王永強，魯 飛，王素華，陳 真，李 欣，邊海寧，沈 利

（1.合肥通用機械研究院有限公司 通用機械復(fù)合材料技術(shù)安徽省重點實驗室，合肥 230031；2.銅陵有色金屬集團股份有限公司，安徽銅陵 244000；3.南通中遠海運船務(wù)工程有限公司，江蘇南通 226001）

0 引言

往復(fù)泵中柱塞與往復(fù)密封組件組成一對動密封副，往復(fù)密封組件是往復(fù)泵中重要易損件之一，直接影響著泵的性能和可靠性。往復(fù)密封組件常用的型式有壓緊式填料密封、自封式密封和間隙密封等［1-6］。壓緊式填料密封一般采用多個方截面的填料圈、隔圈、導(dǎo)向套安裝在填料函體內(nèi)，用填料壓蓋壓緊填料，使其與柱塞表面和填料函體內(nèi)孔表面緊密接觸達到密封的目的，屬于接觸式利用外力預(yù)緊產(chǎn)生的壓緊力進行密封的型式，一般用于壓力不大于100 MPa的往復(fù)泵，如圖1所示。自封式密封也是接觸型密封，其填料函結(jié)構(gòu)也和壓緊式填料函大體相同。但它的密封作用主要是靠輸送液體的壓力使密封圈唇部張開與柱塞表面和填料函內(nèi)壁緊密接觸而密封。雖然也有相應(yīng)的填料壓蓋或其他壓緊填料的裝置，但這種壓緊不同于壓緊式密封，是當(dāng)密封圈磨損后起到一種補償作用。自封式密封的密封圈有V形、U形和Y形等不同形式，其中采用V形密封圈的自封式密封結(jié)構(gòu)最為常用，如圖2所示。間隙密封往往用于高壓或超高壓往復(fù)密封，柱塞和液缸體（或高壓缸套）之間經(jīng)精密配研，使間隙在0.003～0.006 mm，表面粗糙度小于Ra0.2，可密封100 MPa以上壓力［7］如圖3所示。

圖1 壓緊式填料密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of compaction packing seal

圖2 自封式密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of self-sealing seal

圖3 間隙密封結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of clearance seal

柱塞與液缸體直接組成密封副，如圖3（a）所示，由于液缸體受內(nèi)壓而變形，會使間隙變大而導(dǎo)致密封失效，因此可采用柱塞與高壓缸套組成密封副，如圖3（b）所示，使高壓缸套內(nèi)外受壓，以保持密封間隙，克服因外密封副變形導(dǎo)致密封失效的缺點。但單純采用間隙密封對零件加工要求非常高，甚至需要柱塞與套筒組成一對偶配件，無法與其它零件進行互換，零件的更換代價非常昂貴，而且由于配合間隙非常小，對水質(zhì)要求也非常高，主要應(yīng)用于立式超高壓泵的密封，其應(yīng)用范圍受到很大的限制。

目前工程應(yīng)用要求超高壓往復(fù)泵的壓力達到300 MPa，其柱塞密封裝置僅依靠以上所述的一種密封方式進行設(shè)計難以滿足密封可靠性和長壽命的要求。超高壓柱塞密封的失效是超高壓泵故障的最主要形式［8］。筆者探索一種將間隙密封與自封式密封相結(jié)合的組合式密封技術(shù)，設(shè)計的超高壓組合式柱塞密封裝置經(jīng)試驗驗證，可靠性和壽命有了大幅度的提高。并對超高壓組合式柱塞密封裝置的設(shè)計技術(shù)進行分解研究和總結(jié)，以期對類似的超高壓往復(fù)密封的設(shè)計有一定的借鑒作用。

1 超高壓組合式柱塞密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

超高壓泵柱塞密封內(nèi)外壓差最高達到300 MPa，不是單一的密封形式或一級密封可以解決的，必須設(shè)計多級不同密封結(jié)構(gòu)的組合式密封裝置，通過不同密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢互補并分級承擔(dān)密封壓力才能實現(xiàn)可靠的密封［9］。經(jīng)研究設(shè)計的超高壓組合式往復(fù)密封裝置，如圖4所示。是由迷宮式間隙密封和V形圈自封式密封組成的兩級高壓密封、潤滑冷卻水腔和低壓格萊圈密封共同組成的。

