高水壓環(huán)境下盾構(gòu)主軸承唇形密封圈密封性能分析

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(盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州　450001)

引言

瓊州海峽跨海隧道工程具有高水壓、長距離的特點，若采用盾構(gòu)法施工，則對盾構(gòu)機的防水密封性能提出了更高要求，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是保證盾構(gòu)機主軸承的密封性能，一旦主軸承密封失效，就會造成盾構(gòu)機停機，由于盾構(gòu)機主軸承洞內(nèi)修復十分困難，出現(xiàn)上述情況后，將會增加盾構(gòu)施工風險和施工成本。而目前國內(nèi)關(guān)于高水壓下盾構(gòu)主軸承密封性能分析方面的研究并不多，文獻[1]研究了在彈簧圈預(yù)緊、過盈配合及不同介質(zhì)壓力下旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的密封性能；文獻[2]和文獻[3]分別研究了唇形密封圈和Y形密封圈在不同工作壓力下的變形及受力分布情況； 文獻[4]研究的是不同壓力下初始過盈量與唇形密封圈潤滑性能的關(guān)系；文獻[5]研究了Yx形密封圈和O形密封圈在應(yīng)力場、 溫度場和熱應(yīng)力耦合場作用下的受力情況和密封性能，探討了發(fā)熱對密封圈密封性能的影響；文獻[6]和文獻[7]分別研究的是O形密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同壓縮率、不同油壓狀態(tài)對其密封性能的影響。

上述研究從不同角度對不同類型的密封圈進行分析研究，但對于盾構(gòu)機所用的唇形密封圈的密封性能研究還存在不足，高水壓環(huán)境下唇形密封圈的密封性能變化規(guī)律研究比較缺乏。本研究以某型盾構(gòu)機所用唇形密封圈為研究對象，分析唇形密封圈在高水壓條件下的受力狀態(tài)和密封性能變化規(guī)律，研究不同的唇形密封圈保持架結(jié)構(gòu)對其密封性能的影響，在此基礎(chǔ)上總結(jié)適用于高水壓條件下盾構(gòu)主軸承密封圈設(shè)計要點，為適用于大埋深跨江越海隧道的盾構(gòu)設(shè)計選型提供參考。

1　盾構(gòu)主軸承密封系統(tǒng)簡介

圖1所示的是一種盾構(gòu)機主軸承外密封結(jié)構(gòu)簡圖，整個大的密封腔室由刀盤法蘭、主軸承外圈、主軸承內(nèi)圈、主軸承密封壓環(huán)和密封襯套組成，該密封腔室為開放式、刀盤法蘭和主軸承密封壓環(huán)之間預(yù)留一些凹槽，裝配后形成迷宮密封。

①～⑥.第一至第六密封腔室　1～5.第一至第五唇形密封圈6～11.第一至第六密封圈保持架　12.刀盤法蘭　13.主軸承外圈14.主軸承內(nèi)圈　15.主軸承密封壓環(huán)　16.密封襯套圖1　盾構(gòu)主軸承密封結(jié)構(gòu)簡圖

五道唇形密封圈和六個密封圈保持架將整個大的密封腔室分隔成六個相對獨立的小密封腔室，其中第一密封腔室與迷宮密封結(jié)構(gòu)相通，需要承受土艙或泥水艙的壓力。該密封腔注入高黏度特種壓力油脂，如HBW油脂，在壓力作用下，HBW油脂不斷沿迷宮密封縫隙溢出，將渣土和泥水阻擋在外面，另一方面迷宮密封自身的結(jié)構(gòu)特點也能阻擋大顆粒的渣土進入第一密封腔。第二、三、四密封腔注入中等黏度的油脂，如EP2油脂。第五密封腔室作為泄漏測試腔，用以測試主軸承的密封性能；第六密封腔室注入齒輪油進行沖洗潤滑，同時將主軸承滾柱所在的腔室與外密封腔隔開，保證滾柱腔體密封潤滑可靠。

假設(shè)外界土艙或者泥水艙壓力為p0，第一至第六密封腔的壓力分別為p1，p2，p3，p4，p5，p6，它們之間的關(guān)系一般為：p0p2>p3>p4=p5=p6，每個密封腔室的壓力是可量測的[9]。

