古彥飛 李雙喜 黃柏淇 閆欣欣

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403013

摘 要 通過(guò)建立唇形密封圈數(shù)值分析模型，探究開(kāi)啟式唇形密封靜態(tài)密封性能和動(dòng)態(tài)開(kāi)啟特性，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：介質(zhì)壓力對(duì)反向開(kāi)啟壓力的影響最明顯，介質(zhì)壓力每升高0.01 MPa，反向開(kāi)啟壓力隨之升高0.01 MPa;結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反向開(kāi)啟壓力的影響不明顯，改變唇口的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以提高靜態(tài)接觸時(shí)的密封性能。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M密封實(shí)際工況，準(zhǔn)確測(cè)量出唇口反向開(kāi)啟壓力，試驗(yàn)值與計(jì)算值平均誤差約為10%。

關(guān)鍵詞 唇形密封圈 接觸壓力 反向開(kāi)啟壓力 密封性能

中圖分類(lèi)號(hào) TQ055.8+9?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0414?10

Research on Sealing Performance and Opening Characteristics of

Lip?shaped Seal Ring for the Stirred Tank

GU Yan?fei， LI Shuang?xi， HUANG Bai?qi， YAN Xin?xin

（Fluid Sealing Technology Research Center， Beijing University of Chemical Technology）

作者簡(jiǎn)介：古彥飛（1993-），碩士研究生，從事流體潤(rùn)滑與密封技術(shù)的研究，13269663366@163.com。

引用本文：古彥飛，李雙喜，黃柏淇，等.釜用唇形密封圈密封性能與開(kāi)啟特性研究[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：414-422;432.

動(dòng)密封技術(shù)是攪拌釜的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)設(shè)備整體的運(yùn)行具有重要的影響。隨著密封技術(shù)的不斷發(fā)展，科研人員開(kāi)發(fā)出了各類(lèi)密封技術(shù)，按工作性質(zhì)劃分，可以分為接觸式和非接觸式兩種。其中，在釜用密封上，按密封種類(lèi)分，使用較廣泛的有盤(pán)根密封、端面密封、磁流體密封及唇形密封等多種密封技術(shù)。唇形密封又稱油封，是一種接觸式密封技術(shù)，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，又有良好的經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核工程及化工等領(lǐng)域[1]。唇形密封基本原理是依靠接觸區(qū)域的橡膠材料彈性變形，形成的接觸壓力與接觸面間潤(rùn)滑膜，以及高速下的泵送效應(yīng)，來(lái)阻止介質(zhì)的泄漏[2]。

典型唇形密封結(jié)構(gòu)的主要組成部分包括唇形密封圈、耐磨襯套（軸套）和緊箍彈簧，其密封性能會(huì)隨著唇口的磨損而下降。隨著化工領(lǐng)域?qū)ξ廴締?wèn)題的重視，傳統(tǒng)唇形密封已經(jīng)不能滿足需求，各大研究機(jī)構(gòu)和廠商紛紛加大新型密封裝置的研發(fā)，空氣平衡型唇形密封裝置應(yīng)運(yùn)而生。空氣平衡型唇形密封裝置主要是加入了壓力控制系統(tǒng)，包括空氣控制系統(tǒng)、重力油柜系統(tǒng)和泄放單元，三者組成恒壓氣密封系統(tǒng)。開(kāi)啟式唇形密封就是平衡型唇形密封裝置中的一道密封圈，筆者將針對(duì)該密封技術(shù)在含有毒有害介質(zhì)攪拌釜中的應(yīng)用展開(kāi)深入分析。

