牵引绳用调控式高压往复密封性能研究*

张馨宇 李双喜 马 也 李庆展 张楠楠

(北京化工大学机电工程学院流体密封技术研究中心 北京 100029)

往复密封是一种动密封技术，它对密封装置元件的要求很高[4]，其密封性能与摩擦副之间的润滑、摩擦、密封环结构及材料等因素相关[5]。往复运动时摩擦会影响密封环与往复轴的变形，也会改变密封接触面间的压力分布[6]。目前往复密封技术在液压缸、高压往复泵等领域的应用已十分成熟[7-10]。张付英等[4]对液压往复密封的理论、技术与应用进展展开综述讨论。SALANT、YANG等[11-12]建立了液动往复密封的有限元模型，分析了多种结构的液动往复密封，研究了模拟Y形圈现实安装过程的有限元建模方法。NIKAS与SAYLES[13-16]研究了往复密封中各种密封材料的应力、应变以及矩形密封结构受力时的应力变化情况和密封性能。随着往复密封工况日益复杂，对应的密封措施也日益增多。德国WERNECKE[17]对U形圈工作时各种数据进行测量并得到一系列温度、压力、膜厚的变化规律。

传统的刚性轴往复密封主要采用填料密封，而由于牵引绳受压变形大，圆度、同轴度较差的特点，若采用填料密封不仅会增大系统摩擦功耗，而且会降低密封使用寿命。为此，本文作者自主设计一种调控式牵引绳往复密封装置，并针对牵引绳往复密封性能展开研究，利用有限元分析与试验结合的方法研究操作参数对密封性能的影响规律。

1 牵引绳往复密封结构及工作原理

自主设计的调控式牵引绳往复密封装置为三级串联协同工作，各级密封均包括密封环、密封腔体、支撑环及辅助密封圈等部件。单级密封结构简图如图1所示。

图1 牵引绳往复密封装置

该密封工作原理如下：密封预装后，辅助密封圈被压缩建立初始静密封条件；通过增压口引入高压调控液，在支撑环支撑作用下，密封环被迫发生径向向内变形而与牵引绳紧密贴合，阻止被密封的高压液体泄漏，实现动态密封，因此称为调控式高压往复密封。

该密封具有以下特点：采用外部引入的调控液体，操作简单，易调控；检漏口设置流量计，监测密封泄漏量反馈调节增压口内的调控压力，改善密封性能；密封采用三级串联形式，逐级减压，各级密封结构一致，互换性强。

2 有限元模型

2.1 几何模型及网格划分

参考相关标准及文献确定材料模型相关参数[18-20]，利用ABAQUS软件，采用表1给出的结构尺寸及表2给出的材料参数，建立密封环、牵引绳、辅助密封圈的二维轴对称模型并进行装配，完成网格划分及无关性验证如图2所示。

表1 密封关键参数初始值

表2 模型中的材料参数

图2 计算模型及网格划分

2.2 分析步及载荷约束定义

分析模拟过程主要包括工件的预装、调控压力的加载、介质压力的加载、轴的正向行程、轴的反向行程5个过程。其中正向行程为牵引绳向高压侧移动，位移设置L=-10 mm，时长设置1 s。反向行程为牵引绳向大气侧移动，位移设置L=5 mm，分析步时长设置1 s。将多个分析步的载荷和约束条件汇总于表3。

表3 不同分析步的载荷和约束定义

2.3 计算结果与分析

按照上文完成模型的条件约束及加载，初步设置调控压力pc=8 MPa，介质压力p=6 MPa，对模型进行求解，得到密封组件的应力及变形分布情况。

2.3.1 应力分析

计算得到的密封组件应力分布情况如图3所示。往复运行的周期中，正反行程的最大von Mises应力出现的区域不同。分析是由于正行程时，密封环承受的摩擦力与介质压力方向相反，故使得密封环最大von Mises应力出现在腔体与低压区的贴合部位。反行程时密封环承受与介质压力相同的摩擦力，使得密封环受力情况有所改善，最大von Mises应力出现在低压区凸起区域的内侧。这是因为，密封环同时承受介质压力与调控压力作用，介质压力对密封具有开启作用，靠低压侧承受的介质压力和调控压力的合力更大;密封环受力情况主要受调控压力与介质压力二者的综合影响。

