旋轉(zhuǎn)式唇型圈停車密封開啟全過程密封特性研究

李雙喜 許 燦 劉興華 趙 祥 古彥飛

(北京化工大學機電學院 北京 100029)

旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈通常應用在火箭發(fā)動機渦輪泵中跟隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，在靜止或低轉(zhuǎn)速下起到阻止燃料泄漏的作用。而在高轉(zhuǎn)速下，唇口部分橡膠因離心力作用與軸呈現(xiàn)脫開趨勢，當升至某個轉(zhuǎn)速時，唇口的最大接觸壓力小于流體壓力[1]，開始與裝配軸脫開，實現(xiàn)無接觸運轉(zhuǎn)，此時需要液封輪來阻止燃料泄漏。即高速下液封輪起密封作用，低速下唇形圈起密封作用，兩者相互配合使用。當轉(zhuǎn)速逐漸降低，唇形圈能夠再次實現(xiàn)密封作用，該用法也屬于停車密封?？梢钥闯?，密封圈的脫開轉(zhuǎn)速是發(fā)動機渦輪泵端面密封結(jié)構(gòu)設計的重要參數(shù)[2]。

唇形圈與液封輪配合使用的難點是難以根據(jù)工程應用精確控制唇口脫開轉(zhuǎn)速，當設計的脫開轉(zhuǎn)速過低，唇口過早打開，會造成介質(zhì)提前泄漏；當設計的脫開轉(zhuǎn)速過高，唇口不能及時打開，會造成唇口與軸摩擦時間較長，唇口溫度過高、磨損嚴重，不利于長期使用。因此準確了解旋轉(zhuǎn)式密封圈脫開轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律對于提高密封圈的使用壽命非常重要。但由于目前為止未能透徹揭示其密封原理，唇型密封圈的設計與選型存在一定的盲目性，也不利于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和改進[3]，因此有必要進一步研究探討旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈的工作機制。

有關唇形密封圈仿真研究，學者們展開了大量的研究。李苗苗等[4]研究了安裝過盈量和介質(zhì)壓力對旋轉(zhuǎn)軸唇形橡膠密封圈密封性能的影響。桑建兵等[5]研究了橡膠密封圈的范·米塞斯應力的分布規(guī)律以及唇口處接觸應力的分布曲線。張付英等[6]模擬分析了密封圈在特定工作條件下的溫度分布。HORVE[7]用正弦規(guī)律模擬唇口表面形貌，考慮空化效應研究了操作參數(shù)對密封圈性能的影響，結(jié)果表明流體動壓效應舉升了唇口。郭飛等人[8]基于流量因子統(tǒng)計學方法建立了旋轉(zhuǎn)軸唇形密封的混合潤滑模型。沈國強等[9]基于唇形密封圈有限元分析結(jié)果，采用VB軟件開發(fā)了參數(shù)化軟件。宋正樸[10]基于往復式骨架油封動態(tài)模型分析了不同工況對唇口溫度場的影響。上述研究大多是針對旋轉(zhuǎn)軸密封圈，即軸旋轉(zhuǎn)、密封圈固定，關于旋轉(zhuǎn)式密封圈的研究還比較少。

本文作者采用數(shù)值分析及試驗驗證的方法研究2種新型唇形密封圈(G形與S形)與傳統(tǒng)密封圈開啟全過程中脫開前密封參數(shù)的變化趨勢及脫開轉(zhuǎn)速的影響因素及大小差別。

1 三種密封圈結(jié)構(gòu)及受力分析

完整的密封圈結(jié)構(gòu)主要由橡膠部分、環(huán)形彈簧、骨架3部分組成[11]。骨架在密封圈中可提升剛度、防止密封圈因壓力過高而產(chǎn)生大變形；橡膠部分的唇口及其他面在實際工況中與其他剛體接觸，起密封作用；環(huán)形彈簧保證在靜止或低轉(zhuǎn)速下，密封圈唇口與靜止軸緊密連接。為研究唇口脫開轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，對傳統(tǒng)密封圈(見圖1)和2種新型唇形密封圈(G形與S形，見圖2)進行對比研究。G形與S形結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別在于從結(jié)構(gòu)上限制彈簧在高轉(zhuǎn)速下的位移，彈簧的變形始終固定在唇形圈中，利用彈簧在高速下變形較大的特點加速唇口的脫開。

圖2 G形結(jié)構(gòu)和S形結(jié)構(gòu)

