軸類密封技術研究現狀

繆樹峰 ， 王清發 ， 郭千里 ， 王煥澄 ， 方 兵 ， 葉大鵬

（福建農林大學，福建 福州 350000）

在現代工業加工生產活動中，立磨因節能高效等優勢已被廣泛使用。在立磨設備中，磨輥軸的軸承性能與結構的優劣決定了設備的工作效果[1]。而軸承結構的密封效果則直接影響軸承的使用壽命和運轉效率。由于立磨在工作過程中往往會產生大量的粉塵，并且工作環境相對密封，這樣密閉重塵的工作環境對軸承的密封性能產生了較高的要求，如果立磨磨輥部件的密封性能較差，將使外界環境中的粉塵等進入磨輥軸軸承的內部，使得潤滑油遭受污染，輪轂軸承工作表面腐蝕，并且可能使得磨輥軸間隙溝道與滾動體之間產生磨損[2]。這種磨損一旦發生不僅影響立磨設備的工作效率與工作平穩性，也會大大縮短輪轂軸承的使用壽命，甚至有時會致使設備卡死制動造成慘重生產事故，因此，對軸承抗塵密封能力的研究對磨料等行業的發展具有重要的意義。為此，相關人員進行了相關的研究，例如，大峘集團有限公司通過在原有一般的立磨磨輥軸防塵措施的條件下，通過在原有結構上添加磨輥保護罩，該保護罩實現了密封間隙的外移，使得原本高粉塵環境下的密封間隙轉移至粉塵濃度較低的空間，令油封和立磨內部環境分離，減少了粉塵與關鍵部件接觸的機會，極大地提高了密封效果[3-4]。但是該結構體積較大，并不適用于所有立磨設備。為了探究更加經濟實用、應用范圍更大、效果更好的改進方式，現對磨輥軸軸承密封的研究現狀進行調研和分析[5]。

1 密封圈密封

從傳統機械設計的密封件使用中來看，密封圈材料一般分為金屬材料和彈性材料[6]。一方面，彈性材料通常為橡膠[7]，由于橡膠材料的生產成本低廉且具有一定彈性，因此，被廣泛運用在機械設備軸類機構的密封設計中。另一方面，金屬材料的密封件對高溫環境的適應能力有著彈性材料無法取代的地位。金屬材料密封件的缺陷也顯而易見，金屬材料不具有彈性，與相關零件之間的接觸絕大多數為剛性接觸，因此在長時間的工作下，金屬零件往往容易出現疲勞破壞引發的磨損、變形和斷裂等情況[8]。隨之而來的是密封效果的大幅度下降，直至無法滿足生產需求，必須更換新的密封件，而在某些機械結構，如立磨中密封件的更換需要拆換大量大質量零件，造成較高的維護成本[9]。彈性材料的磨損速度雖然遠低于金屬材料，但是磨損也是大多數情況下導致彈性材料密封件失效的原因[10]。根據這種情況，研究者對密封件的優化進行了相關研究[11-16]。

在機械設計中，彈性密封圈是軸類結構常見的密封結構，彈性密封圈對軸類結構的密封有著至關重要的作用[17-20]。

1.1 彈性密封圈力學分析

為對密封圈的工作效果進行優化，相關研究者對彈性密封圈的力學性質開展了相關的研究工作。

2021年Grün J等對徑向唇形密封件磨損進行了研究，通過對唇形密封件進行三維建模，對該模型進行仿真分析，觀察該模型在仿真中的宏觀變形和軸表面接觸區域的應力關系[21]。結果顯示，唇形密封件的里外兩側均存在著應力，且流體側的接觸角明顯高于空氣側，朝向流體側出現接觸壓力剖面的最大值，通過流體動力學研究唇形密封件的全面失效邊界條件。

浙江工業大學劉旭星通過對輪轂軸承密封圈的有限元分析，對唇形密封圈的初始過盈量、摩擦系數、法蘭不同轉速等相關參數進行了分析和優化，探討了其設計的唇形密封圈最大Von Mises應力，以及橡膠密封唇與法蘭（凸緣）接觸面間的最大接觸應力與設計變量的對應關系，其結果如表1所示。張守麗等利用有限元分析軟件ABAQUS建立輪轂軸承密封圈二維軸對稱模型，分析相關參數對輪轂軸承密封圈密封性能和摩擦力矩的影響。

