盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)聚氨酯密封系統(tǒng)高效冷卻研究

王文坤，程永龍，張新異，趙明恩，李佳衡，焦湘和

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，鄭州 450016）

0 引言

隧道施工隨著科技發(fā)展和市場(chǎng)需求在不斷進(jìn)步，盾構(gòu)法作為隧道工程的首選方法，在工程建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著隧道工程向大斷面、大埋深、長(zhǎng)距離的方向發(fā)展［1］，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。近年來，盡管大直徑盾構(gòu)機(jī)已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多個(gè)項(xiàng)目，如美國(guó)西雅圖SR99隧道、武漢某隧道等大直徑隧道工程，但項(xiàng)目建設(shè)過程中盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封失效是掘進(jìn)過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)之一［2-3］。常規(guī)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)是由多道橡膠單唇密封和迷宮結(jié)構(gòu)組成，并在唇形密封間充注油脂。此密封結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用中尤其大直徑盾構(gòu)機(jī)中問題較多［4-15］。

盾構(gòu)聚氨酯密封具有高彈性、高耐磨、高承壓等優(yōu)勢(shì)，可顯著提升擋渣效果，提高盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)可靠性。為了解決盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封失效問題，提高主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，將單唇密封改為四指型聚氨酯密封。雖然聚氨酯密封在國(guó)內(nèi)使用廣泛，但是聚氨酯彈性體耐熱性能存在明顯不足，盾構(gòu)用聚氨酯密封使用溫度一般不高于70 ℃，嚴(yán)重制約聚氨酯密封應(yīng)用于大直徑、高線速度等復(fù)雜盾構(gòu)工況。本文將進(jìn)行聚氨酯密封冷卻系統(tǒng)研究，探究盾構(gòu)機(jī)在高線速度工況下的聚氨酯密封發(fā)熱量、熱量傳遞路徑及水冷效率，優(yōu)化密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以滿足盾構(gòu)聚氨酯密封應(yīng)用需求。

1 聚氨酯密封摩擦熱計(jì)算

常規(guī)盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)為單唇形橡膠密封，一般由多道密封組成，如圖1所示。聚氨酯密封系統(tǒng)如圖2所示，考慮到空間布置情況，兩道聚氨酯密封一般采用L型布置，最后一道為VD密封，可承受高壓力工況。由于聚氨酯密封材料不耐高溫，需在聚氨酯密封唇口處布置冷卻水套。

圖1 盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)單唇型橡膠密封系統(tǒng)Fig.1 Single lip rubber sealing system of shield main drive

圖2 盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)四指型聚氨酯密封系統(tǒng)Fig.2 Four-finger polyurethane sealing system of shield main drive

摩擦分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦，其中盾構(gòu)密封系統(tǒng)為密封與跑道的滑動(dòng)摩擦。以外密封直徑為7.45 m的盾構(gòu)為研究對(duì)象，最高轉(zhuǎn)速為5 r/min。

式中，Q為摩擦發(fā)熱量；f為摩擦力；v為線速度；n為轉(zhuǎn)速；D為密封直徑；μ為摩擦系數(shù)；N為法向力。

根據(jù)摩擦熱公式（1）［16］，對(duì)于特定盾構(gòu)來說，轉(zhuǎn)速與直徑已知，僅需計(jì)算得出摩擦力即可，摩擦力f由摩擦系數(shù)和法向力構(gòu)成。

1.1 摩擦系數(shù)

滑動(dòng)摩擦阻力產(chǎn)生過程十分復(fù)雜，與微觀滑動(dòng)、彈性滯后、黏著效應(yīng)和塑性變形有關(guān)［17］。在實(shí)測(cè)過程中，應(yīng)確保溫度、滑動(dòng)速度及載荷與盾構(gòu)工況相同。在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中，采用力傳感器1和2測(cè)試力數(shù)據(jù)（見圖3），并通過測(cè)試臺(tái)程序計(jì)算得出摩擦系數(shù)，潤(rùn)滑良好狀態(tài)下聚氨酯滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果為0.4。

