摘要：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。
关键词：盾构机;主轴承;密封圈;密封性能
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。
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。
1. 外密封支撑环 2. 压紧环密封圈 3. 密封隔套 4. 唇形密封圈5. 环形法兰 6. 密封隔套 7. 外密封压环 ①～⑤ 第1～5 个密封腔
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。
图3 压紧环唇形密封圈工作原理
3、压紧环密封圈的密封性能分析
3.1 密封材质与本构模型
根据《HG/T2811-1996 旋转轴唇形密封圈橡胶材料》可知，密封圈一般采用以丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、硅橡胶和氟橡胶为基的橡胶材料，唇形密封圈的部分物理性能参数如表1 所示。
表1 密封圈材料的类别及参数
橡胶材料通常被认为是各向同性且不可压缩的超弹材料，超弹材料应力与应变之间的非线性关系主要通过应变能函数来定义。实际工程应用中常用的Mooney-Rivlin 二参数本构模型的应变能密度函数为：
式中：W 为应变势能;I1、I2 为变形张量;C10、C01为 Mooney-Rivlin 常数。
橡胶材料的弹性模量E与邵尔A硬度( 用SA 表示) 、Mooney-Rivlin 常数C10、C01 有以下关系：
取C10 =0.25 C01，根据表1 中橡胶材料硬度的变化范围，得到橡胶硬度与 Mooney-Rivlin 常数 C10、C01之间的对应关系，如表2 所示。
表2 橡胶硬度与 C10、C01 之间的对应关系
3.2 密封圈受力分析
3.2.1 载荷对密封性能的影响分析
利用ANSYSWorkbench 建立分析模型，如图4 所示。图中模型1 为简化后的密封衬套，模型2 为压紧环，模型3 为唇形密封圈; B 为密封衬套和唇形密封圈之间的接触区域，A 为压紧环和唇形密封圈之间的接触区域。当压紧环向下移动一段距离时(位移载荷)，分析了 A B 两个接触区域的受力及接触情况。
1. 简化后的密封衬套 2. 压紧环 3. 唇形密封圈
图4 压紧环密封圈分析模型
以密封材料的硬度为邵尔A85 为例，分析了 A、B 两个接触区域的受力及接触情况，结果如表3 所示。当位移载荷为1mm 时，压紧环唇形密封圈的最大等效应力位于B接触区域的唇口附近，其值为0.604MPa，相应的最大等效应变值为 0.047，如图5( a) 、图6( a) 所示; 图7( a) 接触状态为 Sliding(滑移) ，说明唇口两侧的较大接触压力区接触充分，接触状态良好，接触压力较大的区域分布在唇口两侧，其值为0.915MPa，见图8( a)。
表3 分析结果(硬度为邵尔A85)
图5 不同载荷条件下压紧环密封圈的等效应力云图
图6 不同载荷条件下压紧环密封圈的等效应变云图
图7 不同载荷条件下压紧环密封圈的接触状态
图8 不同载荷条件下压紧环密封圈的接触压力
保持材料特性不变，将位移载荷增加为2mm时，分析得到压紧环唇形密封圈的最大等效应力值增加为1.077MPa，仍然位于B 接触区域的唇口附近，相应的最大等效应变值为 0.084，如图 5 ( b) 图 6( b) 所示 从图 5 6 可以看出，载荷增加后，应力和应变偏大的区域有所扩大;从图 7、8 可以看出，接触状态为 Sliding 的区域有所增加，接触压力较大的区域与之前没有变化，但压力值由0.915MPa 增加为1.898Mpa。
对比图5～8 所示的2 种不同载荷下的分析结果可以看出，当预紧载荷增加1 倍后，硬度为邵尔 A85 的压紧环唇形密封圈最大等效应力增加约1.8 倍，相应的最大等效应变也增加约1.8 倍; 接触良好的区域扩大，由于载荷增加引起密封圈唇口大变形，密封圈唇口顶部已经翘起，由之前的良好接触状态变为分离状态，接触压力增加约2 倍，这说明随着载荷的增加，压紧环唇形密封圈的密封性能也在增加，增大压紧环的预紧行程有利于提高密封圈的密封性能。
3.2.2 材料特性对密封性能的影响分析
按表2 所示的橡胶材料参数，计算了不同材料硬度下相应的压紧环唇形密封圈的受力状态和接触情况，如图9、10 所示。从图9 中可以看出，压紧环唇形密封圈的最大等效应力随着密封圈硬度的增加而增加，即在相同预紧载荷条件下，硬度大的橡胶等效应力也偏大; 对于同种材质的密封圈，增加压紧环的位移载荷( 压紧环进入唇形密封圈凹槽的深度) 能提高密封圈的最大等效应力，对于硬度较高的橡胶材料，这种增加效果更为明显。
图9 橡胶硬度与最大等效应力的关系
图10 橡胶硬度与接触压力的关系
从图 10 中可以看出，压紧环唇形密封圈的接触压力也随着密封圈硬度的增加而增加，即在相同的预紧载荷条件下，硬度大的橡胶产生的接触压力也大;对于同种材质的密封圈，增加位移载荷也可以增加密封圈的接触压力。从图中还可以看出，位移载荷增加一倍后，接触压力也都增加了约一倍，但对于不同硬度的橡胶，因位移载荷增加引起的接触压力增加的增幅是不同的，如硬度为邵尔 A65 的橡胶增幅为0.333MPa，而硬度为邵尔A85 的橡胶增幅较大，为0.983Mpa。
4、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。
参考文献：
[1] 桑建兵，邢素芳，刘宝会，等。旋转轴唇形密封圈的有限元分析与仿真[J]。液压与气动。
[2] 陈敏， 姜小敏， 赵祖欣， 等。唇形橡胶密封圈非线性接触有限元分析[J]. 润滑与密封， 2009， 34( 11) : 82-85。
[3] 于润生。液压密封圈有限元分析与研究[D]. 天津：天津理工大学机械工程学院， 2012。
[4] 鲁选才， 贺永军， 杨维章， 等. 旋转轴唇形密封圈的设计与选材[J]. 特种橡胶制品， 2010， 31( 5) : 42-54。
[5] 张东葛， 张付英， 王世强。基于 ANSYS 的 Y 型密封圈和工作参数的优化设计[J]。润滑与密封， 2012， 37( 11) : 93-96。
[6] 高伟贤， 邓立营， 张瑞临. 盾构机主轴承密封结构研究[J].矿山机械， 2008， 36( 13) : 21-23。
[7] 吴晓玲，袁丽娟。密封设计入门[M]. 北京: 化学工业出版社， 2013。
[8] 王伟，邓涛，赵树高. 橡胶 Mooney-Rivlin 模型中材料常数的确定[J]。特种橡胶制品， 2004， 25( 4)：8-10。
更多奥赛罗液压密封件知识欢迎访问奥赛罗密封材料网站，othello密封长期诚招密封件招商代理，欢迎各地有志之士的加入！