有關(guān)唇形密封圈密封性能的數(shù)值研究，學(xué)者們展開(kāi)了大量的研究，代昌浩等分別使用ANSYS和MATLAB GUI建立彈簧徑向力的分析計(jì)算模型，通過(guò)圓管等效替代環(huán)形彈簧，試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算的正確性，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)值的估算，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)彈簧力并未完全轉(zhuǎn)化為抱軸力[3，4]。譚晶等利用ANSYS軟件，建立了唇型密封圈的二維軸對(duì)稱分析模型，分析了彈簧徑向力、安裝過(guò)盈量及橡膠彈性模量等參數(shù)對(duì)唇口靜態(tài)接觸力的影響，結(jié)果表明，隨著彈簧力、過(guò)盈量和彈性模量的增大，唇口的接觸應(yīng)力也會(huì)增大[5～7]。李苗苗等基于有限元軟件，創(chuàng)建了唇形密封圈的三維對(duì)稱分析模型，模擬實(shí)際環(huán)境，結(jié)果表明，隨著安裝過(guò)盈量和介質(zhì)壓力的增加，接觸寬度和接觸壓力都會(huì)增大，且接觸壓力始終大于介質(zhì)壓力，具有良好的密封性能[8]。張付英等利用有限元分析軟件，對(duì)比分析了雙唇和單唇密封圈的主區(qū)域接觸壓力分布和變形，結(jié)果表明，雙唇密封圈接觸壓力小于單唇密封圈的，并對(duì)雙唇密封的副唇結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的副唇結(jié)構(gòu)提升了防塵效果[9]。JIA X H等采用有限元分析和混合彈流潤(rùn)滑模擬測(cè)量了抱軸力、接觸寬度、溫度和摩擦力矩，研究了環(huán)形彈簧產(chǎn)生的徑向力和干涉對(duì)密封靜力接觸特性和密封性能的影響[10]。上述研究大多是針對(duì)接觸式唇形密封圈，并且對(duì)于唇形密封圈的密封機(jī)理也有了相當(dāng)程度的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于密封裝置中氣腔加壓后，唇形密封圈開(kāi)啟性能的研究比較少。

筆者對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的唇形密封圈密封與開(kāi)啟性能進(jìn)行理論分析、數(shù)值模擬，得到開(kāi)啟過(guò)程中密封參數(shù)的變化趨勢(shì)以及開(kāi)啟壓力的影響因素、大小差別。

1 開(kāi)啟式唇形密封結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 密封結(jié)構(gòu)

圖1為唇形密封圈開(kāi)啟式密封原理與結(jié)構(gòu)示意圖，主要由旋轉(zhuǎn)軸、唇體及緊箍彈簧等構(gòu)成，其中彈簧側(cè)為介質(zhì)側(cè)，作為被動(dòng)密封介質(zhì)的壓力源，而其相對(duì)應(yīng)側(cè)為反壓側(cè)，作為主動(dòng)供給開(kāi)啟的壓力源。

1.2 密封工作原理

唇形密封圈應(yīng)用在大中型攪拌釜上，其中內(nèi)側(cè)唇形圈防止?jié)櫥蛢?nèi)漏，外側(cè)唇形密封圈防止介質(zhì)外泄，中部通入反壓空氣，進(jìn)一步阻止介質(zhì)外泄，同時(shí)使得外側(cè)密封圈唇口吹起，實(shí)現(xiàn)非接觸密封。攪拌釜不工作，即旋轉(zhuǎn)軸在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)要求唇形圈能夠自主實(shí)現(xiàn)靜密封，阻止介質(zhì)的泄漏，如圖2a所示。當(dāng)攪拌釜在運(yùn)行過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)軸處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)反壓空氣介入，一是平衡釜內(nèi)存在的介質(zhì)壓力，二是抵消由于介質(zhì)反應(yīng)所帶來(lái)的壓力變化，同時(shí)反壓氣體吹起唇尖，實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟式非接觸密封，其狀態(tài)如圖2b所示。

2 開(kāi)啟式唇形密封性能數(shù)值分析

2.1 開(kāi)啟式唇形密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

文中所研究的唇形密封圈與傳統(tǒng)的骨架唇形密封圈不同，屬于L型密封圈，其主要區(qū)別在于去掉了唇體內(nèi)的支撐骨架，以便減小密封軸向尺寸，節(jié)省多道唇形密封圈的軸向安裝空間，更緊湊地進(jìn)行安裝支座間的軸向密封和旋轉(zhuǎn)軸的徑向密封。圖3為唇形密封圈的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。