图3 密封组件应力分布云图

2.3.2 变形分析

在介质压力与调控压力的作用下密封组件发生内嵌，提取牵引绳与密封环接触表面上的径向变形，处理后的结果如图4所示。施加调控压力后牵引绳出现箍起与内嵌，施加介质压力后高压侧内嵌消失，不再与牵引绳贴合。

图4 牵引绳的径向变形

往复运转过程中，牵引绳发生一定的内嵌有利于提高密封性能，降低密封泄漏量；牵引绳过大的变形增大摩擦阻力，不仅会增加往复运动能耗还会影响密封组件的使用寿命。工程设计时应在保证密封效果的前提下尽量减小密封环的径向变形以保证密封装置的综合性能。

3 密封性能影响分析

3.1 密封性能评价方法

泄漏率及摩擦力是判定往复密封密封性能的主要依据。过大的泄漏率会影响机械设备的正常使用，摩擦力则是影响往复密封功耗及寿命的关键参数，文中针对牵引绳往复密封装置的泄漏率和摩擦力展开研究。

3.1.1 泄漏率

影响密封泄漏的因素很多，从操作参数来说，介质压力、调控压力是影响泄漏率的关键因素。从结构参数来说，密封环和牵引绳表面加工的精度也会引起泄漏。为了便于研究往复过程中的泄漏状态，根据密封组件的结构特点，可以将密封环与牵引绳密封环隙间的流体运动状态简化为一维流动。正反双行程的膜压分布曲线如图5所示。

图5 往复密封内外行程膜压分布

为方便计算泄漏率，文中规定正行程符号为i，反行程符号为o。假设牵引绳的运行速度为u，流体黏度为η，高压区流体压力为p，环隙流体膜厚为h(x)，膜压p=p(x)。设定环隙膜压最大处的流体膜厚为h*，动摩擦因数为μ。根据一维雷诺方程，反行程时

(1)

假设流体膜压与接触比压分布情况相同，微分可得

(2)

又知斜率最大点A处d2p/dx2=0，代入上式有

(3)

令反行程最大膜压梯度ωA=(dp/dx)A，则可得hA表达式

(4)

将式(4)代入式(1)可得

(5)

那么由质量守恒定律，可得到空气侧的膜厚为最大膜压处的1/2，即

(6)

同理正行程时

(7)

那么可得正、反向行程的泄漏率Vi及Vo计算式如式(8)和式(9)所示。

(8)

(9)

故牵引绳一个完整行程的净泄漏率V计算式为

(10)

调控式牵引绳高压往复密封的泄漏率的计算过程为：经有限元分析模拟后，提取密封环与牵引绳接触面上的流体膜压曲线；将提取出的膜压分布曲线导入MATLAB求解得到膜压最大点位置以及对应的流体膜厚，代入式(10)即可得到牵引绳往复密封的泄漏率。

3.1.2 摩擦力

往复密封中摩擦力是影响密封使用寿命的关键参数，是考察密封性能的重要指标。根据经验公式，摩擦力大小与摩擦副接触面所受正压力和摩擦因数相关，在文中正压力与密封环的流体膜压及接触面积有关。摩擦力计算公式如式(11)所示。

(11)

式中：f为摩擦力，N；μ为动摩擦因数；p(x)为沿接触面的流体膜压分布，MPa；d为牵引绳直径，mm。

3.2 调控压力对密封性能的影响

令介质压力p=6 MPa，改变调控压力pc的大小，进行模拟分析。分析计算得到的正反运行过程中不同调控压力与接触应力(即流体膜压)关系曲线如图6所示。

图6 不同调控压力下的流体膜压分布

牵引绳与密封环之间的密封是通过施加调控压力后，沿接触面的接触应力大于介质压力实现的，图6所示的正反2个行程中，密封环中部凸起位置的接触应力均大于介质压力，能够实现良好的密封效果，显著地减小密封泄漏。