圖3 聚氨酯密封滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試Fig.3 Sliding friction coefficient test of polyurethane seal

1.2 法向力

1.2.1 力學(xué)性能測(cè)試

將聚氨酯密封裁剪為標(biāo)準(zhǔn)試樣，通過拉壓力學(xué)性能測(cè)試（見圖4），每個(gè)試樣做5組，具體數(shù)據(jù)見表1，從而擬合得到聚氨酯密封應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1 拉伸測(cè)試條件Tab.1 Tensile test conditions

圖4 聚氨酯密封樣件拉壓力學(xué)性能測(cè)試Fig.4 Tensile and compressive performance test of polyurethane seal sample

對(duì)彈性階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，理論上數(shù)據(jù)越多結(jié)果越精確，如圖5所示。但聚氨酯被拉伸時(shí)，彈性階段并不是一直保持正比關(guān)系并滿足胡克定律。在彈性階段的初期，應(yīng)力-應(yīng)變圖像是曲線，將這一階段的數(shù)據(jù)用到直線擬合中會(huì)帶來較大的誤差［18］。所以在選擇數(shù)據(jù)時(shí)，選用拉伸曲線中部較為接近直線的部分。

圖5 聚氨酯密封應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Polyurethane seal stress-strain curve

1.2.2 本構(gòu)模型及受力仿真

應(yīng)力-應(yīng)變仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 聚氨酯應(yīng)力-應(yīng)變仿真結(jié)果Fig.6 Polyurethane stress-strain simulation results

非金屬材料的幾種常用本構(gòu)模型為：Mooney-Rivlin模型、Neo-Hooke模型、Ogden模型、Reduced-Polynomial模型［19］。聚氨酯屬于超彈性材料，具有很強(qiáng)的變形能力，通過對(duì)比選擇Mooney-Rivlin橡膠本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。由分析結(jié)果可知，聚氨酯四指變形量相同，法向力相同，且接觸寬度較小，大致為0.16 mm，基本為線接觸。

1.2.3 受力分析

密封唇口對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的接觸壓力，即法向力。采用有限元分析方法得到唇口法向接觸壓力，并對(duì)接觸壓力—接觸寬度曲線定積分求得直徑為7.45 m密封圈法向力，最終得出法向力為65 416.7 N。

綜上所述，由公式（1）（2）計(jì)算得到盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)聚氨酯密封摩擦熱為Q=51 035.8 W。

2 聚氨酯密封冷卻系統(tǒng)共軛傳熱數(shù)值模擬

2.1 CFD理論模型

計(jì)算流體力學(xué)已廣泛應(yīng)用于流體、換熱等仿真計(jì)算中，采用有限元分析方法解決實(shí)際盾構(gòu)中存在的難點(diǎn)問題，能夠縮減開發(fā)周期，節(jié)省資源成本。CFD分析步驟包括：建立三維模型，離散化模型，加載邊界條件，求解數(shù)值模型，得到分析結(jié)果。N-S方程（Navier-Stokes）是描述流體問題的通用方程形式：

在N-S方程中，等式左邊包含的是密度和加速度，右邊包含了壓強(qiáng)變化、內(nèi)力變化，還有作用在流體上的外力變化。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

除流動(dòng)模擬外，還涉及到水與壁面的共軛傳熱，因此搭建對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型。

對(duì)流換熱強(qiáng)度由牛頓冷卻定律確定：

式中，qs為熱流密度；h為對(duì)流換熱系數(shù)；Ts為固體壁面溫度；Tref為運(yùn)動(dòng)流體的特征溫度。

傳統(tǒng)上，換熱系數(shù)來源于試驗(yàn)，然而邊界層理論的發(fā)展使得我們能夠通過分析的方法計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（standard wall function，SWF）方法計(jì)算熱流密度：