另一種盾構(gòu)機主軸承密封結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。圖1和圖2中兩種主軸承密封結(jié)構(gòu)相似，都采用了5道唇形密封圈，形成了6個相對獨立的密封腔室，但二者都有自己的特點：圖1中密封結(jié)構(gòu)中密封襯套不可調(diào)，密封圈唇口與其接觸區(qū)固定，圖2中的密封襯套是可調(diào)的，當其表面有一定的磨損后，可調(diào)節(jié)密封襯套的位置，使其與密封圈重新保持良好的接觸；圖1中唇形密封圈保持架有楔形突起，該突起位于前一道密封圈的低壓區(qū)，圖2中的密封圈保持架無楔形突起。兩種密封結(jié)構(gòu)中，第一道唇形密封圈承受的壓力是最大的，文章主要研究第一道唇形密封圈的受力情況。

圖2　帶可調(diào)密封襯套的盾構(gòu)主軸承密封結(jié)構(gòu)圖

2　唇形密封圈材質(zhì)及分析模型

根據(jù)《HG/T 2811-1996旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈橡膠材料》可知，唇形密封圈一般采用以丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠和氟橡膠為基的橡膠材料，其材料特性如表1所示。

橡膠材料通常被認為是各向同性且不可壓縮的超彈材料，超彈材料應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性關(guān)系主要通過應(yīng)變能函數(shù)來定義。本研究采用在實際工程應(yīng)用中常用的Mooney-Rivlin二參數(shù)本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度函數(shù)的表達式為[10]:

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W—— 應(yīng)變勢能

I1、I2—— 變形張量

C10、C01—— Mooney-Rivlin常數(shù)

表1　唇形密封圈材料參數(shù)

橡膠材料的彈性模量E與邵爾A(式中用SA表示)、Mooney-Rivlin常數(shù)C10、C01有以下關(guān)系[10]：

(2)

選擇硬度為85度的橡膠，取C01=0.25、C10，得C10=1.7644，C01=0.4411。

3　唇形密封圈受力分析

瓊州海峽跨海隧道工程預(yù)計需要承受的最大水壓為1.7 MPa，由盾構(gòu)主軸承密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，第一道唇形密封圈承受的壓力最大，需要能夠抵抗1.7 MPa的最大水壓，取安全系數(shù)為1.2，則需要抵抗的設(shè)計水壓為2.04 MPa，根據(jù)密封作用的原理，當密封接觸面的最大接觸壓力大于設(shè)計壓力時，即可起到密封作用。分析第一道唇形密封圈的受力情況，分別建立的分析模型如圖3所示。

圖3　唇形密封圈分析模型

當?shù)谝幻芊馇缓偷诙芊馇恢g壓力差較大時，密封唇將會產(chǎn)生變形，同時在接觸面上將產(chǎn)生一定的接觸壓力，當二者的壓力差為0.6 MPa時，唇形密封圈的受力情況如圖4～7所示。

對比圖4和圖6中兩種結(jié)構(gòu)密封圈的變形可以看出，其密封唇變形的趨勢和變化量是不同的。保持架帶楔形突起的密封圈的密封唇呈現(xiàn)“逆時針”的變形趨勢，變形量為1.53 mm；保持架無楔形突起的密封圈的密封唇呈現(xiàn)“順時針”的變化趨勢，變形量為6.27 mm。

圖4　保持架帶楔形突起的密封圈受力情況

圖5　保持架帶楔形突起的密封圈接觸情況

圖6　保持架無楔形突起的密封圈受力情況

圖7　保持架無楔形突起的密封圈接觸情況

從圖5和圖7的接觸應(yīng)力分布情況來看，高壓差情況下，兩種密封結(jié)構(gòu)的密封圈唇口的接觸應(yīng)力分布都呈現(xiàn)“山峰”狀，但是保持架帶楔形突起的密封圈呈現(xiàn)的“山峰”更加陡峭，峰值大，接觸應(yīng)力分布更加集中，而保持架無楔形突起的密封圈唇口呈現(xiàn)的“山峰”較為平緩，峰值小，分布區(qū)域較大。而取得最佳密封效果的理想情況是：盡量采用最小徑向力得到最尖銳“峰值”壓力分布[11]，而且在產(chǎn)生較好密封效果的同時，保持架帶楔形突起的密封圈與密封襯套接觸面積較小，減緩了密封圈磨損，延長了使用壽命。因此，在高壓差情況下，保持架帶楔形突起的密封結(jié)構(gòu)密封性能優(yōu)于保持架無楔形突起的密封結(jié)構(gòu)。