将上述正反行程流体膜压分别代入公式求解后得到密封泄漏率及摩擦力随调控压力变化曲线，如图7所示。可知，随着调控压力增长，密封泄漏率先迅速下降，而后缓慢下降并逐渐趋于稳定;当调控压力大于介质压力的1.3倍时(即7.8 MPa)，密封泄漏率泄漏率小于0.5 mL/s，并且不再发生变化。密封摩擦阻力随着调控压力变化呈现先缓后急的增长趋势，这是因为过大的调控压力增加了牵引绳与密封环接触面上的正压力。增大调控压力可以显著地降低密封泄漏率，但同时增大密封摩擦阻力，影响牵引绳实际使用效果，降低使用寿命。在实际工程应用中，要综合考虑介质压力对密封性能的影响规律，维持调控压力比介质压力高0.2～0.5 MPa时能够保证密封效果最好。

图7 不同调控压力下的泄漏率与摩擦力

3.3 介质压力对密封性能的影响

令调控压力pc=8 MPa，改变介质压力p的大小，进行模拟分析,得到不同介质压力下正反行程下流体膜压分布如图8所示。介质压力小于等于调控压力时，密封环中部凸起位置的接触应力均大于介质压力，可以实现密封;当介质压力大于调控压力时，密封环只有部分区域的接触应力大于介质压力，密封可能发生泄漏。

图8 不同介质压力下的流体膜压分布

将上述正反行程流体膜压分别代入公式求解后得到密封泄漏率及摩擦力随介质压力变化曲线,如图9所示。可知，介质压力小于等于调控压力时，泄漏率受调控压力影响较为敏感，密封泄漏率低于2 mL/s，能够保证良好的密封效果；而当介质压力大于调控压力时密封泄漏率直线上升，工程应用中需尽量保证调控压力大于介质压力。随着介质压力增大密封摩擦阻力线性减小，这是因为介质压力对密封环具有开启作用，增高介质压力能够降低流体膜压，减小接触面正压力进而减小摩擦阻力。

图9 不同介质压力下的泄漏率与摩擦力

4 试验验证

为对上文的分析结果进行验证，设计搭建了如图10所示的试验方案。由于密封主试验装置设计时具有两侧对称结构，在主试验装置两侧分别只安装一级密封组件，记录不同调控压力和介质压力下的泄漏率。牵引绳单向运动时所测量的泄漏率即为完成一个往复轴周期的泄漏率。采用弹簧拉力计水平拖拽牵引绳，测量得到的密封摩擦阻力为实际阻力的2倍。牵引绳往复密封性能试验流程如下：将动力装置、试验主体装置及弹簧拉力计密封装置等通过牵引绳依次连接后，启动试验装置；通过辅助系统调节调控压力与介质压力，并在检漏口收集单位时间内被密封介质的泄漏量；记录调子吊秤全程示数变化，摩擦数据平稳时认为是动摩擦阻力。

图10 往复密封试验台

试验得到的不同介质压力和调控压力下密封泄漏率与摩擦力与有限元模拟对比如图11所示。不同调控压力与介质压力下，牵引绳往复密封的泄漏率与摩擦力的试验值走势均与有限元模拟分析相同。由于试验过程存在不可控误差，故模拟值与试验值大小存在一定差异性，但在可接受范围内，故可认为所进行的有限元分析结果是可靠的。

图11 有限元分析结果与试验结果对比

5 结论

(1)针对实际工况条件，提出了一种新型调控式往复密封结构，采用合理的调控压力与密封结构设计可以实现较好的接触应力分布，显著地减少密封泄漏。

(2)有限元模拟结果表明：调控压力接近介质压力时密封泄漏趋于平稳，泄漏率小于1 mL/s，当调控压力大于介质压力的1.3倍时，密封泄漏率接近于0；密封摩擦阻力随着调控压力变化呈现先缓后急的增长趋势，较大的调控压力增加密封功耗；介质压力对密封环具有开启作用，增高介质压力能够降低流体膜压并减小摩擦阻力。工程应用中，维持调控压力比介质压力高0.2～0.5 MPa时密封效果最好。

(3)试验得到的密封性能随调控压力和介质压力的变化规律，与有限元模拟结果较为吻合，验证了有限元计算的正确性和牵引绳用高压往复密封设计方案的可行性。有限元分析及试验研究结果对牵引绳用高压往复密封的工程设计与正确使用具有重要指导意义。