體磁化強(qiáng)度對密封效果的影響。結(jié)果表明，由于楔形桿件、最佳展寬比、較高的場梯度和較高的流體磁化強(qiáng)度，流體塞的保壓能力增加，只能在較大的徑向間隙下維持壓差。

2.2.2 疊加槽氣面密封件

同時(shí)，也有研究者通過對密封結(jié)構(gòu)表面離散性質(zhì)的改善來提高軸類零件的密封性能，通過對密封件表面的紋理設(shè)置，如凹槽、條紋和凸角等工藝的實(shí)施，來提高其承載能力以及接觸面表面質(zhì)量和穩(wěn)定性。2020年Jiang J等在數(shù)值和實(shí)驗(yàn)上對不同幾何模型在不同表面紋理下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能進(jìn)行了比較研究，進(jìn)行了一種新的表面紋理設(shè)計(jì)，以更好地權(quán)衡良好的密封性能和可能的良好的耐磨性能[37]。結(jié)果表明，在靜壓和高速條件下，凸表面的膜剛度分別優(yōu)于其他紋理表面。與其他凹槽相比，上凹槽和下凹槽的組合紋理表面具有大膜剛度、薄膜穩(wěn)定性和耐磨能力的優(yōu)良組合。

2.2.3 斜孔腔阻尼密封件

2021年Zhang X等研究了孔型阻尼密封件孔腔形狀的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和幾何優(yōu)化，以此降低運(yùn)行過程中潤滑泄漏率，保持密封件的密封效果，通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法對直孔或斜孔腔的孔形阻尼密封和迷宮式密封（LS）的泄漏特性進(jìn)行了比較[38]，提出了一個三速區(qū)域的速度場，揭示了風(fēng)斜孔形阻尼密封的泄漏減少機(jī)理，研究了運(yùn)行條件和關(guān)鍵幾何參數(shù)對風(fēng)斜孔形阻尼密封件泄漏率的影響。結(jié)果表明，風(fēng)斜孔紋阻尼密封、斜齒迷宮密封和斜孔紋密封的泄漏率明顯降低，最大泄漏減少率達(dá)25%?？拷浊怀隹趦蓚?cè)形成的低速區(qū)域和孔腔內(nèi)完全發(fā)育的湍流渦旋是致使風(fēng)斜孔型阻尼密封泄漏減少的主要原因。此外，風(fēng)斜孔型阻尼密封的減漏能力在很大程度上取決于密封間隙、孔徑和軸向斜角等參數(shù)值的正確匹配。直徑較大的孔適用于較大的密封間隙條件，而直徑較小的孔則適用于較小的密封間隙條件。

2.2.4 渦旋壓縮機(jī)尖端密封件

Fukuta等采用尖端密封防止卷軸壓縮機(jī)卷軸包裝尖端出現(xiàn)徑向泄漏問題，由于當(dāng)尖端密封被硬壓在滾動軸的基板上時(shí)，徑向泄漏將減少，而尖端密封處的摩擦將增加，故在泄漏和摩擦力之間存在著權(quán)衡。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為需要厘清泄漏與尖端密封處的摩擦之間的關(guān)系，以優(yōu)化渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)。本研究開發(fā)了一種可同時(shí)評估尖端密封滑動表面泄漏和摩擦的試驗(yàn)裝置。用試驗(yàn)裝置檢驗(yàn)了上游壓力以及尖端密封的長度、寬度、供油率、轉(zhuǎn)速、油黏度等幾種參數(shù)對密封效應(yīng)和摩擦力的影響，并推廣了這些參數(shù)的影響[39]。

2.2.5 鐮刀形凹槽扇貝密封件

鐮刀形凹槽扇貝密封件是具有類扇貝結(jié)構(gòu)的密封件，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性而常被用于高壓離心壓縮機(jī)的密封設(shè)計(jì)中。2021年Zahorulko等采用CFD對密封件的水動力學(xué)特性進(jìn)行了分析計(jì)算，同時(shí)，為優(yōu)化鐮刀形凹槽扇貝密封件的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高鐮刀形凹槽扇貝密封件在高壓離心壓縮機(jī)中的密封效果，研究團(tuán)隊(duì)采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)分析了扇貝深度寬度、肋寬度、扇貝數(shù)量對扇貝密封性能的影響，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[40]。