式中：ρf為流體密度；yc，Tc分別為近壁面層網(wǎng)格的距離、溫度；Cp，f為流體比熱容；uτ為基于壁面剪切力的摩擦速度；T+為無量綱溫度；y+為雷諾數(shù)。聯(lián)立式（6）（7）即可求得對(duì)流換熱系數(shù)。

2.2 共軛換熱計(jì)算

建立仿真用幾何模型，并將幾何模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，如油脂充注孔、螺栓孔、尖角等，幾何模型如圖7所示，模型中包含流固5種材料類型，聚氨酯密封、橡膠密封、金屬壁面、油脂及水。將聚氨酯密封發(fā)熱量作用于摩擦面，進(jìn)行流固共軛傳熱仿真分析［20］。

摩擦熱源位于唇口位置，溫度較高，加裝冷卻水套能顯著降低唇口溫度，傳統(tǒng)的冷卻水套如圖7所示。散熱量由兩部分構(gòu)成：（1）冷卻水強(qiáng)迫對(duì)流換熱，仿真結(jié)果顯示，冷卻水強(qiáng)迫對(duì)流換熱占比96.1%；（2）環(huán)境自然對(duì)流換熱，自然對(duì)流換熱占比3.9%，冷卻水經(jīng)過循環(huán)，水溫升高，進(jìn)、出水溫差導(dǎo)致對(duì)流換熱量的差異。出口水溫較高，因此其與唇口溫差較小，對(duì)流換熱量小于進(jìn)口處，最終導(dǎo)致出口處唇口溫度高于進(jìn)口處，如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)聚氨密封系統(tǒng)溫度場(chǎng)Fig.8 Temperature field of shield polyurethane sealing system

從圖中可以看出，出口端面高溫區(qū)范圍明顯較大，局部高溫區(qū)高于70 ℃，超出了聚氨酯材料耐溫區(qū)間，嚴(yán)重影響盾構(gòu)密封可靠性，為此根據(jù)仿真結(jié)果及理論研究開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.3 冷卻流量對(duì)散熱的影響

盾構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)速恒定，密封壓縮狀態(tài)不變，根據(jù)式（1）可知密封發(fā)熱量是一定值。穩(wěn)態(tài)情況下散熱量等于發(fā)熱量，即散熱量為51 035.8 W。利用仿真計(jì)算得出不同水流量對(duì)應(yīng)的唇口溫度，如圖9所示。

圖9 不同冷卻流量對(duì)應(yīng)的聚氨酯密封唇口溫度Fig.9 The temperature of polyurethane sealing lip corresponding to different cooling flow

由圖9可以看出，冷卻水流速越大對(duì)應(yīng)的唇口溫度越低，由公式（6）（7）可知對(duì)流換熱系數(shù)與流速相關(guān)，流速越高對(duì)流換熱系數(shù)越大［21］，因此對(duì)應(yīng)的唇口溫度越低；其次由于進(jìn)口水溫較低，因此對(duì)應(yīng)的進(jìn)口端唇口溫度也較低。實(shí)際中考慮到散熱器安裝空間及水泵等節(jié)能降耗，水流量并不能太大，在滿足冷卻需求的前提下優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效冷卻具有重要意義。

2.4 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律?=λAΔT，式中?為熱流量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A為導(dǎo)熱面積；ΔT為溫差［22］?？芍?，通過增大導(dǎo)熱面積A，可有效增加熱流量。再者，根據(jù)導(dǎo)熱熱阻概念即R=d/（Aλ），式中R為導(dǎo)熱熱阻；d為平板厚度；A，λ與上式相同。可知，通過減小平板厚度d，可使導(dǎo)熱熱阻減?。?2-24］。因此本文從減小導(dǎo)熱熱阻，增大換熱面積兩個(gè)方面開展冷卻系統(tǒng)優(yōu)化。

