水下低速旋轉(zhuǎn)動密封性能試驗研究

王家慧， 姜 琦

(1. 上海電機學(xué)院 材料學(xué)院， 上海 201306； 2. 大連華銳重工集團股份有限公司 港機事業(yè)部， 大連 116011)

軸類旋轉(zhuǎn)運動廣泛存在于水下作業(yè)裝備中，其動密封能力對水下作業(yè)裝備的性能、維護與壽命都至關(guān)重要[1]。根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸控制方式與轉(zhuǎn)速的不同，其密封手段具有一定的差異。直流電動機驅(qū)動的水下航行器用推進器以轉(zhuǎn)速控制方式為主，螺旋槳最高轉(zhuǎn)速通常大于1 000 r/min，密封以基于磁耦合聯(lián)軸器的靜密封或是基于機械密封的動密封為主[2]；水下舵機、水下云臺及液壓擺動缸等設(shè)備以位置控制方式為主，旋轉(zhuǎn)軸最高轉(zhuǎn)速通常低于20 r/min，密封以基于填料的動密封為主[3]。針對不同轉(zhuǎn)速、壓力等工況要求的磁耦合聯(lián)軸器、機械密封等產(chǎn)品較多，大多時候可直接選用，而填料方面需要針對所采用的不同密封方式開展設(shè)計，綜合考慮結(jié)構(gòu)、材料、表面處理等多種問題，在設(shè)計上更加復(fù)雜[4-6]。

在基于填料密封元件的旋轉(zhuǎn)動密封中，當水下設(shè)備工作深度較小時(通常小于30 m)，一般采用多層填料密封元件即可達到較好的動密封效果，而工作深度較大時需要對設(shè)備內(nèi)部進行充油，并通過環(huán)境壓力補償裝置對設(shè)備內(nèi)部增壓以保證其水密性[7-8]。在填料密封元件動密封理論研究方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的仿真分析與試驗驗證工作。桑勇等[9]基于有限元非線性理論對水下液壓缸中O形圈在不同壓縮率、介質(zhì)壓力和工作深度下的最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力進行了研究。蘭曉冬等[10]針對高壓介質(zhì)下的泛塞受力情況與密封性能進行了仿真計算分析。湯斌等[11]研究了水下電機中車氏密封結(jié)構(gòu)的有限元模型及動密封工作情況。但是，現(xiàn)有研究中仿真分析大都建立在若干假設(shè)條件之上，所建立模型與實際情況存在差異。例如仿真網(wǎng)格模型建立時忽略了摩擦引起的溫度變化與磨損、旋轉(zhuǎn)軸變形以及填料密封環(huán)向不一致等問題[12]。另外，現(xiàn)有研究大多針對單類型的填料密封元件開展仿真分析與試驗，但并未對相同工況下不同填料密封元件的動密封性能進行綜合對比分析。

本文針對O形圈、格萊圈、車氏密封及泛塞等4種在理論分析中均具有較好低速旋轉(zhuǎn)動密封性能的填料密封元件，首先分別進行試驗裝置設(shè)計，然后在2 MPa工作深度且未采用壓力補償?shù)墓r下進行試驗驗證，最后給出動密封性能對比分析。

1 密封方式

1.1 O形圈

O形圈是水下設(shè)備中一種被最為廣泛應(yīng)用的填料密封元件[13]。在水下低速旋轉(zhuǎn)動密封中，為提高密封性能，通常采用圖1所示雙層O形圈組合的方式。

圖1 O形圈低速旋轉(zhuǎn)動密封

圖1中，O形圈與旋轉(zhuǎn)軸間存在滑動摩擦，摩擦力大小與旋轉(zhuǎn)軸表面粗糙度、O形圈壓縮率等有關(guān)。為降低旋轉(zhuǎn)摩擦阻力，同時考慮O形圈的卡夫-焦耳效應(yīng)，在選用O形圈時內(nèi)徑較旋轉(zhuǎn)軸徑大3%～5%，外徑壓縮率控制在5%～10%，旋轉(zhuǎn)軸與O形圈接觸面粗糙度Ra0.1～0.2。

1.2 格萊圈

格萊圈通常由改性的聚四氟乙烯密封圈和O形圈組合而成，其中密封圈與旋轉(zhuǎn)軸接觸并實現(xiàn)動密封，而O形圈提供徑向壓力并對密封圈磨損進行補償[14]。與O形圈相似，采用圖2所示兩層格萊圈可有效提高動密封性能。

圖2 格萊圈低速旋轉(zhuǎn)動密封

格萊圈的優(yōu)勢在于解決了O形圈的啟動爬行、黏滯等問題，在高速、低速旋轉(zhuǎn)動密封中均有廣泛應(yīng)用。格萊圈通常可直接根據(jù)產(chǎn)品手冊進行選用。需要注意的是，當旋轉(zhuǎn)軸徑較小時應(yīng)當使用相應(yīng)的工裝進行安裝，以免密封圈損傷而影響動密封性能。

1.3 車氏密封

車氏密封是我國自主研發(fā)的一型填料密封元件，在各種高壓水、油系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用工況的不同，可分為齒形、J形、C形、U形等多種形狀[11]。本文在此選用了單向齒形車氏密封，其密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 車氏密封低速旋轉(zhuǎn)動密封

車氏密封與格萊圈具有一定的相似性，都是由改性的聚四氟乙烯密封圈和O形圈組合而成，其區(qū)別主要在于密封圈的形狀。當旋轉(zhuǎn)軸徑較小時，可采用圖3所示的分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案布置車氏密封。在選用該型車氏密封時應(yīng)注意密封元件的安裝方向。