3種唇形圈結(jié)構(gòu)的受力相近，以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)及受力如圖1所示。下文以模型一、模型二、模型三命名傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、G形與S形結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力(模型一)

圖1中，唇形圈受到的最多的力是垂直于接觸面的流體壓力(Fp1、Fp2、Fp3)，其中唇口部分上方的受壓面積較大，受力方向總體向下；Fw為橡膠部分的離心力；旋轉(zhuǎn)的彈簧也具有離心力，高轉(zhuǎn)速下彈簧與密封圈脫開，因此不考慮模型一中彈簧的離心力，但模型二和模型三中會考慮彈簧離心力；Fs為環(huán)形彈簧對橡膠部分的徑向彈簧力；Ft為橡膠部分的自身回復力。

2 數(shù)值分析

計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

2.1 材料模型的選擇

分析所選用的橡膠材料為丁腈橡膠，一種高度材料非線性、接觸非線性和幾何非線性復合材料，采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型[12]描述完整的材料行為，如公式(1)所示。

(1)

式中：W為應變能密度；Cij為Rivlin系數(shù)；I1和I2分別為第1和第2 Green應變不變量。兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型參數(shù)值C10=-15.3 MPa，C01=16.275 MPa。彈簧以及裝配軸的材料選擇為不銹鋼。

2.2 唇形圈和環(huán)形彈簧的建模

前人關于唇形圈數(shù)值分析中，多是省略彈簧或簡化彈簧成圓管狀[13]，該方法對于旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈是可行的，能夠保證唇形圈所受彈簧徑向力與實際一致，但不適用于旋轉(zhuǎn)式唇形圈。因簡化后彈簧的質(zhì)量與實際質(zhì)量不相同，則導致離心力不同,數(shù)值分析不能夠正確計算出彈簧的變形。文中提出參數(shù)化公式如公式(2)—(4)，按照實際圈數(shù)、線徑和中徑等參數(shù)建出600圈環(huán)形彈簧。因彈簧非軸對稱結(jié)構(gòu)以及為減少計算量，建立如圖3所示1/4整體模型進行求解分析。

圖3 1/4裝配體

(2)

(3)

zt=Lsint

(4)

式中:D0為彈簧安裝直徑；d為彈簧線徑；Na為彈簧圈數(shù)。

環(huán)形彈簧參數(shù)見表2。

2.3 邊界條件及加載

在唇形圈實際工況中，唇形圈固定在外殼中，其軸向和徑向均被固定，外圈沒有變形空間，即在模擬分析中，對其外圈進行徑向固定約束[14]。如圖4所示,唇形圈正向受壓，在面上加載垂直于面的載荷，大小為0.1 MPa;在2個截面處加載對稱邊界。環(huán)形彈簧與唇形圈的接觸設置為摩擦接觸，根據(jù)橡膠材料與不銹鋼的動摩擦因數(shù)范圍，摩擦因數(shù)選擇0.5。給予唇形圈和彈簧旋轉(zhuǎn)速度。彈簧徑向力F的計算[15]見公式(5)。實際安裝中，唇形圈是通過軸向安裝，因此在仿真中，給靜止軸一個軸向的位移，實現(xiàn)實際裝配過程。裝配軸與唇形圈的接觸設置為摩擦接觸，摩擦因數(shù)同上。

圖4 緊箍彈簧受力分析

彈簧徑向力計算公式：

(5)

式中:F為彈簧徑向力；Rr為彈簧安裝位置與唇口軸向距離；L為彈簧安裝位置與腰部軸向距離；T為彈簧力。

2.4 分析云圖

文中按照當最大接觸壓力小于介質(zhì)壓力時，視計算轉(zhuǎn)速為脫開轉(zhuǎn)速。

3個模型的變形云圖如圖5—7所示。

圖5 模型一脫開后整體變形圖

圖6 模型二脫開后整體變形圖

圖7 模型三脫開后整體變形圖

在高轉(zhuǎn)速下，根據(jù)彈簧比橡膠變形大的特點，模型一中的彈簧與唇形圈分離，模型一不再受彈簧徑向力作用，脫開轉(zhuǎn)速只憑借橡膠自身的離心力。模型二和模型三中的彈簧始終被固定在橡膠部分中，彈簧的變形始終被限制在唇形圈中，在高轉(zhuǎn)速下，彈簧的變形會帶動唇口部分整體向外移動，從而達到加速脫開的目的。

