旋轉(zhuǎn)沖擊作用下鑿巖機水封密封性能分析*

賈春強 夏文龍 楊晰越 岳國棟

(沈陽建筑大學(xué)機械工程學(xué)院 遼寧沈陽 110168)

液壓鑿巖機是典型的鉆孔設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦山開采工作。由于工況復(fù)雜，釬尾與沖洗頭之間的密封圈既受到旋轉(zhuǎn)與高頻沖擊運動的復(fù)合作用，又受到水介質(zhì)潤滑不足的影響，極易產(chǎn)生泄漏問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對動密封性能展開了較為深入的研究。王忠、趙河明等[1-2]通過建立有限元模型，分析了過盈量、旋轉(zhuǎn)速度、摩擦因數(shù)及流體壓力等對密封圈密封性能的影響。楊化林、鄭輝、張鎮(zhèn)國等[3-5]分析了密封區(qū)的油膜厚度和壓力分布情況。張康雷、李紅振等[6-7]分析了往復(fù)運動周期的內(nèi)泄漏量及不同形狀密封圈密封性能。張東葛等[8]利用ANSYS 對Y形密封圈在不同工作壓力下的變形與受力情況進行分析，得出上、下唇最大接觸壓力隨油壓變化的關(guān)系。郭飛等人[9]建立了旋轉(zhuǎn)軸唇封的混合潤滑模型，分析了旋轉(zhuǎn)速度對密封性能的影響。王國榮等[10]分析了工作壓力、密封間隙、往復(fù)運動速度、摩擦因數(shù)對往復(fù)密封軸用Y 形密封圈密封性能的影響規(guī)律。楊化林等[11]建立了油封唇口密封區(qū)流體潤滑的模型，獲得了密封區(qū)的油膜厚度和壓力分布，結(jié)果表明激振頻率和振幅對密封性能有一定影響。THATTE 和SALANT[12-13]的研究表明，當(dāng)軸運動狀態(tài)變化時，Y形密封圈的密封性能隨時間產(chǎn)生相應(yīng)的變化規(guī)律。

但是上述文獻主要研究的是單一的旋轉(zhuǎn)動密封或往復(fù)動密封在勻速穩(wěn)態(tài)下的密封性能及泄漏特性，而對旋轉(zhuǎn)和沖擊復(fù)合作用下的動密封特性研究較少，無法揭示其動態(tài)密封性能和泄漏情況。因此，本文作者綜合考慮沖擊過程變速度的影響，以旋轉(zhuǎn)往復(fù)式鑿巖機水封為研究對象，建立了復(fù)合運動下鑿巖機水封的泄漏量計算模型，分析了在不同因素影響下水封最大接觸壓力和泄漏量的變化情況，為鑿巖機水封的設(shè)計與優(yōu)化提供了一定的參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

鑿巖機沖洗機構(gòu)水封由釬尾、沖洗殼體及Y形圈組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。釬尾與Y形圈水封唇口形成密封區(qū)域，為防止釬尾在高頻沖擊運動中出現(xiàn)泄漏，采用Y形圈與釬尾直接接觸，通過過盈配合產(chǎn)生接觸壓力，同時沖洗水側(cè)與空氣側(cè)之間形成一層水膜，兩者共同作用實現(xiàn)密封。運動時依靠Y形圈唇口獨特的壓力分布，通過使內(nèi)行程實時泄漏量大于外行程實時泄漏量，產(chǎn)生流量差，將泄漏的潤滑液帶回密封區(qū)域，從而實現(xiàn)密封。

圖1 旋轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機沖洗機構(gòu)示意Fig 1 Schematic of flushing mechanism of rotary impact rock drill

1.2 變速度鑿巖機水封泄漏模型

由于釬尾做周期性沖擊運動和勻速的旋轉(zhuǎn)運動，假設(shè)水封靜止不動，可將釬尾的往復(fù)沖擊運動簡化為一個簡諧振動，取其中一個周期進行研究，其中0～T/2為內(nèi)行程，T/2～T為外行程，可得釬尾沖擊運動速度方程為

u(t)=Awsin(ωt)

ω=2πf

(1)

