釜用唇形密封圈密封性能與開啟特性研究

古彥飛 李雙喜 黃柏淇 閆欣欣

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403013

摘 要 通過建立唇形密封圈數(shù)值分析模型，探究開啟式唇形密封靜態(tài)密封性能和動態(tài)開啟特性，并通過試驗進行驗證。結(jié)果表明：介質(zhì)壓力對反向開啟壓力的影響最明顯，介質(zhì)壓力每升高0.01 MPa，反向開啟壓力隨之升高0.01 MPa;結(jié)構(gòu)參數(shù)對反向開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)接觸時的密封性能。通過試驗?zāi)M密封實際工況，準確測量出唇口反向開啟壓力，試驗值與計算值平均誤差約為10%。

關(guān)鍵詞 唇形密封圈 接觸壓力 反向開啟壓力 密封性能

中圖分類號 TQ055.8+9?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 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）

作者簡介：古彥飛（1993-），碩士研究生，從事流體潤滑與密封技術(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啟特性研究[J].化工機械，2024，51（3）：414-422;432.

動密封技術(shù)是攪拌釜的關(guān)鍵技術(shù)之一，對設(shè)備整體的運行具有重要的影響。隨著密封技術(shù)的不斷發(fā)展，科研人員開發(fā)出了各類密封技術(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，按密封種類分，使用較廣泛的有盤根密封、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)簡單、安裝方便，又有良好的經(jīng)濟性，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滑膜，以及高速下的泵送效應(yīng)，來阻止介質(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，其密封性能會隨著唇口的磨損而下降。隨著化工領(lǐng)域?qū)ξ廴締栴}的重視，傳統(tǒng)唇形密封已經(jīng)不能滿足需求，各大研究機構(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)運而生?？諝馄胶庑痛叫蚊芊庋b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算模型，通過圓管等效替代環(huán)形彈簧，試驗驗證了計算的正確性，并實現(xiàn)了數(shù)值的估算，同時還發(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稱分析模型，分析了彈簧徑向力、安裝過盈量及橡膠彈性模量等參數(shù)對唇口靜態(tài)接觸力的影響，結(jié)果表明，隨著彈簧力、過盈量和彈性模量的增大，唇口的接觸應(yīng)力也會增大[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稱分析模型，模擬實際環(huán)境，結(jié)果表明，隨著安裝過盈量和介質(zhì)壓力的增加，接觸寬度和接觸壓力都會增大，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，并對雙唇密封的副唇結(jié)構(gòu)進行優(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滑模擬測量了抱軸力、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接觸式唇形密封圈，并且對于唇形密封圈的密封機理也有了相當程度的認識，但對于密封裝置中氣腔加壓后，唇形密封圈開啟性能的研究比較少。

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

1 開啟式唇形密封結(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)，作為被動密封介質(zhì)的壓力源，而其相對應(yīng)側(cè)為反壓側(cè)，作為主動供給開啟的壓力源。

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，進一步阻止介質(zhì)外泄，同時使得外側(cè)密封圈唇口吹起，實現(xiàn)非接觸密封。攪拌釜不工作，即旋轉(zhuǎn)軸在靜止狀態(tài)時要求唇形圈能夠自主實現(xiàn)靜密封，阻止介質(zhì)的泄漏，如圖2a所示。當攪拌釜在運行過程中，旋轉(zhuǎn)軸處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)時反壓空氣介入，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)所帶來的壓力變化，同時反壓氣體吹起唇尖，實現(xiàn)開啟式非接觸密封，其狀態(tài)如圖2b所示。

2 開啟式唇形密封性能數(shù)值分析

2.1 開啟式唇形密封結(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，在不影響計算結(jié)果的前提下對唇形圈進行簡化?？紤]到唇形圈旋轉(zhuǎn)部位的可移動性要遠遠大于接觸部位的可移動性，可以認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，兩模型初始無接觸，沒有過盈量，以施加軸向相對位移來模擬實際裝配過程。