唇形密封圈關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的具體數(shù)值如下：

唇口腰厚t 2.32 mm

前唇角α 45°

后唇角β 40°

旋轉(zhuǎn)軸直徑D 300 mm

唇口內(nèi)徑D 299 mm

2.2 模型建立

唇形密封圈的規(guī)格為500 mm×550 mm×18 mm，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下對(duì)唇形圈進(jìn)行簡(jiǎn)化。考慮到唇形圈旋轉(zhuǎn)部位的可移動(dòng)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸部位的可移動(dòng)性，可以認(rèn)為唇形圈接觸裝配支座的三邊界為固定約束。緊箍彈簧的可以忽略掉，以相同位置的彈簧徑向力FS代替。建立唇形密封圈分析模型如圖4所示，上方模型為唇形密封圈，下方模型為旋轉(zhuǎn)軸，兩模型初始無(wú)接觸，沒(méi)有過(guò)盈量，以施加軸向相對(duì)位移來(lái)模擬實(shí)際裝配過(guò)程。

2.3 彈簧模型

緊箍彈簧是一種傳統(tǒng)的盤(pán)繞式線性彈簧，其兩端通過(guò)鎖定機(jī)構(gòu)（通常是螺紋銷(xiāo)）連接在一起，這就形成了一個(gè)環(huán)形的彈簧（圖5）。一般來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)式唇形密封件包含一個(gè)安裝在彈性唇上的緊箍彈簧。緊箍彈簧的作用是為密封力提供一個(gè)額外的徑向負(fù)荷。雖然密封圈的彈性材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而放松，但緊箍彈簧的負(fù)載卻不會(huì)。在運(yùn)行過(guò)程中，液膜厚度的變化不會(huì)超過(guò)幾微米，緊箍彈簧的伸長(zhǎng)率也不會(huì)超過(guò)幾微米。這意味著緊箍彈簧在徑向上提供的載荷幾乎是恒定的，由于這個(gè)原因，緊箍彈簧有時(shí)被稱為恒定載荷彈簧。通過(guò)將彈簧力分解到徑向來(lái)推導(dǎo)出對(duì)唇體施加的徑向載荷。

由于彈簧是通過(guò)鋼絲纏繞得到的，并不是傳統(tǒng)意義上的連續(xù)體材料，實(shí)際建模計(jì)算時(shí)很大幾率會(huì)出現(xiàn)不能收斂的情況，因此需要等效替代的方式來(lái)取代彈簧徑向力。緊箍彈簧安裝時(shí)施加的徑向力F表達(dá)式為：

F==2

+πS

1- （1）

式中 D——裝配后緊箍彈簧的內(nèi)徑;

D——裝配前緊箍彈簧的內(nèi)徑;

F——彈簧伸長(zhǎng)后圓周方向負(fù)載;

F——彈簧預(yù)緊力;

S——彈簧剛度。

2.4 材料模型

橡膠材料為丁腈橡膠，作為一種比較特殊的超彈性體材料，具備幾何非線性和材料非線性的雙重特性。筆者選擇常用的兩參數(shù)Mooney?Rivlin材料模型，其本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式為：

W=C（I-3）+C（I-3）??? ?（2）

式中 C——M?R常數(shù)1;

C——M?R常數(shù)2;

I——第1Green應(yīng)變張量不變量;

I——第2Green應(yīng)變張量不變量;

