牽引繩用調控式高壓往復密封性能研究*

張馨宇 李雙喜 馬 也 李慶展 張楠楠

(北京化工大學機電工程學院流體密封技術研究中心 北京 100029)

往復密封是一種動密封技術，它對密封裝置元件的要求很高[4]，其密封性能與摩擦副之間的潤滑、摩擦、密封環結構及材料等因素相關[5]。往復運動時摩擦會影響密封環與往復軸的變形，也會改變密封接觸面間的壓力分布[6]。目前往復密封技術在液壓缸、高壓往復泵等領域的應用已十分成熟[7-10]。張付英等[4]對液壓往復密封的理論、技術與應用進展展開綜述討論。SALANT、YANG等[11-12]建立了液動往復密封的有限元模型，分析了多種結構的液動往復密封，研究了模擬Y形圈現實安裝過程的有限元建模方法。NIKAS與SAYLES[13-16]研究了往復密封中各種密封材料的應力、應變以及矩形密封結構受力時的應力變化情況和密封性能。隨著往復密封工況日益復雜，對應的密封措施也日益增多。德國WERNECKE[17]對U形圈工作時各種數據進行測量并得到一系列溫度、壓力、膜厚的變化規律。

傳統的剛性軸往復密封主要采用填料密封，而由于牽引繩受壓變形大，圓度、同軸度較差的特點，若采用填料密封不僅會增大系統摩擦功耗，而且會降低密封使用壽命。為此，本文作者自主設計一種調控式牽引繩往復密封裝置，并針對牽引繩往復密封性能展開研究，利用有限元分析與試驗結合的方法研究操作參數對密封性能的影響規律。

1 牽引繩往復密封結構及工作原理

自主設計的調控式牽引繩往復密封裝置為三級串聯協同工作，各級密封均包括密封環、密封腔體、支撐環及輔助密封圈等部件。單級密封結構簡圖如圖1所示。

圖1 牽引繩往復密封裝置

該密封工作原理如下：密封預裝后，輔助密封圈被壓縮建立初始靜密封條件；通過增壓口引入高壓調控液，在支撐環支撐作用下，密封環被迫發生徑向向內變形而與牽引繩緊密貼合，阻止被密封的高壓液體泄漏，實現動態密封，因此稱為調控式高壓往復密封。

該密封具有以下特點：采用外部引入的調控液體，操作簡單，易調控；檢漏口設置流量計，監測密封泄漏量反饋調節增壓口內的調控壓力，改善密封性能；密封采用三級串聯形式，逐級減壓，各級密封結構一致，互換性強。

2 有限元模型

2.1 幾何模型及網格劃分

參考相關標準及文獻確定材料模型相關參數[18-20]，利用ABAQUS軟件，采用表1給出的結構尺寸及表2給出的材料參數，建立密封環、牽引繩、輔助密封圈的二維軸對稱模型并進行裝配，完成網格劃分及無關性驗證如圖2所示。

表1 密封關鍵參數初始值

表2 模型中的材料參數

圖2 計算模型及網格劃分

2.2 分析步及載荷約束定義

分析模擬過程主要包括工件的預裝、調控壓力的加載、介質壓力的加載、軸的正向行程、軸的反向行程5個過程。其中正向行程為牽引繩向高壓側移動，位移設置L=-10 mm，時長設置1 s。反向行程為牽引繩向大氣側移動，位移設置L=5 mm，分析步時長設置1 s。將多個分析步的載荷和約束條件匯總于表3。

表3 不同分析步的載荷和約束定義

2.3 計算結果與分析

按照上文完成模型的條件約束及加載，初步設置調控壓力pc=8 MPa，介質壓力p=6 MPa，對模型進行求解，得到密封組件的應力及變形分布情況。

2.3.1 應力分析

計算得到的密封組件應力分布情況如圖3所示。往復運行的周期中，正反行程的最大von Mises應力出現的區域不同。分析是由于正行程時，密封環承受的摩擦力與介質壓力方向相反，故使得密封環最大von Mises應力出現在腔體與低壓區的貼合部位。反行程時密封環承受與介質壓力相同的摩擦力，使得密封環受力情況有所改善，最大von Mises應力出現在低壓區凸起區域的內側。這是因為，密封環同時承受介質壓力與調控壓力作用，介質壓力對密封具有開啟作用，靠低壓側承受的介質壓力和調控壓力的合力更大;密封環受力情況主要受調控壓力與介質壓力二者的綜合影響。