表1 唇形密封圈不同設計參數與力學特性的相關性結果

1.2 彈性密封圈材料優化

2020年清華大學的徐小堯等對非正交網狀織物增強橡膠復合材料及其復合織物橡膠密封件的力學性能進行了分析｛XE"1"｝｛XE"1"｝，通過對多種不同組織形態的橡膠材料進行力學實驗發現與內部織物的網狀結構有關，如圖1所示。通過改變內部織物橡膠復合材料方向之間的初始角度和軸方向，來達到表面織物結構透氣效果與磨損效果之間的平衡[22]。

圖1 材料組織示意圖

密封件與軸承接觸在運動過程中產生的摩擦是相互作用的，因此，為提高彈性密封圈密封效果而討論對彈性密封環優化的同時對旋轉軸本身進行考慮也十分重要。機械設計師在設計軸類零件時，考慮到高速旋轉工況對密封件與旋轉軸的接觸面有較高要求，往往僅通過增加加工精度的方式來增強質量，最先進的制造工藝通常包括預轉彎、外殼硬化和沖壓研磨，與此同時，許多研究者也在旋轉桿工作面質量方面開展了一些研究。清華大學的Li Shenhou等通過對設備旋轉部件密封部位工作之前的金屬材料組織進行檢測，具體觀察了該部位金屬的晶須生長形態、細粒和粗粒形態，以研究表面氧化物形態對密封黏合行為的影響[23]。該研究指出通過密封前的預氧化處理，能夠實現對連接部位金屬組織的螺紋生長形態、復雜的細粒生長形態和多面等軸粗粒形態的改造，通過降低晶須含量、增加粗粒的組織數量來達到提高氧化層質量的目的，增強軸的強度，延長密封件可靠工作時長。此外，Thielen等將微尺度顆粒用作噴射材料，旨在在軸加工表面形成一層細致的疏水層，能使得潤滑油得以在其表面形成一定張力而不產生粘黏，因此可以理解為表面的微噴丸[24]。該實驗通過料速率為10 g/h的尺寸為5 μm~35 μm鈦顆粒，利用氣瓶束制造恒定壓力以減少壓力波動，采用噴嘴進口溫度500 ℃作為工藝溫度對材料進行噴丸處理，結果顯示，噴丸顯著地改變了最初轉動的表面，也極大地減少了摩擦。噴丸工藝在提高軸承表面質量的同時會對工作表面造成一定影響，對于高精度要求的配合面應予以適當考慮[25]。

1.3 彈性密封圈結構優化

彈性密封件的密封除去材料本身微觀組織結構對其密封效果有影響之外，其外觀結構也有一定影響。2021年Kim G H等通過對適用于高壓和超真空的O型密封圈進行結構優化，由于金屬O型密封圈的長期性能取決于它們的彈性，有必要最大限度地提高彈性以加強其長期性能[26]。通過對密封圈受力方式的研究發現密封圈的受力并不是圓周對稱，處于受壓力的上下端點以及與之垂直的左右兩側受壓力最大，Kim G H等為實現密封圈在載荷下出現均勻應力，避免應力集中，將O型密封圈的結構進行了優化設計。通過實驗設計，該新型O型密封圈的彈性比普通O型密封圈提高了31%。

2 迷宮密封

迷宮密封是當下軸類結構密封的研究熱點，被廣泛應用于航空、水下作業等領域，有著低污染、高效率等優點[27-28]。當前，研究者大多數的研究集中在迷宮密封的仿真分析，密封件和空腔等結構的優化上，通過對密封件和空腔等結構的外形、材料等的優化以改善密封效果，提高機械的工作效率。為了更好地總結歸納，比較各類迷宮結構的優勢，現對當前研究現狀進行調研。

2.1 迷宮密封力學分析

迷宮密封具有耐高溫、抗高壓、耐摩擦、適用于高速工作環境和抵抗固體顆粒污染等優點。迷宮式密封中的密封流動會產生流體不穩定力，進而導致整體機械振動。為了得到更優的幾何模型，研究者一般的技術路線如下：首先，建立參考幾何結構的CFD模型，通過幾何學實驗對參考幾何模型進行合理優化，得到幾種可能合理的幾何結構，接著研究者通過試驗對幾種候選模型進行進一步的評估和確認，最后根據試驗結果得到滿足需求的優化幾何模型[29-31]。