W——彈性應(yīng)變能。

兩參數(shù)的Mooney?Rivlin模型參數(shù)值C10=0.94 MPa，C01=0.23 MPa。旋轉(zhuǎn)軸材料選擇不銹鋼。

2.5 接觸及邊界條件

唇形密封圈分析模型的邊界條件及載荷如圖6所示，唇形密封圈彈簧側(cè)為釜內(nèi)攪拌介質(zhì)，空氣側(cè)為反向壓縮空氣介質(zhì)，都設(shè)置了壓力邊界，介質(zhì)壓力和空氣壓力的大小分別等于p和p，并且設(shè)定了彈簧徑向力的等效力。當(dāng)反向空氣壓力p大于介質(zhì)壓力p時(shí)，唇口維持一定的開(kāi)啟高度，向介質(zhì)中不間斷的通入無(wú)害氣體。

考慮到唇形密封圈的實(shí)際安裝過(guò)程，一般是通過(guò)密封圈固定在安裝支座上，再將密封組件一起套在旋轉(zhuǎn)軸上并加以固定，由于唇形密封圈和旋轉(zhuǎn)軸是相對(duì)移動(dòng)的，可以通過(guò)一固定一位移實(shí)現(xiàn)安裝過(guò)程的模擬。對(duì)密封圈的外環(huán)側(cè)和密封面正、背側(cè)施加x方向和y方向的位移約束為零，對(duì)唇形圈內(nèi)側(cè)施加介質(zhì)壓強(qiáng)，對(duì)唇形圈外側(cè)施加空氣壓強(qiáng)，緊箍彈簧的徑向力施加在彈簧安裝U形凹槽內(nèi)，方向垂直于旋轉(zhuǎn)軸。在幾何建模時(shí)已經(jīng)預(yù)留了唇口與旋轉(zhuǎn)軸的初始過(guò)盈量λ，在模擬唇形密封圈的實(shí)際安裝過(guò)程只需要把旋轉(zhuǎn)軸施加一個(gè)y方向的位移，使得唇口與旋轉(zhuǎn)軸接觸。

2.6 分析云圖

內(nèi)部介質(zhì)壓力在唇口與旋轉(zhuǎn)軸接觸處設(shè)置為滲透壓力，以模擬更真實(shí)的接觸狀態(tài)。考察唇形密封圈在分析模型中的靜態(tài)密封性能和動(dòng)態(tài)開(kāi)啟性能，其靜態(tài)和開(kāi)啟應(yīng)力云圖如圖7所示。

3 唇形密封圈開(kāi)啟特性分析

旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的開(kāi)啟過(guò)程是一個(gè)從接觸密封到非接觸密封的過(guò)程。在整個(gè)密封過(guò)程中要求唇形密封圈不僅在開(kāi)啟前能夠阻止介質(zhì)的泄漏，也要求在開(kāi)啟后通過(guò)反壓氣體的流出也能夠阻止介質(zhì)的泄漏。因此在數(shù)值仿真計(jì)算中，引入密封端面的接觸壓力、接觸寬度、摩擦扭矩及反向開(kāi)啟壓力等參數(shù)結(jié)果來(lái)反映和表征唇形密封性能的優(yōu)劣。

數(shù)值計(jì)算的基本工況條件如下：

介質(zhì)壓力 0.05 MPa

轉(zhuǎn)速 200 r/min

反向壓力 0.00～0.06 MPa

3.1 唇口過(guò)盈量

分析唇口單邊過(guò)盈量λ在0.2～1.2 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)唇形密封圈密封與開(kāi)啟性能的影響趨勢(shì)（圖8～11）。由圖可知，當(dāng)過(guò)盈量超出一定的界限值后，導(dǎo)致唇口的偏斜度增加，唇口與旋轉(zhuǎn)軸的接觸面積增大，這種增加不會(huì)帶來(lái)明顯的接觸壓力的改變，對(duì)密封效果的提升沒(méi)有明顯的作用，唇口過(guò)盈量越大，唇口的接觸寬度越大，反向壓力較小時(shí)，唇口過(guò)盈量越大的接觸寬度下降速度越快，存在唇口快速扶正過(guò)程。改變唇口過(guò)盈量對(duì)反向開(kāi)啟壓力的改變作用不明顯，在工程實(shí)踐中，選擇合適的唇口過(guò)盈量有助于提高密封圈的長(zhǎng)期服役壽命。