圖4 超高壓組合式往復(fù)密封裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structural diagram of ultra-high pressure combined reciprocating sealing device

迷宮式間隙密封屬于間隙或節(jié)流密封的一種型式，其密封原理是節(jié)流套筒在內(nèi)壁車若干凹槽，與柱塞表面形成一系列節(jié)流間隙和膨脹空腔，當(dāng)泄漏流體通過節(jié)流間隙時，其部分壓力能轉(zhuǎn)化為速度能，該速度能隨即在膨脹空腔中，由于湍流渦旋耗散為熱能而不能恢復(fù)為壓力能，這樣使通過的流體產(chǎn)生節(jié)流與熱力學(xué)效應(yīng)，泄漏流體的壓力逐漸降低而達到密封效果［10-11］。本設(shè)計的迷宮式節(jié)流套筒內(nèi)壁均勻分布數(shù)個膨脹空腔，是通過專業(yè)的流體分析軟件對截取的其中一段迷宮密封結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，如圖5所示。從圖5（a）的速度矢量可以看出，高壓水從左側(cè)柱塞與套筒間的縫隙進入膨脹空腔后大部分在空腔的右側(cè)邊界處形成繞空腔外壁的回流，即速度矢量的方向與主流的方向相反，而且越向空腔的中心壓力越低，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)的湍流旋渦，因為流入空腔和流出空腔的流量是一定的，所以大部分流入的高壓水是經(jīng)旋渦繞流后逐漸再從右側(cè)縫隙進入下一級節(jié)流間隙的。高壓水在旋渦中經(jīng)過與壁面的摩擦及不同速度流體的層間摩擦后，大量動能轉(zhuǎn)化為熱能，速度降低，轉(zhuǎn)換成的壓力能也降低。從圖5（b）可以看出，高壓水經(jīng)左側(cè)節(jié)流間隙經(jīng)過膨脹空腔后到右側(cè)節(jié)流間隙的壓力顯著降低。經(jīng)過每一級節(jié)流間隙和膨脹空腔后，泄漏的高壓水壓力降低值為15.6 MPa，經(jīng)過整個迷宮式間隙密封后壓力可降低156 MPa。

圖5 對迷宮式間隙密封中包含一個膨脹空腔的一段間隙進行的數(shù)值模擬Fig.5 Numerical simulation of a gap containing an expanded cavity in a labyrinth clearance seal

由于迷宮式間隙密封與柱塞不直接接觸，在密封面之間保持很小的間距，所以沒有摩擦損耗，允許有一些泄漏，作為超高壓往復(fù)密封裝置中的前置密封，降低后一級接觸式密封的負擔(dān)。

V形圈自封式密封為超高壓往復(fù)密封裝置的第二級密封，由數(shù)只V形圈、支承環(huán)、壓環(huán)、導(dǎo)向套和補償壓縮彈簧組成。泄漏的高壓水經(jīng)第一級迷宮式間隙密封節(jié)流降壓后被V形圈自封式密封進一步密封。V形圈的上下唇分別與填料函內(nèi)孔和柱塞配合，并有一定的過盈量，在補償彈簧的彈性力作用下產(chǎn)生徑向壓力，提供初始的密封力。在高壓工況下，介質(zhì)推動套筒對V形圈形成擠壓力，在支承環(huán)的作用下V形圈的唇口向外張開，徑向密封力增大，使V形圈與填料函體、V形圈與柱塞的間隙得以密封，介質(zhì)壓力越大密封力也越大。導(dǎo)向套用于支承柱塞往復(fù)運動，并保持良好的對中性，以保證柱塞與套筒及V形圈不會偏磨，提高密封性能和使用壽命［12］。

潤滑冷卻水腔的作用是從高壓泵進口將低壓水引入高壓密封的背面，保持柱塞與密封之間的潤滑，并將摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，防止密封件因高溫而損壞，同時保證密封件內(nèi)外側(cè)間隙都與潤滑冷卻水腔相通，微量的泄漏通過冷卻水腔排出，保持良好的密封工作狀態(tài)。