圖3 密封組件應力分布云圖

2.3.2 變形分析

在介質壓力與調控壓力的作用下密封組件發生內嵌，提取牽引繩與密封環接觸表面上的徑向變形，處理后的結果如圖4所示。施加調控壓力后牽引繩出現箍起與內嵌，施加介質壓力后高壓側內嵌消失，不再與牽引繩貼合。

圖4 牽引繩的徑向變形

往復運轉過程中，牽引繩發生一定的內嵌有利于提高密封性能，降低密封泄漏量；牽引繩過大的變形增大摩擦阻力，不僅會增加往復運動能耗還會影響密封組件的使用壽命。工程設計時應在保證密封效果的前提下盡量減小密封環的徑向變形以保證密封裝置的綜合性能。

3 密封性能影響分析

3.1 密封性能評價方法

泄漏率及摩擦力是判定往復密封密封性能的主要依據。過大的泄漏率會影響機械設備的正常使用，摩擦力則是影響往復密封功耗及壽命的關鍵參數，文中針對牽引繩往復密封裝置的泄漏率和摩擦力展開研究。

3.1.1 泄漏率

影響密封泄漏的因素很多，從操作參數來說，介質壓力、調控壓力是影響泄漏率的關鍵因素。從結構參數來說，密封環和牽引繩表面加工的精度也會引起泄漏。為了便于研究往復過程中的泄漏狀態，根據密封組件的結構特點，可以將密封環與牽引繩密封環隙間的流體運動狀態簡化為一維流動。正反雙行程的膜壓分布曲線如圖5所示。

圖5 往復密封內外行程膜壓分布

為方便計算泄漏率，文中規定正行程符號為i，反行程符號為o。假設牽引繩的運行速度為u，流體黏度為η，高壓區流體壓力為p，環隙流體膜厚為h(x)，膜壓p=p(x)。設定環隙膜壓最大處的流體膜厚為h*，動摩擦因數為μ。根據一維雷諾方程，反行程時

(1)

假設流體膜壓與接觸比壓分布情況相同，微分可得

(2)

又知斜率最大點A處d2p/dx2=0，代入上式有

(3)

令反行程最大膜壓梯度ωA=(dp/dx)A，則可得hA表達式

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

那么由質量守恒定律，可得到空氣側的膜厚為最大膜壓處的1/2，即

(6)

同理正行程時

(7)

那么可得正、反向行程的泄漏率Vi及Vo計算式如式(8)和式(9)所示。

(8)

(9)

故牽引繩一個完整行程的凈泄漏率V計算式為

(10)

調控式牽引繩高壓往復密封的泄漏率的計算過程為：經有限元分析模擬后，提取密封環與牽引繩接觸面上的流體膜壓曲線；將提取出的膜壓分布曲線導入MATLAB求解得到膜壓最大點位置以及對應的流體膜厚，代入式(10)即可得到牽引繩往復密封的泄漏率。

3.1.2 摩擦力

往復密封中摩擦力是影響密封使用壽命的關鍵參數，是考察密封性能的重要指標。根據經驗公式，摩擦力大小與摩擦副接觸面所受正壓力和摩擦因數相關，在文中正壓力與密封環的流體膜壓及接觸面積有關。摩擦力計算公式如式(11)所示。

(11)

式中：f為摩擦力，N；μ為動摩擦因數；p(x)為沿接觸面的流體膜壓分布，MPa；d為牽引繩直徑，mm。

3.2 調控壓力對密封性能的影響

令介質壓力p=6 MPa，改變調控壓力pc的大小，進行模擬分析。分析計算得到的正反運行過程中不同調控壓力與接觸應力(即流體膜壓)關系曲線如圖6所示。

圖6 不同調控壓力下的流體膜壓分布

牽引繩與密封環之間的密封是通過施加調控壓力后，沿接觸面的接觸應力大于介質壓力實現的，圖6所示的正反2個行程中，密封環中部凸起位置的接觸應力均大于介質壓力，能夠實現良好的密封效果，顯著地減小密封泄漏。