2.2.6 交錯螺旋齒結(jié)構(gòu)迷宮式密封件

2021年Zhou W等提出了一種新型交錯螺旋齒（SHT）結(jié)構(gòu)迷宮式密封，通過數(shù)值模擬方法，研究了密封間隙、壓降、齒數(shù)和偏心度對新模型的影響[41]。此外，還比較和分析了具有SHT結(jié)構(gòu)的迷宮式密封與具有普通螺旋齒（OHT）結(jié)構(gòu)的迷宮式密封之間的靜態(tài)特性的差異。結(jié)果表明，迷宮式齒結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，具有更好的精度。SHT結(jié)構(gòu)比OHT結(jié)構(gòu)具有更好的防漏性能，因?yàn)榍罢咴诮诲e位置可以產(chǎn)生更高的湍流能量耗散。此外，流體誘導(dǎo)的力隨著偏心度和壓降的增加而增加。新模型和相應(yīng)結(jié)果為環(huán)密封結(jié)構(gòu)的研究提供有意義的參考。

2.2.7 新型螺旋梳式氣封

由于大多數(shù)氣密密封件在工作條件下周向螺旋流是造成切向力不穩(wěn)定的主要原因[42]，2020年Zhang M等人通過構(gòu)想控制圓周螺旋流，提出了螺旋梳式密封件。其原理在于利用螺旋齒的引導(dǎo)作用，可以產(chǎn)生負(fù)的環(huán)向螺旋流[43]。實(shí)驗(yàn)采用三維計(jì)算流體動力學(xué)方法研究了螺旋梳式密封的性能。通過參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)螺旋角為15°，可以得到最小切向力。切向力隨著螺旋齒數(shù)和螺旋齒高度的增加而減小。考慮到螺旋齒與轉(zhuǎn)子之間的摩擦，螺旋齒的高度應(yīng)略小于相鄰梳齒的高度。

3 總結(jié)與展望

通過對當(dāng)前軸類密封技術(shù)的相關(guān)研究分析，當(dāng)前的軸類密封研究顯示出目前的研究越來越具有針對性，研究者的研究選取某種特定的工況，而不是非特殊工況下的討論。同時(shí)，研究對象從單純的結(jié)構(gòu)研究拓展到對密封件微觀組織結(jié)構(gòu)的探究，從組織結(jié)構(gòu)的角度入手，通過改變元器件自身材料性質(zhì)制造出更符合目標(biāo)工況下的密封結(jié)構(gòu)，使得密封更具有針對性，一定程度上減少了性能的冗余[44]。

對于軸承密封今后的研究方向，其大致趨勢如下：

1）軸承密封的討論會更加具有針對性，研究者的研究對象不僅僅停留在一般工況下的軸類密封。研究者在對密封件的優(yōu)化設(shè)計(jì)上會對其面對的工作工況，如溫度、濕度和承受壓力等條件進(jìn)行多方位的考慮，將這些對結(jié)構(gòu)可能造成一定影響的環(huán)境要素加入設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中去。

2）軸承密封的討論會更加依賴于虛擬樣機(jī)技術(shù)，研究者利用仿真模擬技術(shù)對特定工作環(huán)境下的樣品進(jìn)行力學(xué)仿真，通過對仿真結(jié)果的分析指導(dǎo)相關(guān)密封元器件的改良，循環(huán)這種過程直至樣品滿足研究者的預(yù)期性能。由于該領(lǐng)域的研究會更具有針對性，因此，對密封件工況的模擬過程會更加復(fù)雜。

3）軸承密封技術(shù)的研究會更加微觀，近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的理論研究，如太赫茲檢測技術(shù)，研究方向已經(jīng)愈發(fā)趨向?qū)υ骷⒂^視角下的組織狀態(tài)的研究，研究者可以利用相關(guān)技術(shù)從元器件的內(nèi)部缺陷、表面質(zhì)量和組織結(jié)構(gòu)等方面入手，改善元器件的密封效果[45-46]。