低壓格萊圈密封也稱為同軸密封，是聚氨脂或PTFE密封環(huán)和彈性體環(huán)的組合體。聚氨脂或PTFE密封環(huán)具有潤滑性能好、摩擦力低、無黏著和良好的耐熱性，但由于聚氨脂或PTFE材料具有彈塑性變形特點，且具有較高的彈性模量，不能僅依靠徑向擠壓一個整體聚氨脂或PTFE密封環(huán)來產(chǎn)生和柱塞之間的密封接觸壓力。因此，需要在上面疊加一個具有良好彈性變形性能的彈性體環(huán)，通過擠壓彈性體環(huán)向柱塞傳遞徑向載荷，從而達到密封的目的［13］。

2 超高壓組合式柱塞密封設(shè)計計算

2.1 超高壓間隙密封設(shè)計計算

柱塞與減壓套筒間隙中介質(zhì)的流動為同心環(huán)縫隙流動，屬于層流范疇?？p隙中液體產(chǎn)生運動的原因有：（1）壓差流（由于存在壓差而產(chǎn)生流動）；（2）剪切流（由于組成縫隙的壁面具有相對運動而使縫隙中的液體流動）。柱塞密封間隙中介質(zhì)的流動兩者都有因此可以稱為壓差-剪切流。泄漏量公式［14］為：

式中的前一部分是壓差流造成的泄漏量，后一部分是剪切流造成的泄漏量，當(dāng)壓差流動和柱塞運動方向一致時取“＋”號，相反時取“－”號。

柱塞與套筒之間的間隙密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。柱塞與套筒之間形成同心環(huán)縫隙，柱塞直徑為d1，柱塞與套筒半徑間隙為δ，柱塞運動線速度為U，工作腔壓力p1，冷卻腔壓力p2，壓差Δp=p1-p2。超高壓泵的冷卻腔與進水口連通，進水口壓力p0，則冷卻腔壓力等于進水口壓力，即p2=p0。下面以流量40 L/min、壓力300 MPa超高壓泵的設(shè)計參數(shù)計算間隙密封的泄漏量。

圖6 柱塞與套筒間隙密封結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structural diagram of plunger-and sleeve clearance seal

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，各參數(shù)取值，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters

（1）柱塞處于吸程時縫隙流動分析。

柱塞處于吸程時，柱塞從工作腔向冷卻腔移動，剪切流的方向為正，吸入閥打開，p1=p2=p0，Δp=p1-p2=0，則壓差流泄漏量為0，由式（1）得出泄漏流量：

計算得：qv=929.9 mm3/min=0.000 93 L/min。

（2）柱塞處于排程時縫隙流動分析。

柱塞處于排程時，柱塞從冷卻腔向工作腔移動，剪切流的方向為負，排出閥打開，工作腔處于高壓狀態(tài)，壓差流方向為正，Δp=p1-p2=300-0.5=299.5 MPa。此時泄漏流量計算式為：

壓力為0.101 325 MPa、溫度為20 ℃的條件下，水的動力黏度μ0=1.01×10-3Pa·s。壓力為 300 MPa時水的動力黏度μ= μ0eαp=2.02×10-3Pa·s。

將數(shù)據(jù)代入式（3）得qv=2.89 L/min。

2.2 超高壓V形圈自封式密封設(shè)計計算

2.2.1 V形圈自封式密封工作原理及部件設(shè)計

V形密封圈截面為V形，也是一種唇形密封圈。V形密封組件由支承環(huán)、密封圈、壓環(huán)3個部件組成。

（1）超高壓V形密封圈。

標(biāo)準(zhǔn)V形密封圈一般唇口夾角為90°，厚度小，比較單薄如圖7（a）所示，本設(shè)計的超高壓V形密封圈將唇口的夾角加進行了放大，厚度加大，使其內(nèi)外徑都增加一個圓柱段，增加超高壓V形密封圈強度、剛度、穩(wěn)定性和耐壓能力，使其在超高壓下不會被高壓水沖破如圖7（b）所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)V形密封圈與超高壓V型密封型圈截面形狀Fig.7 Sectional shapes of standard V-ring and ultra-high pressure V-ring

