旋转密封中的唇形密封在船舶、石油、化工、车辆、工程机械等领域应用广泛
[1-5],在实际应用中,唇形密封的可靠性和使用寿命受润滑条件、介质、转速、压力以及温度等关键工作条件的影响。例如,当压力和转速较高时,唇形密封的密封唇会与转子发生剧烈摩擦,密封温度会快速上升,而橡胶材料在高温时易出现老化现象,导致密封唇与转子的接触面严重磨损,严重降低唇形密封的可靠性和使用寿命。而且如果润滑条件比较恶劣,在高压高速工作条件以及恶润滑条件的耦合作用下,唇形密封的磨损会加剧,严重削弱唇形密封的可靠性与使用寿命,从而影响到旋转机械的正常工作。此外,如果工作介质具有腐蚀性和毒性,在高压高速工作条件以及腐蚀介质的耦合作用下,同样会使密封磨损加剧,极易导致工作介质发生泄漏。一旦发生泄漏,不仅会造成设备损坏、生产停滞,还可能引发严重的人员伤亡事故,带来不可估量的损失。
大量研究者对唇形密封展开了研究。徐文轩等
[6]建立了唇形密封的仿真模型以预测唇形密封磨损,结果表明,在密封磨损之后密封唇的接触压力还是最大,随着工作时间的增加,密封唇与轴的接触面积也在不断增加,因此密封唇的平均和整体接触压力都在不断下降。纪佳馨等
[7]构建了唇形密封的流固热耦合数值计算模型,定量地预测了唇形密封的泄漏量、摩擦扭矩和温度等关键参数,结果表明,相对于不考虑温度场,唇形密封的摩擦扭矩和最大接触压力减小,接触宽度则增加。王双兴等
[8]对唇形密封的最大密封水压展开研究,并对结果进行试验验证,结果表明,最大密封水压的仿真结果为0.035 MPa,与试验结果相同。Tan等
[9]研究了转速、偏心率、偏心形式等因素对唇形密封性能的影响,结果表明,偏心率对唇形密封性能有较大的影响,在静偏心情况下更容易发生磨损失效,在动偏心情况下则更容易发生泄漏失效。针对在航空发动机中使用的唇形密封,Wei等
[10]建立了热-流-固耦合仿真模型,研究了泄漏量、温升、接触压力分布等参数对唇形密封性能的影响,还提出了一种预测唇形密封磨损的方法,并利用搭建的试验台对预测结果进行了试验验证,结果表明,随着工作转速的增加,摩擦热增加,导致唇形密封性能下降,试验结果与仿真结果趋势相似,在考虑摩擦热影响的情况下,唇形密封的预测磨损结果与实际磨损结果更接近。Wang等
[11]基于热-应力耦合计算模型分析了多种因素对唇形密封性能的影响,结果表明,唇形密封的最大等效应力随径向过盈量、摩擦系数和唇口倾角的增加先增加后减小,随润滑油温度的升高而增加,随转速的增加而减小;最大接触压力随径向过盈量、转速和润滑油温度的增加先减小后增加,随唇口倾角的增加而减小,随摩擦系数的增加先增加后减小。Wang等
[12]构建了径向正弦振动条件下唇形密封的仿真模型,分析了振动幅值和频率对唇形密封的摩擦扭矩、泄漏量和跟踪性能的影响,结果表明,随着振动幅值的增加,摩擦扭矩先减小后增加,而泄漏量则是先增加后减小,过大的振动频率会引起密封唇口与轴的分离,从而造成密封失效导致泄漏发生。
对于唇形密封的改进,弓志超等
[13]建立了唇形密封的仿真模型,采用响应面法优化密封结构,并对优化结果进行了试验验证,结果表明,唇形密封寿命和开启性能的影响因素包括唇口过盈量、后唇角、前唇角以及弹簧径向力等参数,在合理地优化密封结构后,密封唇口的减磨性能明显提高,并且密封唇口的使用寿命提高了173%。吴樾等
[14]提出一种带有聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)涂层的唇形密封,设计并搭建了旋转密封试验台,开展了新型密封和唇形密封的温度和摩擦扭矩的对比试验,结果表明,喷涂PTFE材料能够降低密封的温度,在恶劣润滑情况下,新型密封比唇形密封温度最大减少约4.61 ℃,但新型密封的摩擦扭矩会增加约0.03 N·m。Wang等
[15]研究了织构结构参数对唇形密封摩擦力、液膜平均径向长度和流体动压特性的影响,结果表明,适当选择织构结构参数可以提高密封性能。Chen等
[16]提出一种考虑摩擦热的唇形密封热固耦合仿真模型,分析了唇形密封的密封唇在旋转过程中的温度分布特性,并通过综合考虑工况及结构参数的影响,优化了密封唇的结构,结果表明,在优化设计后,唇形密封的泄漏量降低了14.3%。Szczech
[17]提出了一种将唇形密封与磁流体密封集成在一起的混合密封,并对混合密封的摩擦扭矩、温度和压力能力进行了试验研究,结果表明,使用高饱和磁化强度的磁流体和增加磁流体的体积能降低摩擦扭矩,相对于唇形密封,由于铁磁流体具有类似于流体弹簧的特性,混合密封的承压能力更强。