3 密封開啟特性分析

3.1 接觸壓力、寬度、摩擦力隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢

以入口壓力為0.1 MPa時為例，隨轉(zhuǎn)速的逐漸增加，唇口處的最大接觸壓力變化如圖8所示，摩擦力的變化趨勢如圖9所示。

圖8 接觸壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

圖9 摩擦力隨轉(zhuǎn)速的變化

從圖8、9中可以看出，模型二和模型三的脫開轉(zhuǎn)速明顯比模型一低，在轉(zhuǎn)速超過6 000 r/min時，接觸壓力小于介質(zhì)壓力,摩擦力降低至0。從圖8 中可以看出，模型二和模型三中，接觸壓力的下降速度相同，證明結(jié)構(gòu)的改變并未引起其接觸壓力下降速度的改變。從圖9中可以看出，摩擦力的變化趨勢為先上升后下降。原因為隨轉(zhuǎn)速的逐漸提升，摩擦力逐漸增大，當唇口逐漸開始脫開時，接觸寬度逐漸減少，摩擦力逐漸減少至0。

從圖10可以看出，接觸寬度在脫開轉(zhuǎn)速的前2 000 r/min左右開始減小，在脫開轉(zhuǎn)速前500 r/min內(nèi)驟然減少至0。結(jié)合圖8可知，唇形圈在脫開前的接觸壓力一直大于介質(zhì)壓力，證明唇形圈的密封性能良好且隨轉(zhuǎn)速的增加逐漸失去唇形圈作用。結(jié)合圖9可知，從脫開前轉(zhuǎn)速2 000 r/min開始，摩擦力開始由增大趨勢變?yōu)闇p小,證明了接觸寬度的變化規(guī)律。圖11中，唇尖處的坐標設置為0，令靠近空氣側(cè)為負坐標，介質(zhì)側(cè)為正坐標。從圖中可看出，3個模型的最大接觸壓力均位于空氣側(cè)，空氣側(cè)的接觸寬度與介質(zhì)側(cè)的比例大約為2∶1?？諝鈧?cè)在距離唇口0.6 mm內(nèi)壓力變化趨勢不大，均趨近于最高值。介質(zhì)側(cè)接觸寬度較少且降低速度較快。這種現(xiàn)象的原因在于文中模擬實際安裝過程中，需在初始時給軸一個軸向位移模擬實際安裝過程(實際安裝時，唇形圈是從一側(cè)軸向安裝在軸上)，因此唇形圈在安裝完成后，在唇口處會有一定的彎曲變形，接觸寬度取決于正向安裝還是背向安裝。文中按照實際工況為背向安裝，因此在空氣側(cè)的接觸寬度最大。

圖10 接觸寬度隨轉(zhuǎn)速的變化

圖11 接觸面上接觸應力變化趨勢

3.2 脫開轉(zhuǎn)速的影響因素分析

3.2.1 彈簧離心力的影響

在入口壓力0.1 MPa下，分析不同彈簧力對3個模型脫開轉(zhuǎn)速的影響趨勢，結(jié)果如圖12所示?？芍?，隨著彈簧力的逐漸增大，脫開轉(zhuǎn)速線性增加，彈簧力從4 N增加到8 N，3個模型的脫開轉(zhuǎn)速增長率分別為7%、9%、15%。模型二和模型三的脫開轉(zhuǎn)速明顯比模型一的低，證明了環(huán)形彈簧的離心力能夠有效降低脫開轉(zhuǎn)速。在工程應用中，可根據(jù)具體工況的使用要求，確定脫開轉(zhuǎn)速后，合理選用彈簧力的大小，對脫開轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。彈簧力過大時，會增大過盈量，不利于安裝以及唇口脫開，也會增加唇口磨損，不利于長期使用；彈簧徑向力過小時，在靜態(tài)或低轉(zhuǎn)速下會導致密封性能下降，同時在唇口磨損后，不能有效地補償過盈量。

圖12 離心力與脫開轉(zhuǎn)速的關系

3.2.2 過盈量的影響

由圖13可知，隨著過盈量的逐漸增大，脫開轉(zhuǎn)速線性增加，過盈量從0.4 mm增加到0.8 mm時，3個模型的脫開轉(zhuǎn)速增長率分別為10%、15%、30%。 同理，環(huán)形彈簧對脫開轉(zhuǎn)速的影響較大，在相同工況下，新型結(jié)構(gòu)的脫開轉(zhuǎn)速比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低40%左右。過盈量的大小對脫開轉(zhuǎn)速的影響較小。在工程應用中，過盈量較大會導致安裝困難，唇口處結(jié)構(gòu)變形較大，脫開轉(zhuǎn)速增大，唇口難以脫開；過盈量較小則會導致密封性能不好，會造成唇口雖未完全脫開但有少量泄漏的情況發(fā)生。