2.3 彈簧模型

緊箍彈簧是一種傳統(tǒng)的盤繞式線性彈簧，其兩端通過鎖定機構(gòu)（通常是螺紋銷）連接在一起，這就形成了一個環(huán)形的彈簧（圖5）。一般來說，旋轉(zhuǎn)式唇形密封件包含一個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額外的徑向負荷。雖然密封圈的彈性材料會隨著時間的推移而放松，但緊箍彈簧的負載卻不會。在運行過程中，液膜厚度的變化不會超過幾微米，緊箍彈簧的伸長率也不會超過幾微米。這意味著緊箍彈簧在徑向上提供的載荷幾乎是恒定的，由于這個原因，緊箍彈簧有時被稱為恒定載荷彈簧。通過將彈簧力分解到徑向來推導(dǎo)出對唇體施加的徑向載荷。

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

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——彈簧伸長后圓周方向負載;

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。當反向空氣壓力p大于介質(zhì)壓力p時，唇口維持一定的開啟高度，向介質(zhì)中不間斷的通入無害氣體。

考慮到唇形密封圈的實際安裝過程，一般是通過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)軸是相對移動的，可以通過一固定一位移實現(xiàn)安裝過程的模擬。對密封圈的外環(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，對唇形圈內(nèi)側(cè)施加介質(zhì)壓強，對唇形圈外側(cè)施加空氣壓強，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。在幾何建模時已經(jīng)預(yù)留了唇口與旋轉(zhuǎn)軸的初始過盈量λ，在模擬唇形密封圈的實際安裝過程只需要把旋轉(zhuǎn)軸施加一個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，以模擬更真實的接觸狀態(tài)?？疾齑叫蚊芊馊υ诜治瞿Ｐ椭械撵o態(tài)密封性能和動態(tài)開啟性能，其靜態(tài)和開啟應(yīng)力云圖如圖7所示。

3 唇形密封圈開啟特性分析

旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的開啟過程是一個從接觸密封到非接觸密封的過程。在整個密封過程中要求唇形密封圈不僅在開啟前能夠阻止介質(zhì)的泄漏，也要求在開啟后通過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、摩擦扭矩及反向開啟壓力等參數(shù)結(jié)果來反映和表征唇形密封性能的優(yōu)劣。

數(shù)值計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 唇口過盈量

分析唇口單邊過盈量λ在0.2～1.2 mm范圍內(nèi)變化時，對唇形密封圈密封與開啟性能的影響趨勢（圖8～11）。由圖可知，當過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，這種增加不會帶來明顯的接觸壓力的改變，對密封效果的提升沒有明顯的作用，唇口過盈量越大，唇口的接觸寬度越大，反向壓力較小時，唇口過盈量越大的接觸寬度下降速度越快，存在唇口快速扶正過程。改變唇口過盈量對反向開啟壓力的改變作用不明顯，在工程實踐中，選擇合適的唇口過盈量有助于提高密封圈的長期服役壽命。

