盾構(gòu)機(jī)主軸承密封圈密封性能研究

　　大埋深隧道對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承密封性能提出了更高的要求。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 研究不同材質(zhì)的壓緊環(huán)密封圈在不同載荷下的受力狀況，研究其密封性能。分析結(jié)果表明，壓緊環(huán)唇形密封圈的密封能力與預(yù)緊載荷和材質(zhì)均有關(guān)系，當(dāng)預(yù)緊載荷越大，密封圈硬度值越高時(shí)，密封面的接觸壓力就越大，密封能力就越強(qiáng)。因此，為提高大埋深盾構(gòu)機(jī)主軸承密封圈的密封性能，可采取以下措施: 在材料方面應(yīng)選擇高硬度值的壓緊環(huán)密封圈，必要時(shí)可增加壓緊環(huán)密封圈的數(shù)量; 在結(jié)構(gòu)方面應(yīng)適當(dāng)增加壓緊環(huán)的直徑，保證壓緊環(huán)有足夠的預(yù)緊行程施加更大的位移載荷，提高密封面接觸壓力。

　　跨江越海隧道具有大埋深、高水壓、長(zhǎng)距離且地質(zhì)條件復(fù)雜多變的特點(diǎn)，這對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承密封的可靠性和壽命提出了更高的要求。如果主軸承密封失效，就會(huì)直接造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)，而在洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)主軸承修復(fù)十分困難，這種情況一旦發(fā)生，盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加，工期也會(huì)延長(zhǎng)，引起成本增加，給施工企業(yè)帶來(lái)巨大的損失。目前關(guān)于盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封的密封性能研究并不多。桑建兵、陳敏等人研究了旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈在不同載荷下的受力情況和密封性能; 于潤(rùn)生研究了影響Yx 形密封圈密封性能的因素，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，探討了生熱對(duì)密封性能的影響; 魯選才等詳細(xì)敘述了旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的密封機(jī)制、影響因素、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要點(diǎn)及材料選取原則; 張東葛等利用ANSYS 分析了Yx 形密封圈在不同工作壓力下的變形與受力情況，找出了Yx 形密封圈密封性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的變化規(guī)律。上述文獻(xiàn)從不同角度、不同層次對(duì)旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈這一類型進(jìn)行了研究，但針對(duì)盾構(gòu)機(jī)用的壓緊環(huán)唇形密封圈的受力狀態(tài)與材料屬性、密封性能之間的關(guān)系研究不多。

　　本文作者以常見(jiàn)的盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封所用的壓緊環(huán)唇形密封圈為研究對(duì)象，分析盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封結(jié)構(gòu)采用的唇形密封圈的密封性能，研究在不同載荷作用下，唇形密封圈接觸壓力與材質(zhì)的關(guān)系，分析了密封圈材質(zhì)與預(yù)緊載荷及抗靜水壓能力間的關(guān)系。

1、盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封結(jié)構(gòu)

　　目前國(guó)際上著名的盾構(gòu)機(jī)廠商對(duì)主軸承的密封均采用骨架式唇形密封圈，常見(jiàn)的唇形密封圈有單唇形密封圈、帶壓緊環(huán)唇形密封圈及多唇形密封圈，如圖1 所示。

圖1 幾種常見(jiàn)的唇形密封圈

　　本文作者所要研究的壓緊環(huán)密封圈安裝示意圖如圖2 所示，這是一種常見(jiàn)的盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封結(jié)構(gòu)，密封腔被兩道壓緊環(huán)密封圈和兩道唇形密封圈分隔成5 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的密封腔，每道密封圈由密封隔套隔開(kāi)，使其保持良好的安裝位置和密封狀態(tài)。在安裝時(shí)，通過(guò)密封隔套和外密封壓環(huán)壓緊硬化橡膠環(huán)，使密封圈唇口產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，提高密封效果。密封圈的材質(zhì)不同，這種預(yù)壓力的大小也不同，通過(guò)分析這種預(yù)壓力和材質(zhì)的關(guān)系，結(jié)合唇形密封原理，研究了適合大埋深盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封的密封圈材質(zhì)及其密封性能。

圖2 壓緊環(huán)密封圈安裝示意圖

2、唇形密封工作原理

　　唇形密封圈的工作面為唇口，在壓力的作用下，唇口與密封面緊密貼合，與擠壓型密封圈相比具有更強(qiáng)的自緊作用，壓緊環(huán)的使用則進(jìn)一步加強(qiáng)了這種自緊效果。如圖3 所示，當(dāng)壓緊環(huán)唇形密封圈工作時(shí)，密封唇與密封襯套之間的接觸壓力pw來(lái)自于兩個(gè)方面: 一是來(lái)自介質(zhì)壓力，介質(zhì)壓力pi直接作用在唇口上，使密封唇與密封襯套產(chǎn)生一定的接觸壓力; 另一方面來(lái)自于壓緊環(huán)的作用。壓緊環(huán)在介質(zhì)壓力、外密封壓環(huán)和密封隔套的作用下，不斷擠入唇形密封圈的楔形口中，對(duì)密封唇產(chǎn)生一定的壓力。當(dāng)接觸壓力pw的最大值大于介質(zhì)壓力pi時(shí)，密封唇就會(huì)堵塞介質(zhì)泄漏的通道，起到密封的作用。

圖3 壓緊環(huán)唇形密封圈工作原理

3、結(jié)論

　　(1) 壓緊環(huán)唇形密封圈的密封能力與預(yù)緊載荷和材質(zhì)均有關(guān)系。當(dāng)預(yù)緊載荷越大，密封圈硬度值越高時(shí)，密封面的接觸壓力就越大，密封能力就越強(qiáng)，就能抵抗更大的外部壓力。

　　(2) 對(duì)于大埋深盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封的設(shè)計(jì)，在材料方面，應(yīng)選擇高硬度值的壓緊環(huán)密封圈，必要時(shí)可增加壓緊環(huán)密封圈的數(shù)量; 在結(jié)構(gòu)方面，為了提高壓緊環(huán)密封圈的密封性能，應(yīng)適當(dāng)改進(jìn)密封圈的結(jié)構(gòu)尺寸，增加壓緊環(huán)的直徑，保證壓緊環(huán)有足夠的預(yù)緊行程施加更大的位移載荷，提高密封面接觸壓力。