综上所述,现有研究多聚焦于唇形密封的性能分析或结构优化,鲜有从密封材料方向开展改进研究。鉴于此,提出一种比普通改性PTFE质地更软,在轴系跳动幅度不大的情况下能维持优秀的封严效果,能明显降低密封温度而不增加摩擦扭矩的改性PTFE旋转密封,并将其与唇形密封进行对比分析。首先设计和搭建旋转密封温度与扭矩测试试验台,然后利用搭建的试验台对密封的温度和摩擦扭矩特性进行研究,并将不同转速下的唇形密封和改性PTFE旋转密封的温度和摩擦扭矩进行对比。通过上述试验研究,揭示改性PTFE旋转密封和唇形密封的温度和摩擦扭矩特性,结果表明,密封唇采用以改性PTFE为主的材料能够明显降低旋转密封温度,保证旋转密封正常工作,从而为减少因旋转密封失效导致的旋转机械故障提供技术支撑。
1 改性PTFE旋转密封介绍
将密封唇由传统的橡胶更换为改性PTFE,能够明显改善密封唇的摩擦状态,有效降低旋转密封的温度,还能够提高旋转密封的耐磨性和耐腐蚀性,从而提高旋转密封的可靠性和使用寿命。改性PTFE旋转密封结构如
图1所示,将密封唇更换为比传统改性PTFE更为柔软的新型改性PTFE材料,并且在密封唇背面刻画许多螺旋线,能使密封唇的刚度进一步降低,虽然改性PTFE旋转密封相对于唇形密封的刚度有所增加,但在轴系跳动不大的情况下已能维持优秀的封严效果,而普通改性PTFE旋转密封则对轴系跳动要求更高,在实际工作中很难达到,因此,普通改性PTFE旋转密封的封严效果较差。而且在密封唇与转子的摩擦区域,采用新型改性PTFE材料可以降低摩擦区域的摩擦系数,从而改善其摩擦状态,降低密封温度,保证改性PTFE旋转密封在恶劣润滑条件下的封严性能。此外,新型改性PTFE材料还具有良好的耐腐蚀性,相对于唇形密封,能有效提高腐蚀介质条件下密封的可靠性和使用寿命。
2 旋转密封温度与摩擦扭矩测试试验台
为验证密封唇采用新型改性PTFE材料提高密封可靠性和使用寿命的可行性,搭建了旋转密封温度与摩擦扭矩测试试验台,如
图2所示。该试验台可对不同的密封直径、工作介质、进口压力、转速下的旋转密封温度、摩擦扭矩进行高精度测量,从而完成改性PTFE旋转密封和唇形密封的对比试验,达到准确评估两种密封性能优劣的目的。试验台分为试验装置和试验数据采集系统两部分,其中试验装置由水泵、进出口管、试验腔、旋转密封、压力表、转子、轴承座、高速变频电机、底座组成,试验数据采集系统由扭矩采集模块、扭矩采集软件、扭矩传感器、温度采集模块、温度采集软件和温度传感器组成。
恶润滑条件下的试验过程如下:首先启动高速变频电机,并调至试验要求的转速,让两种密封在同等转速条件下工作,然后开启扭矩和温度采集软件,从而获取旋转密封的实时扭矩和温度,在试验结束后处理改性PTFE旋转密封和唇形密封的扭矩和温度数据,并开展两种密封的对比分析。
弱腐蚀介质条件下的试验过程如下:首先启动水泵,将带压的弱腐蚀介质注入试验腔,接着启动高速变频电机,并调至试验要求的转速,让两种密封在同等转速条件下工作,然后开启扭矩和温度采集软件,从而获取旋转密封的实时扭矩和温度,在试验结束后处理改性PTFE旋转密封和唇形密封的扭矩和温度数据,并开展两种密封的对比分析。
3 改性PTFE旋转密封试验研究
3.1 恶润滑条件下试验结果分析
工作时的唇形密封一般采用串联布置,由于内端唇形密封对工作介质的良好密封效果,外端的唇形密封会处于基本无润滑介质的恶润滑状态。因此,首先对恶润滑条件下的改性PTFE旋转密封和唇形密封展开试验研究,即试验腔两端分别安装唇形密封和改性PTFE旋转密封,两种密封的温度结果如
图3所示。在恶润滑条件下,随着试验时间的不断增加,唇形密封和改性PTFE旋转密封的温度基本不再增长,最终达到相对稳定的值;唇形密封和改性PTFE旋转密封的温度随着转速的不断增加也在增加。但是在同等条件下,改性PTFE旋转密封的温度总是低于唇形密封的温度,相对于唇形密封,恶润滑时改性PTFE旋转密封的温度最大减少约3.58 ℃。
摩擦扭矩结果如
图4所示,其中还给出了试验腔两端都安装唇形密封的摩擦扭矩结果,在恶润滑条件下,随着试验时间的不断增加,唇形密封和改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩基本不再增长,最终达到相对稳定的值,转速对密封摩擦扭矩的影响并不明显。但是在同等条件下,改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩要低于唇形密封的摩擦扭矩,相对于唇形密封,恶润滑时改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩减少约0.005 N·m,如
