盾构机主轴承密封圈密封性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)盾构及掘进技术国家重点实验室 作者:陈桥

  大埋深隧道对盾构机主轴承密封性能提出了更高的要求。利用有限元分析软件ANSYS Workbench 研究不同材质的压紧环密封圈在不同载荷下的受力状况,研究其密封性能。分析结果表明,压紧环唇形密封圈的密封能力与预紧载荷和材质均有关系,当预紧载荷越大,密封圈硬度值越高时,密封面的接触压力就越大,密封能力就越强。因此,为提高大埋深盾构机主轴承密封圈的密封性能,可采取以下措施: 在材料方面应选择高硬度值的压紧环密封圈,必要时可增加压紧环密封圈的数量; 在结构方面应适当增加压紧环的直径,保证压紧环有足够的预紧行程施加更大的位移载荷,提高密封面接触压力。

  跨江越海隧道具有大埋深、高水压、长距离且地质条件复杂多变的特点,这对盾构机主轴承密封的可靠性和寿命提出了更高的要求。如果主轴承密封失效,就会直接造成盾构机停机,而在洞内盾构机主轴承修复十分困难,这种情况一旦发生,盾构施工的风险就会增加,工期也会延长,引起成本增加,给施工企业带来巨大的损失。目前关于盾构机主轴承外密封的密封性能研究并不多。桑建兵、陈敏等人研究了旋转轴唇形密封圈在不同载荷下的受力情况和密封性能; 于润生研究了影响Yx 形密封圈密封性能的因素,提出了结构优化方案,探讨了生热对密封性能的影响; 鲁选才等详细叙述了旋转轴唇形密封圈的密封机制、影响因素、设计结构要点及材料选取原则; 张东葛等利用ANSYS 分析了Yx 形密封圈在不同工作压力下的变形与受力情况,找出了Yx 形密封圈密封性能与结构参数之间的变化规律。上述文献从不同角度、不同层次对旋转轴唇形密封圈这一类型进行了研究,但针对盾构机用的压紧环唇形密封圈的受力状态与材料属性、密封性能之间的关系研究不多。

  本文作者以常见的盾构机主轴承外密封所用的压紧环唇形密封圈为研究对象,分析盾构机主轴承外密封结构采用的唇形密封圈的密封性能,研究在不同载荷作用下,唇形密封圈接触压力与材质的关系,分析了密封圈材质与预紧载荷及抗静水压能力间的关系。

1、盾构机主轴承外密封结构

  目前国际上著名的盾构机厂商对主轴承的密封均采用骨架式唇形密封圈,常见的唇形密封圈有单唇形密封圈、带压紧环唇形密封圈及多唇形密封圈,如图1 所示。

几种常见的唇形密封圈

图1 几种常见的唇形密封圈

  本文作者所要研究的压紧环密封圈安装示意图如图2 所示,这是一种常见的盾构机主轴承外密封结构,密封腔被两道压紧环密封圈和两道唇形密封圈分隔成5 个相对独立的密封腔,每道密封圈由密封隔套隔开,使其保持良好的安装位置和密封状态。在安装时,通过密封隔套和外密封压环压紧硬化橡胶环,使密封圈唇口产生一定的预压力,提高密封效果。密封圈的材质不同,这种预压力的大小也不同,通过分析这种预压力和材质的关系,结合唇形密封原理,研究了适合大埋深盾构机主轴承外密封的密封圈材质及其密封性能。

压紧环密封圈安装示意图

图2 压紧环密封圈安装示意图

2、唇形密封工作原理

  唇形密封圈的工作面为唇口,在压力的作用下,唇口与密封面紧密贴合,与挤压型密封圈相比具有更强的自紧作用,压紧环的使用则进一步加强了这种自紧效果。如图3 所示,当压紧环唇形密封圈工作时,密封唇与密封衬套之间的接触压力pw来自于两个方面: 一是来自介质压力,介质压力pi直接作用在唇口上,使密封唇与密封衬套产生一定的接触压力; 另一方面来自于压紧环的作用。压紧环在介质压力、外密封压环和密封隔套的作用下,不断挤入唇形密封圈的楔形口中,对密封唇产生一定的压力。当接触压力pw的最大值大于介质压力pi时,密封唇就会堵塞介质泄漏的通道,起到密封的作用。

压紧环唇形密封圈工作原理

图3 压紧环唇形密封圈工作原理

3、结论

  (1) 压紧环唇形密封圈的密封能力与预紧载荷和材质均有关系。当预紧载荷越大,密封圈硬度值越高时,密封面的接触压力就越大,密封能力就越强,就能抵抗更大的外部压力。

  (2) 对于大埋深盾构机主轴承外密封的设计,在材料方面,应选择高硬度值的压紧环密封圈,必要时可增加压紧环密封圈的数量; 在结构方面,为了提高压紧环密封圈的密封性能,应适当改进密封圈的结构尺寸,增加压紧环的直径,保证压紧环有足够的预紧行程施加更大的位移载荷,提高密封面接触压力。

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