1.4 泛塞

泛塞又稱彈簧蓄能密封圈，其由非金屬密封夾套和金屬彈簧組合而成[15]。本文設(shè)計的雙層泛塞低速旋轉(zhuǎn)動密封組合結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 泛塞低速旋轉(zhuǎn)動密封

圖4中，當外側(cè)水壓較低時，主要有金屬彈簧提供密封力，而隨著外側(cè)壓力升高，主要密封力由外部壓力來提供，從而保證不同壓力下的動密封性能。由于泛塞背面不具有水密性，因此，在泛塞安裝環(huán)上設(shè)置O形圈以進行水密。

2 試驗方案

為測試不同填料密封方式的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能，設(shè)計圖5所示測試方案進行試驗。壓力容器中介質(zhì)為水，其上安裝有壓力表能夠顯示壓力信息。壓力容器通過手動壓力泵進行加壓。測試裝置內(nèi)部未采用環(huán)境壓力補償，每種填料密封元件均采用雙層設(shè)置。試驗中選用的O形圈、格萊圈、車氏密封及泛塞等填料密封元件的型號規(guī)格信息如表1所示。測試裝置除旋轉(zhuǎn)軸選用316L不銹鋼材料外，其他各零部件均選用7075鋁合金材料，零件表面未進行表面處理。測試裝置內(nèi)部采用帶行星減速器的步進電動機驅(qū)動，減速器輸出軸與旋轉(zhuǎn)軸連接并帶動旋轉(zhuǎn)軸正反向旋轉(zhuǎn)。

圖5 低速旋轉(zhuǎn)動密封性能測試方案

表1 密封元件選用

如圖5所示，將測試裝置放入壓力容器后，在外部加壓裝置作用下壓力容器內(nèi)壓力緩慢加至2 MPa，然后由外置的控制器控制步進電動機正反向切換旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速后旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為15 r/min，正反向切換周期為3 s，單種密封元件連續(xù)工作100 h。

3 試驗結(jié)果

測試結(jié)束后，拆開測試裝置并檢測電動機內(nèi)部漏水情況，試驗結(jié)果如表2所示。

從拆解后測量的漏水量來看，格萊圈和車氏密封的泄漏量最大可達9 ml，而65 mm泛塞的泄漏量在5 ml左右。測試結(jié)束后，不同方式下的填料密封元件均磨損嚴重，且制造旋轉(zhuǎn)軸采用的316L不銹鋼材料硬度較低，旋轉(zhuǎn)軸表面與密封元件接觸處均有一定的變形。

表2 密封元件測試結(jié)果

需要說明的是，在2 MPa深度環(huán)境下實際的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能與密封元件質(zhì)量、結(jié)構(gòu)件加工精度、旋轉(zhuǎn)軸表面粗糙度、裝配工藝等都有很大的關(guān)系。在后期多次的測試中也出現(xiàn)過軸徑24 mm格萊圈漏水在1～2 ml的現(xiàn)象。但是，多次試驗顯示的測試結(jié)果基本與表2相符。因此，表2測試結(jié)果基本能夠說明4種不同填料密封元件在2 MPa壓力且未采用壓力補償?shù)乃伦鳂I(yè)裝置中100 h長時間連續(xù)工作時的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能，即O形圈最優(yōu)，泛塞次之，而格萊圈和車氏密封相對較差。

4 結(jié) 論

本文針對O形圈、格萊圈、車氏密封及泛塞等4種填料密封元件的水下低速旋轉(zhuǎn)動密封性能進行了測試研究，其主要結(jié)論如下。

(1) 在4種方式中，基于O形圈的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能最優(yōu)，且結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝均較簡單。但是，O形圈存在啟動爬行、粘滯等問題，且長時間工作后O形圈磨損較嚴重。因此，對于未采用壓力補償?shù)膭用芊饪蓛?yōu)先選用O形圈，而對于采用壓力補償?shù)膭用芊饪蛇x用格萊圈。

(2) 理論上密封元件可在軸用和孔用兩種方式中任意選擇。但是，密封元件旋轉(zhuǎn)接觸面的粗糙度對動密封性能具有很大的影響。若選擇軸用密封元件，當軸徑較小時內(nèi)孔表面粗糙度很難保證，建議優(yōu)先選用孔用密封元件，然后通過精車、拋光等處理降低旋轉(zhuǎn)軸表面粗糙度。

(3) 泛塞較O形圈啟動扭矩小，但外側(cè)水壓增大會增加泛塞對旋轉(zhuǎn)軸施加的密封力，而該密封力明顯大于格萊圈和車氏密封。在測試過程中亦曾出現(xiàn)過大壓力時電機轉(zhuǎn)矩不足而使旋轉(zhuǎn)軸卡死的情況。因此，在基于泛塞進行低速旋轉(zhuǎn)動密封設(shè)計時建議驅(qū)動源預(yù)留一定的轉(zhuǎn)矩余量。

(4) 本文考慮旋轉(zhuǎn)軸在海水中的耐腐蝕問題以及與外部設(shè)備連接的強度問題，測試裝置旋轉(zhuǎn)軸材料為316L。但316L硬度較低，其本身會影響動密封性能。因此，可對旋轉(zhuǎn)軸進行表面處理以提高硬度，或是更換其他耐腐蝕且硬度較高的材料，如鈦合金。

(5) 本文中測試裝置雖然未采用壓力補償，但所得測試結(jié)果對于具有壓力補償裝置的低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的密封元件選用具有一定的指導(dǎo)意義。在采用壓力補償裝置后，密封元件由單側(cè)受壓變?yōu)殡p側(cè)受壓。因此，選用的密封件應(yīng)更換為可雙側(cè)承壓的元件。