在自由狀態(tài)下，V形圈的唇部外徑大于填料函的內(nèi)徑，唇部內(nèi)徑小于柱塞外徑，即有一定的過盈量。過盈量大則摩擦阻力大，小則密封效果不好。為了保證可靠的密封并不至于摩擦力過大，密封圈過盈量應(yīng)達公稱截面寬度的10%～14%，設(shè)計過盈量為內(nèi)外直徑方向均為0.8 mm。這樣，裝配后便有一定的變形。由于支承環(huán)的作用，這種變形只發(fā)生在唇的尖端，并在其接觸部位產(chǎn)生壓力，即使不施加壓緊力，唇口也能封住一定的內(nèi)壓。因為唇有“自封”作用，當(dāng)介質(zhì)工作壓力升高時，唇尖改變接觸形狀和加大接觸應(yīng)力，唇部與被密封面貼合得更緊密，實現(xiàn)密封作用，介質(zhì)壓力升高接觸壓力相應(yīng)升高。超高壓泵一般將多個V形圈組合使用，介質(zhì)壓力通過支承環(huán)和壓環(huán)施加壓緊力將多個V形圈組合成一個整體，介質(zhì)壓力越高壓緊力越大。泄漏介質(zhì)即使通過了第一道V形圈，壓力也會大為降低，通過后續(xù)V形圈的唇部泄漏壓力將損失殆盡，泄漏被阻止或只有極其微量的泄漏介質(zhì)通過。

V形密封圈內(nèi)外唇傾斜角度一般為5°～9°，內(nèi)外唇口都為過盈配合，外圓柱段也為過盈，內(nèi)圓柱段為間隙配合。這樣既能減小摩擦阻力，又能保證唇部對密封面的預(yù)壓力。采取這種改進措施，有利于提高V形圈密封性能和使用壽命。

（2）支承環(huán)。

支承環(huán)是支承V形密封圈的重要部件，其斷面厚、尺寸精確、凸形角與V形圈相同或稍大，使密封圈安放穩(wěn)定。支承環(huán)對V形密封圈的位置起決定性作用，同時保護密封圈，維護密封唇的機能，因此它的形狀和尺寸精度直接影響密封唇的工作，為此必須對它精加工。支承環(huán)與密封圈的角度相同。為了充分發(fā)揮V形密封唇的功能，讓介質(zhì)壓力更好的作用于密封圈，使其充分張開，支承環(huán)不但沒有過盈量而且要小于公稱截面寬不超過5%。其外徑就小于唇的外徑，內(nèi)徑應(yīng)大于唇的內(nèi)徑，保持一定間隙。

（3）壓環(huán)。

壓環(huán)的作用是給V形密封圈形成一個初始壓縮量，使其與被密封面充分接觸，同時也對密封圈起定位作用。通常它的凹部與密封圈角度相同，也需精加工。壓環(huán)的外徑與填料函內(nèi)孔有一定的過盈量或為過渡配合，對柱塞為間隙配合。

2.2.2 V形密封圈受力分析及密封力計算

由間隙密封的設(shè)計計算可知，介質(zhì)經(jīng)過密封套筒節(jié)流降壓后仍有一部分泄漏量，需要通過由V形密封圈、支承環(huán)、壓環(huán)組成的自封式密封進一步進行密封。自封式密封受力分析如圖8所示［15-16］。

圖8 自封式密封受力分析Fig.8 Force analysis of self-sealing seal

彈簧預(yù)緊力為：

高壓水作用力為：

式中 D ——密封腔內(nèi)徑，mm，D=32 mm；

d ——柱塞直徑，mm，d=20 mm；

p ——密封腔最高工作壓力，MPa，p=300 MPa。

代入數(shù)據(jù)得F2=147 027 N，則密封件的軸向最大壓緊載荷Fx=F1+F2=147 327 N。

以支承環(huán)為分析對象，則2Ftcos30°=Fx。

支承環(huán)對V形圈唇口的垂直擠壓力為：

以V形圈為分析對象，將垂直擠壓力Ft分解為軸向力Fa和徑向接觸壓力Fj。

徑向接觸壓力為：Fj=Ftsin30°=218 32 N。

唇口處密封面圓周長度為：L=πD=62.8 mm。

唇口載荷為：f=Fj/L=347.6 N/mm。

因此，在最大壓力300 MPa時，V形圈唇口與填料函體及柱塞的接觸壓力為21 832 N，在此壓力下V形圈唇口將緊緊貼在填料函體內(nèi)孔和柱塞外壁上，防止高壓水泄漏，但也要求V形圈材料的耐磨性要好，有足夠的硬度和彈性模量，普通的軟填料、橡膠和夾布橡膠等軟質(zhì)材料不能滿足要求。