3.2 彈簧徑向力

分析彈簧徑向力在50～70 N之間變化時，對唇形密封圈密封與開啟性能的影響趨勢（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，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，彈簧徑向力越大，對應(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啟。隨著彈簧徑向力的增大，反向開啟壓也在增加，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)，對唇形密封圈密封與開啟性能的影響趨勢（圖16～19），每5HA設(shè)為一個硬度梯度。通過經(jīng)驗計算公式[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)進行分析求解。由圖可知，硬度對唇口接觸區(qū)域的最大接觸壓力影響較大，硬度65HA時的唇口最大接觸壓力為2.92 MPa，硬度85HA時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%。從圖中的變化趨勢可以看出，唇口最大接觸壓力隨反向開啟壓力的增大而減小，在反向開啟壓力小時，最大接觸壓力的下降速度較緩和，硬度越低，這種緩和趨勢越明顯。接觸寬度隨硬度的增加而快速下降，對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的唇封腰部形變，唇口開啟壓力增大。橡膠硬度越大，摩擦扭矩隨反向壓力的減小速率越快。在工程實際應(yīng)用中，可通過適當控制橡膠材料的硬度，增加唇口接觸壓力，來實現(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時的唇形密封圈密封與開啟性能的變化趨勢（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，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)壓力時的初始最大接觸壓力為2.03 MPa，0.09 MPa介質(zhì)壓力時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)壓力對接觸壓力的增大影響更為明顯。在開啟壓力較小時，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)出類指數(shù)增加。唇形密封圈反向開啟壓力與介質(zhì)壓力呈近似線性相關(guān)的關(guān)系，表明環(huán)境介質(zhì)壓力對反向開啟壓力影響較大，可以從實際仿真計算的數(shù)據(jù)得出，開啟壓力總高于介質(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)的對比可以看出，介質(zhì)壓力對摩擦扭矩的影響遠超過唇型密封圈的各結(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 試驗驗證

為了進一步確定唇口的開啟壓力，筆者通過試驗的方法對數(shù)值分析結(jié)果進行驗證。根據(jù)試驗條件和要求，設(shè)計并搭建了大軸徑唇形密封圈密封性能試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)包括密封試驗裝置、密封試驗輔助系統(tǒng)、密封試驗臺、實時狀態(tài)檢測系統(tǒng)4個部分，如圖24所示?？紤]到唇口開啟過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程，摩擦扭矩會出現(xiàn)明顯的下降，通過監(jiān)測穩(wěn)定狀態(tài)下的摩擦扭矩變化，可以得到相應(yīng)的開啟壓力。

在動態(tài)開啟試驗中，首先啟動電機，待整機運轉(zhuǎn)摩擦扭矩穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)空氣控制單元內(nèi)調(diào)壓閥的開度慢慢增加反向氣體的輸出壓力，同時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啟的過程，之后維持在一個低摩擦扭矩狀態(tài)，此時唇口完全開啟，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，摩擦扭矩開始明顯上升，唇口處在逐漸關(guān)閉的過程，最后摩擦扭矩再次趨于穩(wěn)定，唇形密封圈也恢復(fù)到了初始時完全閉合的狀態(tài)。

摩擦扭矩在兩道唇形密封圈開啟后下降了約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，試驗值與計算值相差10%，考慮到具體試驗的誤差，能夠很好地驗證數(shù)值計算的準確性。

動態(tài)開啟試驗測量3組相同型號的唇形密封圈，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啟壓力。具體的測量結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對比如圖26所示。

試驗結(jié)果表明，試驗測量值與數(shù)值分析值的變化趨勢一致，數(shù)值大小也接近。介質(zhì)壓力為0.01 MPa時，試驗值為0.019 5 MPa，計算值為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試驗值與計算值相差較小，而且隨著介質(zhì)壓力的增大，受到的環(huán)境影響減小，其差值越來越小，能夠有效驗證數(shù)值計算結(jié)果的準確性。

5 結(jié)論

5.1 基于丁腈橡膠材料的Mooney?Rivlin本構(gòu)模型，彈簧徑向力的簡易彈簧模型，建立開啟式唇形密封圈的數(shù)值分析模型?？紤]反向氣體介質(zhì)對唇形密封圈的開啟作用，得到了唇口接觸區(qū)域密封性能和開啟特性的表征參數(shù)，為開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盈量、彈簧徑向力、橡膠硬度及介質(zhì)壓力等參數(shù)對能夠表征密封和開啟特性的接觸壓力、接觸寬度、摩擦扭矩及開啟壓力等參數(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)壓力對唇口密封性能與開啟特性的影響最大。

5.3 搭建了大軸徑開啟式唇形密封試驗臺，進行唇形密封圈的動態(tài)開啟特性試驗，試驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果具有良好的一致性。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-05-18，修回日期：2024-05-14）