2020年Szymański等基于AnsysCFX軟件和CFD模擬，對該結構進行了實驗測試和分析[32]。對迷宮密封中常見的光滑型、蜂巢型、折疊蜂巢型和菱形迷宮型4種常見的迷宮類型進行了力學性能分析，得到參考幾何參數和優化幾何值，在其實驗設計中，平滑陸地密封優化考慮了5個輸入幾何參數：第一鰭翼角、第二鰭翼角、鰭片間距、翼片高度和翅片厚度。蜂巢型、折疊蜂巢型和菱形迷宮三種密封優化迷宮考慮了6個輸入幾何參數：第一鰭位置、第二鰭位置、第一鰭角、第二鰭角、翅翼高度和翅翼厚度。同時，試驗還得到結論：在光滑的蜂窩狀和菱狀陸地結構中可以看到最顯著的減少，分別高達23.4%、22.7%和18.1%，優化的效果隨著間隙尺寸的增大而減小。在壓縮蜂窩的情況下可以觀察到相反的趨勢，其中最小葉尖間隙的優化效應可以忽略不計。

除了對密封結構本身的力學特性進行仿真分析以外，研究者同時亦對迷宮式密封的相關因素進行仿真模擬，以獲得更好的優化方案。例如，2021年Augusto團隊對迷宮式密封件中的非等溫潤滑脂流進行了數值研究，評價了傳熱和黏性耗散對機械損失的影響，指出聚合物密封的優點，相比于金屬結構在連續輸送帶操作中耗能更低，但是，高工作溫度會導致潤滑劑降解[33]。

從制造和操作的角度來看，厚度較大、傾角相對較大的翅片在制造和測試過程中造成的問題較少。薄而高度傾斜的鰭片難以制造，而且很容易損壞。在測試過程中，需要非常小心，以避免制動或彎曲。

2.2 新型迷宮密封結構

本文對迷宮式密封件中的非等溫潤滑脂流進行了數值研究，評價了傳熱和黏性耗散對機械損失的影響。采用阿倫尼烏斯型方程來表示潤滑脂黏度對溫度的依賴性，并包含在數學建模中。傳熱和黏性耗散提高了流動溫度，從而降低了潤滑脂黏度，從而導致摩擦損失。還評估了迷宮式材料（鋼和聚合物）對熱損失的影響，以及對黏性損失的影響。與聚合物迷宮相比，聚合物迷宮提供了更高的溫度水平，因為其較低的導熱性[34]。

2.2.1 可變徑向間隙的兩級磁性流體真空密封件

2019年Parmar等為解決大尺寸氣封密封裝置在高速運動過程中密封效果下降的問題，對兩級磁性流體密封件進行可變轉速和徑向間隙下的性能模擬測試[35-36]。兩級磁性流體密封通常用于大軸直徑、低真空度的真空裝置的軸承保護，也可以應用于步進電機、機械臂等中的密封[36]。利用FEMM分析討論兩級磁性流體密封結構的幾何形狀、徑向間隙和流體磁化強度對密封效果的影響。結果表明，由于楔形桿件、最佳展寬比、較高的場梯度和較高的流體磁化強度，流體塞的保壓能力增加，只能在較大的徑向間隙下維持壓差。

2.2.2 疊加槽氣面密封件

同時，也有研究者通過對密封結構表面離散性質的改善來提高軸類零件的密封性能，通過對密封件表面的紋理設置，如凹槽、條紋和凸角等工藝的實施，來提高其承載能力以及接觸面表面質量和穩定性。2020年Jiang J等在數值和實驗上對不同幾何模型在不同表面紋理下的穩態和動態性能進行了比較研究，進行了一種新的表面紋理設計，以更好地權衡良好的密封性能和可能的良好的耐磨性能[37]。結果表明，在靜壓和高速條件下，凸表面的膜剛度分別優于其他紋理表面。與其他凹槽相比，上凹槽和下凹槽的組合紋理表面具有大膜剛度、薄膜穩定性和耐磨能力的優良組合。

2.2.3 斜孔腔阻尼密封件

2021年Zhang X等研究了孔型阻尼密封件孔腔形狀的結構創新和幾何優化，以此降低運行過程中潤滑泄漏率，保持密封件的密封效果，通過數值和實驗方法對直孔或斜孔腔的孔形阻尼密封和迷宮式密封（LS）的泄漏特性進行了比較[38]，提出了一個三速區域的速度場，揭示了風斜孔形阻尼密封的泄漏減少機理，研究了運行條件和關鍵幾何參數對風斜孔形阻尼密封件泄漏率的影響。結果表明，風斜孔紋阻尼密封、斜齒迷宮密封和斜孔紋密封的泄漏率明顯降低，最大泄漏減少率達25%。靠近孔腔出口兩側形成的低速區域和孔腔內完全發育的湍流渦旋是致使風斜孔型阻尼密封泄漏減少的主要原因。此外，風斜孔型阻尼密封的減漏能力在很大程度上取決于密封間隙、孔徑和軸向斜角等參數值的正確匹配。直徑較大的孔適用于較大的密封間隙條件，而直徑較小的孔則適用于較小的密封間隙條件。