3 關(guān)鍵零件材料及加工工藝研究

3.1 節(jié)流套筒材料及加工工藝

節(jié)流套筒是迷宮式間隙密封的關(guān)鍵零件，要求材料具有優(yōu)良的耐磨性、彈性、高強度，經(jīng)過分析對比選擇鈹青銅QBe2作為節(jié)流套筒的制作材料。QBe2的力學(xué)性能見表2。

表2 QBe2的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical property of QBe2

鈹青銅QBe2的優(yōu)良性能需要通過熱處理強化才能充分體現(xiàn)，其熱處理工藝為：（1）固溶處理，在氨分解氣或酒精裂解氣等保護介質(zhì)中加熱790 ℃ ×10 min。（2）時效處理，325 ℃ ×3 h，硬度395HV0.2。

3.2 V形密封圈材料及加工工藝

普通V形密封圈的材料一般為橡膠或夾織物橡膠，強度及硬度低，密封可靠性和耐磨性不足以滿足超高壓工況的要求。超高壓V形密封圈采用芳綸纖維復(fù)合黏結(jié)，加熱加壓后模壓成型，具有較高的硬度、剛性和致密性，優(yōu)良的耐磨性和穩(wěn)定性。芳綸纖維全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，英文為Aramid fiber（杜邦公司的商品名為Kevlar是芳綸纖維的一種，即對位芳綸纖維），是一種新型高科技合成纖維，具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優(yōu)良性能，其強度是鋼絲的5～6倍，彈性模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，在560 ℃的溫度下，不分解，不熔化。它具有良好的絕緣性和抗老化性能，具有很長的生命周期。芳綸的發(fā)現(xiàn)，被認為是材料界一個非常重要的歷史進程［17］。

4 采用超高壓組合式柱塞密封裝置的超高壓泵試驗效果

筆者對采用間隙密封與自封式密封相結(jié)合的組合式柱塞密封技術(shù)設(shè)計制造的超高壓泵柱塞密封裝置隨超高壓泵進行長時間的壽命考核試驗，經(jīng)驗證該柱塞密封裝置在超高壓泵排出壓力為280 MPa的情況下使用壽命達到300 h左右，而采用常規(guī)的填料密封設(shè)計的密封裝置在超高壓泵的排出壓力為200～230 MPa時，壽命可達150 h左右，而在280 MPa壓力下只有50 h左右。從試驗情況可以看出，采用間隙密封與自封式密封相結(jié)合的組合式柱塞密封技術(shù)的超高壓密封裝置可以大幅提高超高壓泵柱塞密封的使用壽命。

5 結(jié)論

（1）超高壓柱塞密封裝置采用間隙密封與自封式密封相結(jié)合的組合密封技術(shù)進行設(shè)計，可以取得良好的密封效果和大幅提高密封件的使用壽命。超高壓組合式柱塞密封裝置在超高壓泵排出壓力為280 MPa的情況下使用壽命達到300 h左右。

（2）間隙密封套筒內(nèi)壁設(shè)計若干凹槽，即可以形成迷宮密封，使泄漏介質(zhì)的能量在凹槽耗散，逐級降低泄漏介質(zhì)的壓力，同時凹槽中存液有助于在柱塞與套筒中形成水膜，增強潤滑效果。數(shù)值模擬計算結(jié)論表明，經(jīng)過每一級節(jié)流間隙和膨脹空腔后，泄漏的高壓水壓力降低值為15.6 MPa，經(jīng)過整個迷宮式間隙密封后壓力可降低156 MPa。

（3）超高壓工況條件下，V形密封圈的密封效果和使用壽命明顯強于矩形截面的填料密封環(huán)，而且使用多個V形密封圈成組布置可以形成多道密封，效果好于僅使用一個V形密封圈，V形密封圈組件的兩端必須輔以支承環(huán)和壓環(huán)。