3.2 彈簧徑向力

分析彈簧徑向力在50～70 N之間變化時(shí)，對(duì)唇形密封圈密封與開(kāi)啟性能的影響趨勢(shì)（圖12～15），彈簧徑向力的每階增幅為5 N。

由圖可知，不同彈簧力的接觸壓力變化呈拋物線下降趨勢(shì)，彈簧力越大，相應(yīng)的接觸壓力也越大，不同彈簧力的接觸壓力下降曲率幾乎不變，曲線變化具有高度的相似性。不同彈簧徑向力的接觸寬度呈穩(wěn)定的下降趨勢(shì)，彈簧徑向力越大，對(duì)應(yīng)的接觸寬度也越大，其原因是，較高的彈簧徑向力能更好地阻止唇口的反向開(kāi)啟。隨著彈簧徑向力的增大，反向開(kāi)啟壓也在增加，兩者近似為線性關(guān)系。反向壓力越大，轉(zhuǎn)軸摩擦扭矩越小。其原因是，反向壓力開(kāi)啟唇口，摩擦應(yīng)力、接觸寬度和徑向接觸力都在減小，依靠摩擦所產(chǎn)生的摩擦扭矩也逐漸減小，唇口完全開(kāi)啟后的摩擦扭矩為0。

3.3 橡膠硬度

分析橡膠硬度在65～85HA范圍內(nèi)，對(duì)唇形密封圈密封與開(kāi)啟性能的影響趨勢(shì)（圖16～19），每5HA設(shè)為一個(gè)硬度梯度。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[11，12]，可以得到不同硬度下的兩參數(shù)Mooney?Rivlin材料模型C01和C10的值，分別代入到材料參數(shù)內(nèi)進(jìn)行分析求解。由圖可知，硬度對(duì)唇口接觸區(qū)域的最大接觸壓力影響較大，硬度65HA時(shí)的唇口最大接觸壓力為2.92 MPa，硬度85HA時(shí)的唇口最大接觸壓力為5.84 MPa，后者的最大接觸壓力比前者增大了約100%。從圖中的變化趨勢(shì)可以看出，唇口最大接觸壓力隨反向開(kāi)啟壓力的增大而減小，在反向開(kāi)啟壓力小時(shí)，最大接觸壓力的下降速度較緩和，硬度越低，這種緩和趨勢(shì)越明顯。接觸寬度隨硬度的增加而快速下降，對(duì)唇口接觸寬度的影響非常明顯。隨著橡膠硬度的增加，反向開(kāi)啟壓力也逐漸增大，其主要原因是，橡膠硬度的增加可以更好地抵抗反向氣壓帶來(lái)的唇封腰部形變，唇口開(kāi)啟壓力增大。橡膠硬度越大，摩擦扭矩隨反向壓力的減小速率越快。在工程實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)適當(dāng)控制橡膠材料的硬度，增加唇口接觸壓力，來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的密封作用，并且降低了接觸寬度，改善接觸面之間的摩擦磨損狀態(tài)，保證唇形密封圈密封性能的穩(wěn)定性和可靠性。