將上述正反行程流體膜壓分別代入公式求解后得到密封泄漏率及摩擦力隨調控壓力變化曲線，如圖7所示。可知，隨著調控壓力增長，密封泄漏率先迅速下降，而后緩慢下降并逐漸趨于穩定;當調控壓力大于介質壓力的1.3倍時(即7.8 MPa)，密封泄漏率泄漏率小于0.5 mL/s，并且不再發生變化。密封摩擦阻力隨著調控壓力變化呈現先緩后急的增長趨勢，這是因為過大的調控壓力增加了牽引繩與密封環接觸面上的正壓力。增大調控壓力可以顯著地降低密封泄漏率，但同時增大密封摩擦阻力，影響牽引繩實際使用效果，降低使用壽命。在實際工程應用中，要綜合考慮介質壓力對密封性能的影響規律，維持調控壓力比介質壓力高0.2～0.5 MPa時能夠保證密封效果最好。

圖7 不同調控壓力下的泄漏率與摩擦力

3.3 介質壓力對密封性能的影響

令調控壓力pc=8 MPa，改變介質壓力p的大小，進行模擬分析,得到不同介質壓力下正反行程下流體膜壓分布如圖8所示。介質壓力小于等于調控壓力時，密封環中部凸起位置的接觸應力均大于介質壓力，可以實現密封;當介質壓力大于調控壓力時，密封環只有部分區域的接觸應力大于介質壓力，密封可能發生泄漏。

圖8 不同介質壓力下的流體膜壓分布

將上述正反行程流體膜壓分別代入公式求解后得到密封泄漏率及摩擦力隨介質壓力變化曲線,如圖9所示。可知，介質壓力小于等于調控壓力時，泄漏率受調控壓力影響較為敏感，密封泄漏率低于2 mL/s，能夠保證良好的密封效果；而當介質壓力大于調控壓力時密封泄漏率直線上升，工程應用中需盡量保證調控壓力大于介質壓力。隨著介質壓力增大密封摩擦阻力線性減小，這是因為介質壓力對密封環具有開啟作用，增高介質壓力能夠降低流體膜壓，減小接觸面正壓力進而減小摩擦阻力。

圖9 不同介質壓力下的泄漏率與摩擦力

4 試驗驗證

為對上文的分析結果進行驗證，設計搭建了如圖10所示的試驗方案。由于密封主試驗裝置設計時具有兩側對稱結構，在主試驗裝置兩側分別只安裝一級密封組件，記錄不同調控壓力和介質壓力下的泄漏率。牽引繩單向運動時所測量的泄漏率即為完成一個往復軸周期的泄漏率。采用彈簧拉力計水平拖拽牽引繩，測量得到的密封摩擦阻力為實際阻力的2倍。牽引繩往復密封性能試驗流程如下：將動力裝置、試驗主體裝置及彈簧拉力計密封裝置等通過牽引繩依次連接后，啟動試驗裝置；通過輔助系統調節調控壓力與介質壓力，并在檢漏口收集單位時間內被密封介質的泄漏量；記錄調子吊秤全程示數變化，摩擦數據平穩時認為是動摩擦阻力。

圖10 往復密封試驗臺

試驗得到的不同介質壓力和調控壓力下密封泄漏率與摩擦力與有限元模擬對比如圖11所示。不同調控壓力與介質壓力下，牽引繩往復密封的泄漏率與摩擦力的試驗值走勢均與有限元模擬分析相同。由于試驗過程存在不可控誤差，故模擬值與試驗值大小存在一定差異性，但在可接受范圍內，故可認為所進行的有限元分析結果是可靠的。

圖11 有限元分析結果與試驗結果對比

5 結論

(1)針對實際工況條件，提出了一種新型調控式往復密封結構，采用合理的調控壓力與密封結構設計可以實現較好的接觸應力分布，顯著地減少密封泄漏。

(2)有限元模擬結果表明：調控壓力接近介質壓力時密封泄漏趨于平穩，泄漏率小于1 mL/s，當調控壓力大于介質壓力的1.3倍時，密封泄漏率接近于0；密封摩擦阻力隨著調控壓力變化呈現先緩后急的增長趨勢，較大的調控壓力增加密封功耗；介質壓力對密封環具有開啟作用，增高介質壓力能夠降低流體膜壓并減小摩擦阻力。工程應用中，維持調控壓力比介質壓力高0.2～0.5 MPa時密封效果最好。

(3)試驗得到的密封性能隨調控壓力和介質壓力的變化規律，與有限元模擬結果較為吻合，驗證了有限元計算的正確性和牽引繩用高壓往復密封設計方案的可行性。有限元分析及試驗研究結果對牽引繩用高壓往復密封的工程設計與正確使用具有重要指導意義。