2.2.4 渦旋壓縮機尖端密封件

Fukuta等采用尖端密封防止卷軸壓縮機卷軸包裝尖端出現徑向泄漏問題，由于當尖端密封被硬壓在滾動軸的基板上時，徑向泄漏將減少，而尖端密封處的摩擦將增加，故在泄漏和摩擦力之間存在著權衡。該研究團隊認為需要厘清泄漏與尖端密封處的摩擦之間的關系，以優化渦旋壓縮機的設計。本研究開發了一種可同時評估尖端密封滑動表面泄漏和摩擦的試驗裝置。用試驗裝置檢驗了上游壓力以及尖端密封的長度、寬度、供油率、轉速、油黏度等幾種參數對密封效應和摩擦力的影響，并推廣了這些參數的影響[39]。

2.2.5 鐮刀形凹槽扇貝密封件

鐮刀形凹槽扇貝密封件是具有類扇貝結構的密封件，由于其結構的特殊性而常被用于高壓離心壓縮機的密封設計中。2021年Zahorulko等采用CFD對密封件的水動力學特性進行了分析計算，同時，為優化鐮刀形凹槽扇貝密封件的設計，進一步提高鐮刀形凹槽扇貝密封件在高壓離心壓縮機中的密封效果，研究團隊采用實驗設計技術分析了扇貝深度寬度、肋寬度、扇貝數量對扇貝密封性能的影響，對相關參數進行了優化[40]。

2.2.6 交錯螺旋齒結構迷宮式密封件

2021年Zhou W等提出了一種新型交錯螺旋齒（SHT）結構迷宮式密封，通過數值模擬方法，研究了密封間隙、壓降、齒數和偏心度對新模型的影響[41]。此外，還比較和分析了具有SHT結構的迷宮式密封與具有普通螺旋齒（OHT）結構的迷宮式密封之間的靜態特性的差異。結果表明，迷宮式齒結構的數值模型與實驗結果相比，具有更好的精度。SHT結構比OHT結構具有更好的防漏性能，因為前者在交錯位置可以產生更高的湍流能量耗散。此外，流體誘導的力隨著偏心度和壓降的增加而增加。新模型和相應結果為環密封結構的研究提供有意義的參考。

2.2.7 新型螺旋梳式氣封

由于大多數氣密密封件在工作條件下周向螺旋流是造成切向力不穩定的主要原因[42]，2020年Zhang M等人通過構想控制圓周螺旋流，提出了螺旋梳式密封件。其原理在于利用螺旋齒的引導作用，可以產生負的環向螺旋流[43]。實驗采用三維計算流體動力學方法研究了螺旋梳式密封的性能。通過參數分析，發現螺旋角為15°，可以得到最小切向力。切向力隨著螺旋齒數和螺旋齒高度的增加而減小。考慮到螺旋齒與轉子之間的摩擦，螺旋齒的高度應略小于相鄰梳齒的高度。

3 總結與展望

通過對當前軸類密封技術的相關研究分析，當前的軸類密封研究顯示出目前的研究越來越具有針對性，研究者的研究選取某種特定的工況，而不是非特殊工況下的討論。同時，研究對象從單純的結構研究拓展到對密封件微觀組織結構的探究，從組織結構的角度入手，通過改變元器件自身材料性質制造出更符合目標工況下的密封結構，使得密封更具有針對性，一定程度上減少了性能的冗余[44]。

對于軸承密封今后的研究方向，其大致趨勢如下：

1）軸承密封的討論會更加具有針對性，研究者的研究對象不僅僅停留在一般工況下的軸類密封。研究者在對密封件的優化設計上會對其面對的工作工況，如溫度、濕度和承受壓力等條件進行多方位的考慮，將這些對結構可能造成一定影響的環境要素加入設計環節中去。

2）軸承密封的討論會更加依賴于虛擬樣機技術，研究者利用仿真模擬技術對特定工作環境下的樣品進行力學仿真，通過對仿真結果的分析指導相關密封元器件的改良，循環這種過程直至樣品滿足研究者的預期性能。由于該領域的研究會更具有針對性，因此，對密封件工況的模擬過程會更加復雜。

3）軸承密封技術的研究會更加微觀，近年來，隨著相關技術的理論研究，如太赫茲檢測技術，研究方向已經愈發趨向對元器件微觀視角下的組織狀態的研究，研究者可以利用相關技術從元器件的內部缺陷、表面質量和組織結構等方面入手，改善元器件的密封效果[45-46]。