3.4 介質(zhì)壓力

結(jié)合實(shí)際攪拌釜的應(yīng)用工況，分析介質(zhì)壓力p在0.01～0.09 MPa時(shí)的唇形密封圈密封與開(kāi)啟性能的變化趨勢(shì)（圖20～23）。由圖可知，不同介質(zhì)壓力的最大接觸壓力變化都呈拋物線式下降趨勢(shì)，隨著介質(zhì)壓力的增加，下降曲率也逐漸減緩。0.01 MPa介質(zhì)壓力時(shí)的初始最大接觸壓力為2.03 MPa，0.09 MPa介質(zhì)壓力時(shí)的初始最大接觸壓力為4.55 MPa，比前者增大了124%。與前文討論的唇形密封圈各參數(shù)的影響有所不同，介質(zhì)壓力對(duì)接觸壓力的增大影響更為明顯。在開(kāi)啟壓力較小時(shí)，接觸寬度迅速下降，而后趨于線性變化，初始接觸寬度隨介質(zhì)壓力的增大而呈現(xiàn)出類(lèi)指數(shù)增加。唇形密封圈反向開(kāi)啟壓力與介質(zhì)壓力呈近似線性相關(guān)的關(guān)系，表明環(huán)境介質(zhì)壓力對(duì)反向開(kāi)啟壓力影響較大，可以從實(shí)際仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)得出，開(kāi)啟壓力總高于介質(zhì)壓力約0.07 MPa，更方便反壓氣體供給單元對(duì)于反向壓力的精確控制和輸出。反向壓力越大，轉(zhuǎn)軸摩擦扭矩越小。與前面各參數(shù)的對(duì)比可以看出，介質(zhì)壓力對(duì)摩擦扭矩的影響遠(yuǎn)超過(guò)唇型密封圈的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，其中，介質(zhì)壓力為0.09 MPa的摩擦扭矩最大。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步確定唇口的開(kāi)啟壓力，筆者通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)條件和要求，設(shè)計(jì)并搭建了大軸徑唇形密封圈密封性能試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括密封試驗(yàn)裝置、密封試驗(yàn)輔助系統(tǒng)、密封試驗(yàn)臺(tái)、實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)4個(gè)部分，如圖24所示。考慮到唇口開(kāi)啟過(guò)程是唇形密封圈從接觸式密封轉(zhuǎn)換到非接觸式密封的過(guò)程，摩擦扭矩會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，通過(guò)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定狀態(tài)下的摩擦扭矩變化，可以得到相應(yīng)的開(kāi)啟壓力。

在動(dòng)態(tài)開(kāi)啟試驗(yàn)中，首先啟動(dòng)電機(jī)，待整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦扭矩穩(wěn)定后，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣控制單元內(nèi)調(diào)壓閥的開(kāi)度慢慢增加反向氣體的輸出壓力，同時(shí)觀察摩擦扭矩的變化，直至摩擦扭矩再次穩(wěn)定，之后再慢慢關(guān)閉空氣調(diào)壓閥，摩擦扭矩變化趨勢(shì)如圖25所示。從圖中可以明顯看出，在增大反向氣體壓力后，摩擦扭矩發(fā)生了明顯的下降，唇形密封圈唇口在逐漸開(kāi)啟的過(guò)程，之后維持在一個(gè)低摩擦扭矩狀態(tài)，此時(shí)唇口完全開(kāi)啟，兩道密封圈處于完全非接觸狀態(tài)。在減小反向氣體壓力后，摩擦扭矩開(kāi)始明顯上升，唇口處在逐漸關(guān)閉的過(guò)程，最后摩擦扭矩再次趨于穩(wěn)定，唇形密封圈也恢復(fù)到了初始時(shí)完全閉合的狀態(tài)。

摩擦扭矩在兩道唇形密封圈開(kāi)啟后下降了約100 N·m，單道密封圈的摩擦扭矩約為50 N·m，第3節(jié)中各參數(shù)初始狀態(tài)摩擦扭矩的數(shù)值分析結(jié)果約為55 N·m，試驗(yàn)值與計(jì)算值相差10%，考慮到具體試驗(yàn)的誤差，能夠很好地驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