圖13 過盈量與脫開轉(zhuǎn)速的關系

3.2.3 入口壓力的影響

由圖14可知，隨著入口壓力的逐漸增大，脫開轉(zhuǎn)速線性增加，入口壓力從0增加到0.4 MPa，3個模型的脫開轉(zhuǎn)速增長率分別為181%、314%、382%，表明入口壓力對脫開轉(zhuǎn)速的影響非常大，在高壓下表現(xiàn)更為明顯。同時也證明了新型結(jié)構(gòu)的有效性,在工程應用中，可通過使用這種新型結(jié)構(gòu)來達到降低脫開轉(zhuǎn)速的目的。

圖14 壓力與脫開轉(zhuǎn)速的關系

3.2.4 橡膠密度的影響

橡膠材料的密度因添加物、材料選擇、原料配比等因素會有所不同。實物測量不同橡膠材質(zhì)的唇形圈密度在1 300 ～2 100 kg/m3之間。文中分析了在此區(qū)間內(nèi)密度對開啟轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律。

由圖15可知，唇形圈密度從1 300 kg/m3增加到2 000 kg/m3，3個模型脫開轉(zhuǎn)速減少率分別為16%、19%、18%。原因在于由離心力公式易知密度增大，則質(zhì)量增大，會加速唇口脫開。通過這條規(guī)律也可以判斷,在相同條件下，唇口部分質(zhì)量大的更容易脫開。在工程應用中，在只考慮脫開轉(zhuǎn)速不考慮其他屬性的情況下，增加密度無需考慮磨損量、使用壽命、靜態(tài)密封性能等因素，可以選擇通過改變橡膠密度去控制脫開轉(zhuǎn)速。

圖15 密度與脫開轉(zhuǎn)速的關系

4 試驗驗證

為對數(shù)值分析結(jié)果進行驗證，設計了一種可以檢測腔內(nèi)壓力和電機電流的實驗裝置和系統(tǒng)，唇形圈唇口打開后，可觀察腔內(nèi)壓力突降，電機電流突增。通過比對腔內(nèi)壓力、電機電流與轉(zhuǎn)速對應時間下的數(shù)據(jù)可得出脫開轉(zhuǎn)速。實驗設計圖以及實際圖如圖16所示。因三種唇形圈的內(nèi)徑、外徑分別相等，實驗過程中安裝在相同的位置，下圖中只展示模型一的裝配二維圖。

圖16 實驗裝置及結(jié)構(gòu)

實驗研究不同入口壓力對脫開轉(zhuǎn)速的影響，并與數(shù)值分析的結(jié)果對比,如圖17所示。

實驗結(jié)果表明在脫開前，唇形圈的密封效果穩(wěn)定，未檢測到泄漏現(xiàn)象發(fā)生，直至唇口脫開，泄漏量突增，證明接觸壓力與接觸寬度分析的正確性。實驗得到的結(jié)果與軟件分析結(jié)果相近，如圖17所示，3個模型的平均誤差在5%左右，可以證明分析結(jié)果的正確性。

圖17 實驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對比

5 結(jié)論

(1)在脫開過程中，唇口的接觸壓力隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸減少，當接觸壓力小于介質(zhì)壓力時，唇形圈失去密封作用；脫開前接觸寬度在脫開轉(zhuǎn)速前500 r/min快速減少至0；唇口處最大接觸壓力發(fā)生在唇尖靠近空氣側(cè)，空氣側(cè)與介質(zhì)側(cè)的接觸寬度之比為2∶1，且空氣側(cè)靠近唇尖0.6 mm內(nèi)接觸壓力均趨近于最高值。

(2)入口壓力對脫開轉(zhuǎn)速影響極大，過盈量和彈簧力對其影響較小，橡膠密度對其影響較大，且不會影響磨損量、使用壽命等。在工程應用中，應根據(jù)實際工況合理選用彈簧力、過盈量、入口壓力和橡膠密度。

(3)利用環(huán)形彈簧離心力能夠加速唇口的脫開，同時增加唇口部分的質(zhì)量也能夠降低脫開轉(zhuǎn)速。