式中:A為簡諧運動沖擊振幅；f為簡諧運動沖擊頻率；t為簡諧運動時間。

考慮到膜厚遠小于釬尾直徑，忽略水膜曲率的變化，建立旋轉(zhuǎn)往復(fù)式?jīng)_洗機構(gòu)唇口密封區(qū)流體潤滑數(shù)值模型，通過求解雷諾方程分析密封區(qū)的流體力學(xué)特性。雷諾方程可寫為

(2)

式中：ui、vi、wi(i=1,2)分別為2個密封結(jié)合表面在x、y、z方向的速度；h為密封間隙間距；η為動力黏度；p為流體壓力。

根據(jù)模型運動情況，沖洗殼體與密封件相對靜止，密封界面膜可視為環(huán)形對稱間隙，泄漏主要由釬尾沖擊方向上的運動引起，因此可簡化為一維流動的雷諾方程:

(3)

式中：h*為最大壓力處膜高。

由式(3)可以得到

(4)

式中：E為內(nèi)外行程壓力梯度最大點(d2p/dx2=0)；hE為點E處油膜厚度；uE為點E處速度。

將式(4)代入式(3)得

(5)

式中：wE為內(nèi)外行程最大壓力梯度。

在最大壓力點,膜上的流動速度從u線性減少到0。在界面外的大氣側(cè),膜具有勻速u。因此,其膜厚h0為h*的1/2。即

(6)

針對旋轉(zhuǎn)往復(fù)式鑿巖機沖洗機構(gòu)的運動情況，將整個運動n等分，運用微積分方法，可以得出任一時刻的釬尾沖擊速度及其對應(yīng)的膜厚方程為

(7)

假設(shè)d為釬尾直徑,L為t時刻的行程,可得t時刻的實時泄漏量為

Vt=πdLht

(8)

則一個運動周期內(nèi)的凈泄漏量為

(9)

2 有限元分析模型

2.1 有限元模型

為了求得泄漏量，必須求得每一時刻每一沖擊速度下的接觸壓力，以計算出壓力梯度變化。采用ABAQUS有限元分析軟件對水封唇口進行有限元結(jié)構(gòu)分析，求得各階段的接觸壓力分布。建立沖洗殼體、Y形密封圈、釬尾的三維模型，如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig 2 Finite element model

2.2 模型的參數(shù)

Y形圈材料為聚氨酯，通過三參數(shù)Mooney-Rivlin模型[14]定義，取C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa，密度為1.17 g/cm3。沖擊殼體和釬尾材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。

2.3 邊界條件及分析步驟

根據(jù)模型的空間位置，將整個運動劃分為3個分析步。第一步：對釬尾施加位移，從而實現(xiàn)裝配并對密封圈施加預(yù)壓縮；第二步：逐步施加沖洗水壓，直至水壓達到工作壓力；第三步:對釬尾施加旋轉(zhuǎn)沖擊運動。

2.4 仿真模型與方法驗證

為驗證仿真計算的正確性，選擇Y形圈動密封相關(guān)經(jīng)典文獻[15]進行對比驗證，以摩擦力為目標(biāo)參數(shù)。在文中Y形圈三維模型的基礎(chǔ)上設(shè)置與其相同的參數(shù)，進行數(shù)值模擬計算，將接觸壓力分布情況導(dǎo)入origin中進行分析,結(jié)合式(10)求得Y形圈密封接觸面上的摩擦力變化規(guī)律。

(10)

式中：f為密封件所受摩擦力；μx為x位置處的摩擦因數(shù)；D為摩擦平面的直徑；px為x位置處的接觸壓力；x為在沖擊運動方向上的接觸長度。

將文中仿真結(jié)果與文獻[15]實驗結(jié)果對比，如圖3所示?？芍闹心Ｐ蛿?shù)值模擬的計算結(jié)果與文獻[15]實驗結(jié)果的變化趨勢基本一致，兩者差異在8%以內(nèi)，吻合度較高表明文中所使用的有限元模型對于密封面接觸壓力的計算具有較高的精度。

圖3 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比Fig 3 Comparison of simulation results and experimental results

3 有限元仿真結(jié)果和分析

3.1 沖擊速度幅值對密封性能的影響

為研究沖擊速度幅值對密封性能的影響，取沖擊速度幅值分別為157、235、314、392 mm/s，在水壓3 MPa、沖擊頻率50 Hz、旋轉(zhuǎn)速度350 r/min、摩擦因數(shù)0.3的條件下，分析密封區(qū)最大接觸壓力在一個周期內(nèi)的變化情況，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 沖擊速度幅值對最大接觸壓力的影響Fig 4 The influence of impact velocity amplitude onthe maximum contact pressure