動(dòng)態(tài)開(kāi)啟試驗(yàn)測(cè)量3組相同型號(hào)的唇形密封圈，分別在環(huán)境介質(zhì)壓力0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 MPa的反向開(kāi)啟壓力值，以3組數(shù)據(jù)的平均值作為唇形密封圈的反向開(kāi)啟壓力。具體的測(cè)量結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比如圖26所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)測(cè)量值與數(shù)值分析值的變化趨勢(shì)一致，數(shù)值大小也接近。介質(zhì)壓力為0.01 MPa時(shí)，試驗(yàn)值為0.019 5 MPa，計(jì)算值為0.017 0 MPa，兩者的相差14.7%，其他組介質(zhì)壓力下的差值分別為11.3%、10.2%、8.8%、7.3%?？傮w試驗(yàn)值與計(jì)算值相差較小，而且隨著介質(zhì)壓力的增大，受到的環(huán)境影響減小，其差值越來(lái)越小，能夠有效驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

5.1 基于丁腈橡膠材料的Mooney?Rivlin本構(gòu)模型，彈簧徑向力的簡(jiǎn)易彈簧模型，建立開(kāi)啟式唇形密封圈的數(shù)值分析模型?？紤]反向氣體介質(zhì)對(duì)唇形密封圈的開(kāi)啟作用，得到了唇口接觸區(qū)域密封性能和開(kāi)啟特性的表征參數(shù)，為開(kāi)啟式唇形密封圈在釜用密封上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

5.2 分析了唇形密封圈唇口過(guò)盈量、彈簧徑向力、橡膠硬度及介質(zhì)壓力等參數(shù)對(duì)能夠表征密封和開(kāi)啟特性的接觸壓力、接觸寬度、摩擦扭矩及開(kāi)啟壓力等參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)可以很好地提高唇型密封圈的靜態(tài)密封能力，介質(zhì)壓力對(duì)唇口密封性能與開(kāi)啟特性的影響最大。

5.3 搭建了大軸徑開(kāi)啟式唇形密封試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行唇形密封圈的動(dòng)態(tài)開(kāi)啟特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果具有良好的一致性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 江華生.流體動(dòng)壓回流型油封的研究現(xiàn)狀與展望[J].液壓氣動(dòng)與密封，2018，38（10）：1-5.

[2] 張付英，高勇新，賀佘燕，等.基于正交試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封可靠性影響因素研究[J].潤(rùn)滑與密封，2022，47（5）：112-120.

[3] 代昌浩，黃樂(lè)，陸云江，等.基于ANSYS的帶簧油封徑向力分析[J].潤(rùn)滑與密封，2020，45（10）：126-130.

[4] 代昌浩，黃樂(lè)，陸云江，等.基于MATLAB GUI油封彈簧徑向力計(jì)算[J].機(jī)床與液壓，2020，48（21）：150-154.

[5] 譚晶，楊衛(wèi)民，丁玉梅，等.彈簧對(duì)油封密封性能的影響[J].特種橡膠制品，2008，29（3）：41-48.

[6] 李建國(guó)，丁玉梅，楊衛(wèi)民，等.油封密封性能的有限元分析[J].潤(rùn)滑與密封，2006，31（10）：116-119.

[7] 江華生，孟祥鎧，沈明學(xué)，等.油封唇口靜態(tài)接觸特性的有限元分析[J].潤(rùn)滑與密封，2016，41（10）：57-61.

[8] 李苗苗，陳蔚芳，崔惠婷，等.安裝過(guò)盈量和介質(zhì)壓力對(duì)旋轉(zhuǎn)軸唇形橡膠密封圈密封性能的影響[J].橡膠工業(yè)，2019，66（6）：450-455.

[9] 張付英，郭威，水浩澈.雙唇型油封的密封性能及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].潤(rùn)滑與密封，2020，45（7）：41-45.

[10] JIA X H，GUO F，HUANG L，et al.Effects of the radial force on the static contact properties and sealing performance of a radial lip seal[J].Science China Technological Sciences，2014，57：1175-1182.

[11] 劉萌，王青春，王國(guó)權(quán).橡膠Mooney?Rivlin模型中材料常數(shù)的確定[J].橡膠工業(yè)，2011，58（4）：241-245.

[12] 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（7）：38-40.

（收稿日期：2023-05-18，修回日期：2024-05-14）