4　唇形密封圈密封性能變化規(guī)律分析

分別分析當唇形密封圈兩側(cè)的壓力差為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa下兩種不同結(jié)構(gòu)的密封圈受力和接觸情況，如表2所示。

得到關(guān)于壓力差與密封圈受力及接觸情況的曲線分別如圖8、圖9和圖10所示。從圖中可以看出，在總變化趨勢上，隨著唇形密封圈兩側(cè)的壓力差逐漸增大，兩種結(jié)構(gòu)的密封圈變形、等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力都呈現(xiàn)增大趨勢，但各自具有不同的變化特點。

從圖8和圖9中可以看出，盡管隨著壓力差的增加，兩種結(jié)構(gòu)的唇形密封圈的變形有所增大，但增幅是不同的。壓力差增大6倍時，對于保持架帶楔形突起的密封圈，其變形量從0.76 mm增加到1.53 mm， 增大了約2倍， 等效應(yīng)力從1.78 MPa增加到2.81 MPa，增大了約1.58倍；而對于保持架無楔形突起的密封圈，其變形量從0.76 mm增加到 6.27 mm，增大了約8.25倍，等效應(yīng)力從1.16 MPa增加到6.75 MPa，增大了約5.82倍。這說明保持架上的楔形突起存在與否影響著唇形密封圈的結(jié)構(gòu)受力情況， 楔形突起的存在改善了密封圈的受力結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其不隨著外界壓力差的變化而劇烈變化，避免了密封圈在高壓差下產(chǎn)生大的變形量和等效應(yīng)力，延緩了其老化的速度，提高了使用壽命。

圖8　壓力差與密封圈變形的關(guān)系曲線

圖9　壓力差與密封圈等效應(yīng)力的關(guān)系曲線

從圖10中可以看出，隨著壓力差的增大，兩種結(jié)構(gòu)的唇形密封圈的接觸應(yīng)力呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其增幅也是不同的。壓力差增大6倍時，對于保持架帶楔形突起的密封圈，其接觸應(yīng)力從1.99 MPa增加到3.11 MPa，增大了1.56倍；而對于保持架無楔形突起的密封圈，其接觸應(yīng)力先增后減， 最終從1.97 MPa增加到2.61 MPa，增大了1.32倍。在整個變化過程中，當壓力差小于0.45 MPa時，保持架無楔形突起的密封圈的接觸應(yīng)力大于保持架帶楔形突起的密封圈，當壓力差大于0.45 MPa時，則剛好相反。這說明楔形突起的存在與否影響著唇形密封圈的接觸應(yīng)力或密封性能，楔形突起的存在提高了唇形密封圈密封性能的穩(wěn)定性，避免其隨著外界壓力差的變化而劇烈變化；提高了唇形密封圈在高壓差下的密封性能。

表2　不同壓力差下的兩種結(jié)構(gòu)的密封圈受力和接觸情況

圖10　壓力差與密封圈接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線

5　結(jié)論

分析了唇形密封圈在高水壓條件下的受力狀態(tài)和密封性能變化規(guī)律，研究了不同的唇形密封圈保持架結(jié)構(gòu)對其密封性能的影響，最終發(fā)現(xiàn)唇形密封圈保持架上的楔形突起對密封圈受力情況及密封性能具有較大影響：

1) 楔形突起改善了密封圈的力學結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和密封性能的穩(wěn)定性，使其不隨著外界壓力差的變化而劇烈變化；

2) 楔形突起使密封圈在保證良好密封性能的前提下，產(chǎn)生較小的變形和等效應(yīng)力，減小了密封圈唇口與密封襯套之間的接觸面積， 有利于延緩密封圈的老化，降低密封圈的磨損，延長使用壽命；

瓊州海峽跨海隧道工程具有高水壓、長距離的特點， 對盾構(gòu)機主軸承密封圈的密封性能和使用壽命提出了較高的要求，在盾構(gòu)設(shè)計選型時，可考慮采用保持架帶楔形突起的密封圈作為主軸承密封。

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