图4中放大图所示。
因此,在恶润滑条件下,改性PTFE旋转密封的温度和摩擦扭矩都低于唇形密封。这是由于相对于橡胶,改性PTFE具有低摩擦性能和自润滑性,其摩擦系数更小,而摩擦系数小说明摩擦力小,摩擦扭矩等于摩擦力乘以力臂,在力臂相同的情况下改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩自然更小。除此之外,摩擦系数低还意味着摩擦生热量更大,也就是说改性PTFE旋转密封的温度也会更低。
3.2 弱腐蚀介质条件下试验结果分析
在实际工作中,工作介质并不一直是润滑油,有时是具有一定压力的弱腐蚀介质(如海水),此时,内端唇形密封会受到工质介质的腐蚀作用。因此,对弱腐蚀介质条件下的改性PTFE旋转密封和唇形密封展开试验研究,两种密封的温度结果如
图5所示。在弱腐蚀介质条件下,随着试验时间的不断增加,唇形密封和改性PTFE旋转密封的温度基本不再增长,最终达到相对稳定的值,由于工作介质是循环的海水,可以带走一部分热量,所以两种密封的温度都比较低。但是在同等条件下,改性PTFE旋转密封的温度总是低于唇形密封的温度,相对于唇形密封,弱腐蚀介质时改性PTFE旋转密封的温度最大减少约0.89 ℃。
摩擦扭矩结果如
图6所示,其中还加入了试验腔两端都安装唇形密封的摩擦扭矩结果,在弱腐蚀介质条件下,随着试验时间的不断增加,唇形密封和改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩基本不再增长,最终达到相对稳定的值,转速对密封摩擦扭矩的影响并不明显。但是在同等条件下,改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩要低于唇形密封的摩擦扭矩,相对于唇形密封,弱腐蚀介质时改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩减少约0.015 N·m,如
图6中放大图所示。
因此,在弱腐蚀介质条件下,改性PTFE旋转密封的温度和摩擦扭矩也都低于唇形密封,相对于恶润滑条件时,改性PTFE旋转密封和唇形密封摩擦扭矩的差值增加。改性PTFE旋转密封的温度和摩擦扭矩低于唇形密封的原因与上节相同,相对于恶润滑条件时两种密封摩擦扭矩的差值增加的原因如下:弱腐蚀介质条件下工作介质具有一定压力,在压力的作用下密封唇与转子的接触会更紧密,即此时的摩擦系数更大,而摩擦系数大意味着摩擦力大,摩擦扭矩等于摩擦力乘以力臂,在力臂相同的情况下改性PTFE旋转密封和唇形密封的摩擦扭矩也就更大,两种密封的摩擦扭矩差值自然也在增加。
3.3 两种条件下摩擦扭矩试验结果对比分析
如
图7所示,相对于恶润滑时,弱腐蚀介质时改性PTFE旋转密封和唇形密封的摩擦扭矩增加约0.045 N·m。这是由于弱腐蚀介质具有一定压力,密封唇受压力作用会与转子接触更紧密,即此时的摩擦系数更大,而摩擦系数大表明摩擦力大,摩擦扭矩等于摩擦力乘以力臂,在力臂相同的情况下改性PTFE旋转密封和唇形密封的摩擦扭矩也会增加,因此,相对于恶润滑时,弱腐蚀介质时改性PTFE旋转密封和唇形密封的摩擦扭矩增加。
4 结论
为解决旋转密封因低可靠性与低使用寿命引发的密封失效问题,提出一种改性PTFE旋转密封,并试验研究了唇形密封和改性PTFE旋转密封的温度和摩擦扭矩特性,验证了所提出的改性PTFE旋转密封的优越性,从而为减少因旋转密封失效导致的旋转机械故障提供技术支撑。得出如下结论。
(1)在恶润滑条件下,改性PTFE旋转密封的温度和摩擦扭矩低于唇形密封,相对于唇形密封,改性PTFE旋转密封的温度最大减少约3.58 ℃,改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩减少约0.005 N·m。
(2)在弱腐蚀介质条件下,改性PTFE旋转密封的温度和摩擦扭矩也低于唇形密封,相对于唇形密封,改性PTFE旋转密封的温度最大减少约0.89 ℃,改性PTFE旋转密封的摩擦扭矩减少约0.015 N·m。
(3)工作介质有压力时不管是改性PTFE旋转密封还是唇形密封的摩擦扭矩都会增加,相对于恶润滑时,弱腐蚀介质时改性PTFE旋转密封和唇形密封的摩擦扭矩增加约0.045 N·m。
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