從圖4可以看出：隨運動時間的變化，最大接觸壓力在沖擊速度最大處出現(xiàn)峰值，在速度為0時為靜摩擦，此時最大接觸應(yīng)力有所增大。外行程的最大接觸壓力整體大于同位置的內(nèi)行程的最大接觸壓力，外行程最大接觸壓力隨速度幅值的增大而增大，內(nèi)行程則相反。這是因為在外行程時，由于唇口方向與釬尾的運動方向相反，在摩擦力的作用下變形較大，接觸壓力較大，隨速度的增加，最大接觸壓力增大；而在內(nèi)行程，密封唇開口方向與釬尾相同，在摩擦力的作用下處于拉長的狀態(tài)，變形較小，所以唇峰處的接觸壓力較小，隨速度的增加最大接觸應(yīng)力變小。

將接觸壓力分布的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab進行數(shù)據(jù)處理，然后代入到公式(1)—(9)，可求得不同速度幅值條件下，隨運動時間變化的實時泄漏量，如圖5所示，以及一個運動周期內(nèi)的凈泄漏率，如圖6所示。

由圖5可知，內(nèi)行程的實時泄漏量曲線較陡峭，外行程曲線整體較平緩。這是因為內(nèi)行程時沖擊速度越大，最大接觸壓力越小，最大壓力梯度越小,由公式(7)可知膜厚變化越大，實時泄漏量隨速度變化越大；外行程時沖擊速度越大，最大接觸壓力越大，最大壓力梯度越大，由公式(7)可知，水膜厚度變化較小。在速度為0時，泄漏量為0，這是因為模型此時停止運動，不發(fā)生泄漏。

圖5 不同沖擊速度幅值下的實時泄漏量Fig 5 Real-time leakage under differentimpact velocity amplitudes

由圖6可知，沖擊速度幅值越大浄泄漏率越大，在沖擊速度幅值較小時泄漏率為負值，出現(xiàn)泵汲現(xiàn)象。這是因為隨著速度幅值的增大，外行程整體膜厚增大速度比內(nèi)行程大，泄漏率越來越大。在速度幅值較低時速度對油膜厚度的影響較小，內(nèi)行程最大壓力梯度比外行程小，膜厚較大，實時泄漏量大于外行程，此時泄漏率出現(xiàn)負值；隨著速度幅值的增大，外行程的整體水膜厚度越來越大，逐漸大于內(nèi)行程，發(fā)生泄漏現(xiàn)象。一定程度上減小沖擊速度幅值，可以有效增加該工況下的密封性能。

圖6 不同速度幅值下的浄泄漏率Fig 6 Net leakage rate under different speed amplitudes

3.2 沖洗水壓力對密封性能的影響

為研究沖洗水壓對旋轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機密封性能的影響，壓力分別取1、2、3、4 MPa，沖擊速度幅值選取314 mm/s，其他參數(shù)不變，進行數(shù)值計算，結(jié)果如圖7—9所示。

圖7 液體壓力對最大接觸壓力的影響Fig 7 The influence of liquid pressure on themaximum contact pressure

圖7表明：Y形密封圈最大接觸壓力隨著液體壓力的增大而增大。這是因為液體壓力主要作用于唇口位置，旋轉(zhuǎn)沖擊式水封在工作過程中，Y形密封圈的變形量隨著液體壓力的增大而增大，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，使最大接觸壓力變大。

圖8表明，隨著液體壓力變大，實時泄漏量變小，且實時泄漏量在不同壓力下的數(shù)值相差較大，對壓力變化比較敏感。這是因為Y形圈非密封面受到的流體壓力增大，同時密封面的入口壓力也增大，但密封區(qū)域流體壓力分布形式基本不變，從密封內(nèi)側(cè)到外側(cè)遞減。因此，密封端面的最大壓力梯度會增大，使密封唇口區(qū)域膜厚變小[16]，運動過程中的實時泄漏量減?。幻芊鈪^(qū)域的寬度很小，而密封工作時的流體介質(zhì)壓力很大，因此實時泄漏量對壓力變化很敏感。

圖8 不同液體壓力幅值下的實時泄漏量Fig 8 Real-time leakage under differentliquid pressure amplitudes