由于聚氨酯材料的局限性，盾構(gòu)聚氨酯密封系統(tǒng)需要加裝冷卻系統(tǒng)，其中常規(guī)水套結(jié)構(gòu)如圖10（a）所示，為達(dá)到高效換熱目的，現(xiàn)對(duì)冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖10（b）示出設(shè)計(jì)的異形水套結(jié)構(gòu)，其換熱面積增加了22%；減小水套與指形密封隔板厚度（由d減小為d/2），進(jìn)而降低導(dǎo)熱熱阻，如圖10（c）；在流量及入口水溫相同的情況下，異形水套對(duì)比常規(guī)水套換熱效果如圖11所示。

圖10 盾構(gòu)聚氨酯密封系統(tǒng)異形水套結(jié)構(gòu)Fig.10 Special-shaped water jacket structure of shield polyurethane sealing system

圖11 異形水套與常規(guī)水套換熱對(duì)比Fig.11 Comparison of heat exchange between specialshaped water jacket and conventional water jacket

由圖中可見，異形水套相對(duì)常規(guī)水套對(duì)流換熱系數(shù)整體分布更均勻且數(shù)值更高，這是因?yàn)槔鋮s水流動(dòng)更加紊亂，雷諾數(shù)有所增加，有利于提高對(duì)流換熱系數(shù)，異形水套換熱面積更大，因此其傳熱效率高，起到了強(qiáng)化傳熱的效果。

不同水套結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)對(duì)比如圖12所示。

圖12 不同水套結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)對(duì)比Fig.12 Comparison of temperature fields of different water jacket structures

由圖中看出，由于唇口摩擦生熱，高溫區(qū)主要集中在唇口位置，并由此向外擴(kuò)散。3種水套相比，常規(guī)水套高溫區(qū)最大，異形水套相對(duì)原水套高溫區(qū)減小，異形-低熱阻水套高溫區(qū)最小。原因?yàn)椋寒愋嗡自龃罅藫Q熱面積，因此傳熱效率提高；異形-低熱阻水套在增大換熱面積的同時(shí)降低了導(dǎo)熱熱阻，使傳熱效率進(jìn)一步提高。最終3種水套對(duì)應(yīng)的聚氨酯密封唇口溫度見表2，異形-低熱阻水套唇口溫度低于65 ℃，滿足聚氨酯密封不高于70 ℃的使用條件。

表2 不同水套結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的唇口溫度對(duì)比Tab.2 Comparison of lip temperature corresponding to different water jacket structures

3 結(jié)論

（1）大直徑盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)的可靠性問題日益突出，因此將目前常用的單唇密封改為四指型聚氨酯密封，其具有高彈性、高耐磨、高承壓的特性，可提高盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)可靠性。

（2）搭建聚氨酯密封摩擦熱計(jì)算模型，通過試驗(yàn)得到滑動(dòng)摩擦系數(shù)和聚氨酯密封應(yīng)力-應(yīng)變曲線，仿真計(jì)算得出法向力，最終得到盾構(gòu)工況下密封發(fā)熱量為51 035.8 W。

（3）由于盾構(gòu)用聚氨酯密封使用溫度不高于70 ℃，因此需要為聚氨酯密封系統(tǒng)匹配冷卻水套，研究發(fā)現(xiàn)冷卻效果與冷卻水流量、入口水溫、水套結(jié)構(gòu)等方面有關(guān)，并計(jì)算得出冷卻流量與唇口溫度的關(guān)系。

（4）針對(duì)常規(guī)水套結(jié)構(gòu)，通過強(qiáng)化傳熱理論分析，設(shè)計(jì)了兩種新型水套結(jié)構(gòu)，并對(duì)比分析了3種結(jié)構(gòu)的冷卻效果，其中異形-低熱阻水套結(jié)構(gòu)具有較好的冷卻效果，在同樣流量、水溫情況下，唇口溫度達(dá)到了要求，可滿足密封系統(tǒng)高效運(yùn)行。