旋轉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)

旋轉式唇形密封圈通常應用在火箭發動機渦輪泵中跟隨轉軸一起旋轉，在靜止或低轉速下起到阻止燃料泄漏的作用。而在高轉速下，唇口部分橡膠因離心力作用與軸呈現脫開趨勢，當升至某個轉速時，唇口的最大接觸壓力小于流體壓力[1]，開始與裝配軸脫開，實現無接觸運轉，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。當轉速逐漸降低，唇形圈能夠再次實現密封作用，該用法也屬于停車密封。可以看出，密封圈的脫開轉速是發動機渦輪泵端面密封結構設計的重要參數[2]。

唇形圈與液封輪配合使用的難點是難以根據工程應用精確控制唇口脫開轉速，當設計的脫開轉速過低，唇口過早打開，會造成介質提前泄漏；當設計的脫開轉速過高，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。因此準確了解旋轉式密封圈脫開轉速的變化規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，也不利于結構創新和改進[3]，因此有必要進一步研究探討旋轉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壓力對旋轉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]用正弦規律模擬唇口表面形貌，考慮空化效應研究了操作參數對密封圈性能的影響，結果表明流體動壓效應舉升了唇口。郭飛等人[8]基于流量因子統計學方法建立了旋轉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果，采用VB軟件開發了參數化軟件。宋正樸[10]基于往復式骨架油封動態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軸密封圈，即軸旋轉、密封圈固定，關于旋轉式密封圈的研究還比較少。

本文作者采用數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)與傳統密封圈開啟全過程中脫開前密封參數的變化趨勢及脫開轉速的影響因素及大小差別。

1 三種密封圈結構及受力分析

完整的密封圈結構主要由橡膠部分、環形彈簧、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；環形彈簧保證在靜止或低轉速下，密封圈唇口與靜止軸緊密連接。為研究唇口脫開轉速的變化規律，對傳統密封圈(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形結構與傳統結構的差別在于從結構上限制彈簧在高轉速下的位移，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形結構和S形結構

3種唇形圈結構的受力相近，以傳統結構為例，其結構及受力如圖1所示。下文以模型一、模型二、模型三命名傳統結構、G形與S形結構。

圖1 傳統結構受力(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；旋轉的彈簧也具有離心力，高轉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 數值分析

計算參數如表1所示。

表1 計算參數

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；I1和I2分別為第1和第2 Green應變不變量。兩參數的Mooney-Rivlin模型參數值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 唇形圈和環形彈簧的建模

前人關于唇形圈數值分析中，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，但不適用于旋轉式唇形圈。因簡化后彈簧的質量與實際質量不相同，則導致離心力不同,數值分析不能夠正確計算出彈簧的變形。文中提出參數化公式如公式(2)—(4)，按照實際圈數、線徑和中徑等參數建出600圈環形彈簧。因彈簧非軸對稱結構以及為減少計算量，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。

環形彈簧參數見表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。環形彈簧與唇形圈的接觸設置為摩擦接觸，根據橡膠材料與不銹鋼的動摩擦因數范圍，摩擦因數選擇0.5。給予唇形圈和彈簧旋轉速度。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壓力時，視計算轉速為脫開轉速。

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

在高轉速下，根據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、摩擦力隨轉速的變化趨勢

以入口壓力為0.1 MPa時為例，隨轉速的逐漸增加，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 接觸壓力隨轉速的變化

圖9 摩擦力隨轉速的變化

從圖8、9中可以看出，模型二和模型三的脫開轉速明顯比模型一低，在轉速超過6 000 r/min時，接觸壓力小于介質壓力,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，證明結構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，接觸寬度在脫開轉速的前2 000 r/min左右開始減小，在脫開轉速前500 r/min內驟然減少至0。結合圖8可知，唇形圈在脫開前的接觸壓力一直大于介質壓力，證明唇形圈的密封性能良好且隨轉速的增加逐漸失去唇形圈作用。結合圖9可知，從脫開前轉速2 000 r/min開始，摩擦力開始由增大趨勢變為減小,證明了接觸寬度的變化規律。圖11中，唇尖處的坐標設置為0，令靠近空氣側為負坐標，介質側為正坐標。從圖中可看出，3個模型的最大接觸壓力均位于空氣側，空氣側的接觸寬度與介質側的比例大約為2∶1。空氣側在距離唇口0.6 mm內壓力變化趨勢不大，均趨近于最高值。介質側接觸寬度較少且降低速度較快。這種現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，因此在空氣側的接觸寬度最大。

圖10 接觸寬度隨轉速的變化

圖11 接觸面上接觸應力變化趨勢

3.2 脫開轉速的影響因素分析

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個模型脫開轉速的影響趨勢，結果如圖12所示。可知，隨著彈簧力的逐漸增大，脫開轉速線性增加，彈簧力從4 N增加到8 N，3個模型的脫開轉速增長率分別為7%、9%、15%。模型二和模型三的脫開轉速明顯比模型一的低，證明了環形彈簧的離心力能夠有效降低脫開轉速。在工程應用中，可根據具體工況的使用要求，確定脫開轉速后，合理選用彈簧力的大小，對脫開轉速進行調整。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，在靜態或低轉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個模型的脫開轉速增長率分別為10%、15%、30%。 同理，環形彈簧對脫開轉速的影響較大，在相同工況下，新型結構的脫開轉速比傳統結構降低40%左右。過盈量的大小對脫開轉速的影響較小。在工程應用中，過盈量較大會導致安裝困難，唇口處結構變形較大，脫開轉速增大，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生。

圖13 過盈量與脫開轉速的關系

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個模型的脫開轉速增長率分別為181%、314%、382%，表明入口壓力對脫開轉速的影響非常大，在高壓下表現更為明顯。同時也證明了新型結構的有效性,在工程應用中，可通過使用這種新型結構來達到降低脫開轉速的目的。

圖14 壓力與脫開轉速的關系

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的唇形圈密度在1 300 ～2 100 kg/m3之間。文中分析了在此區間內密度對開啟轉速的影響規律。

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，則質量增大，會加速唇口脫開。通過這條規律也可以判斷,在相同條件下，唇口部分質量大的更容易脫開。在工程應用中，在只考慮脫開轉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速。

圖15 密度與脫開轉速的關系

4 試驗驗證

為對數值分析結果進行驗證，設計了一種可以檢測腔內壓力和電機電流的實驗裝置和系統，唇形圈唇口打開后，可觀察腔內壓力突降，電機電流突增。通過比對腔內壓力、電機電流與轉速對應時間下的數據可得出脫開轉速。實驗設計圖以及實際圖如圖16所示。因三種唇形圈的內徑、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 實驗裝置及結構

實驗研究不同入口壓力對脫開轉速的影響，并與數值分析的結果對比,如圖17所示。

實驗結果表明在脫開前，唇形圈的密封效果穩定，未檢測到泄漏現象發生，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。實驗得到的結果與軟件分析結果相近，如圖17所示，3個模型的平均誤差在5%左右，可以證明分析結果的正確性。

圖17 實驗結果與數值分析結果對比

5 結論

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

(2)入口壓力對脫開轉速影響極大，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量也能夠降低脫開轉速。