圖9表明，凈泄漏率隨液體壓力增大先減小后增大。原因是沖洗水壓力較小時，隨著沖洗水壓的增大，內(nèi)行程壓力梯度的增大速度小于外行程，膜厚相對增大較大，實時泄漏量大于外行程，一個工作周期內(nèi)的凈泄漏量逐漸減小。但是當(dāng)沖洗水壓力過大時，內(nèi)行程壓力梯度的增大速度大于外行程，膜厚相對增大較小，實時泄漏量小于外行程，凈泄漏量逐漸增加。由此可知，密封保持中等沖洗水壓力時,可以有效減少凈泄漏量。

圖9 不同液體壓力下的凈泄漏率Fig 9 Net leakage rate under different liquid pressure

3.3 旋轉(zhuǎn)速度對密封性能的影響

為研究釬尾旋轉(zhuǎn)速度對旋轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機密封性能的影響，分別取旋轉(zhuǎn)速度為0、150、250、350 r/min，其他參數(shù)不變，進行仿真分析與數(shù)值計算，結(jié)果如圖10—12所示。

由圖10可知，轉(zhuǎn)速對最大接觸壓力的影響不大，且與內(nèi)外行程有關(guān)，內(nèi)行程轉(zhuǎn)速越大最大接觸壓力越大，外行程則相反；無轉(zhuǎn)速時的最大接觸壓力明顯小于有轉(zhuǎn)速時的最大接觸壓力。這是因為內(nèi)行程旋轉(zhuǎn)沖擊運動的合力與密封件唇口開口方向一致，加大轉(zhuǎn)速使合力向周向偏移，使得變形量增大，最大接觸壓力增大，外行程則相反。

圖10 轉(zhuǎn)速對最大接觸壓力的影響Fig 10 The influence of speed on themaximum contact pressure

由圖11可知，旋轉(zhuǎn)沖擊式水封唇口釬尾轉(zhuǎn)速對實時泄漏量的影響較小，數(shù)值比較接近。這是因為轉(zhuǎn)速對泄漏量的作用主要在對液體的離心作用，轉(zhuǎn)速增大會使密封面流體離心力增大，加速流體沿徑向的流動，但由于密封面徑向?qū)挾刃?，離心作用不明顯，故實時泄漏量對轉(zhuǎn)速不敏感。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的實時泄漏量Fig 11 Real-time leakage at different speeds

圖12表明，在一定范圍內(nèi)，凈泄漏量隨轉(zhuǎn)速增大而減小，出現(xiàn)負值，產(chǎn)生泵汲現(xiàn)象。這是因為轉(zhuǎn)速增大時，內(nèi)行程壓力梯度的變化小于外行程，整體膜厚增大速度大于外行程，從而降低泄漏率。這說明在一定范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速有利于提升旋轉(zhuǎn)沖擊型釬尾水封的密封性能。

圖12 不同旋轉(zhuǎn)速度下的凈泄漏率Fig 12 Net leakage rate at different rotation speeds

4 結(jié)論

(1)建立旋轉(zhuǎn)沖擊作用下鑿巖機水封唇口密封區(qū)流體潤滑的數(shù)值計算模型，并對模型進行了可靠性驗證，結(jié)果表明模型可用于預(yù)測水封唇口密封性能。

(2)在不同沖擊速度作用下，最大接觸壓力的變化趨勢整體上與速度變化一致，同時外行程的最大接觸壓力整體大于同位置的內(nèi)行程的最大接觸壓力。外行程最大接觸壓力隨速度的增大而增大，內(nèi)行程則相反。沖擊速度幅值越大，實時泄漏量越大，一個周期內(nèi)的凈泄漏率越大。

(3)隨液體壓力增大最大接觸應(yīng)力變大，實時泄漏量變小，凈泄漏率先變小再變大，表明中等壓力下的密封性能更好。

(4)轉(zhuǎn)速對最大接觸壓力的影響與內(nèi)外行程有關(guān)，內(nèi)行程轉(zhuǎn)速越大最大接觸壓力越大，外行程則相反。無轉(zhuǎn)速時的接觸壓力明顯小于有轉(zhuǎn)速時的接觸壓力。轉(zhuǎn)速對實時泄漏量的影響較小，凈泄漏量隨轉(zhuǎn)速增大而減小，在一定范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速有利于提升密封性能。