張樹強，陶 正，陳 杰，王 良，趙偉剛

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈開啟特性研究

張樹強，陶 正，陳 杰，王 良，趙偉剛

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

為研究對唇形密封圈可重復(fù)使用至關(guān)重要的開啟性能，建立了唇形密封圈臨界開啟判據(jù)和仿真計算模型，求解了臨界開啟轉(zhuǎn)速。研究了彈簧緊箍力、唇口過盈量以及泵入口壓力對臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，進行了唇形密封圈水運轉(zhuǎn)試驗。結(jié)果表明：隨著彈簧緊箍力的增加，臨界開啟轉(zhuǎn)速呈線性增加，推薦彈簧緊箍力取值范圍為0.1～0.3 N/mm；當(dāng)唇口過盈量從0.1 mm增加到0.8 mm時，臨界開啟轉(zhuǎn)速增加量僅為1%，推薦唇口過盈量取值范圍為0.3～0.6 mm；泵入口壓力對臨界開啟轉(zhuǎn)速影響較大，當(dāng)泵入口壓力較高時，可以通過減小彈簧緊箍力來降低臨界開啟轉(zhuǎn)速；泵入口壓力從0.4～0.75 MPa變化時，臨界開啟轉(zhuǎn)速的理論研究結(jié)果與試驗研究結(jié)果偏差范圍為2%～7.2%，表明關(guān)于唇形密封圈開啟轉(zhuǎn)速的數(shù)值計算是正確的。

旋轉(zhuǎn)式唇形密封；開啟特性；試驗研究

0 引言

唇形密封圈由于結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，摩擦功耗小，因而在低壓、低速環(huán)境的旋轉(zhuǎn)軸密封中被廣泛應(yīng)用（通常安裝在密封殼體中，工作時不與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)）。在液氧/煤油火箭發(fā)動機燃料泵入口密封組件中，唇形密封圈與液封輪組合使用（被用作停車密封），并與機械密封形成組合式密封。燃料泵靜止時要求唇形密封圈能夠完全阻止泵腔燃料泄漏，燃料泵運轉(zhuǎn)時唇形密封圈與液封輪一起旋轉(zhuǎn)，液封輪起密封作用，唇形密封圈唇口開啟，實現(xiàn)非接觸運轉(zhuǎn)，此時會有少量煤油泄漏對機械密封摩擦副進行潤滑，防止干摩擦。此類密封的設(shè)計重點與難點為唇形密封圈開啟轉(zhuǎn)速的選?。好芊忾_啟轉(zhuǎn)速如若過低，燃料泵在到達額定轉(zhuǎn)速之前，會有較多的介質(zhì)通過密封唇口泄漏；密封開啟轉(zhuǎn)速如若過高甚至無法開啟，唇形密封圈就會因為唇口嚴(yán)重磨損而失效，進而影響密封可重復(fù)使用。

開啟轉(zhuǎn)速是唇形密封圈重要性能參數(shù)，影響密封啟動時的介質(zhì)泄漏量或可重復(fù)使用性。鑒于目前沒有可循的設(shè)計方法進行唇形密封圈開啟轉(zhuǎn)速的計算，只能采用試驗研究方法或者設(shè)計者經(jīng)驗進行產(chǎn)品設(shè)計。因此，開展液體火箭發(fā)動機燃料泵用唇形密封圈開啟特性的研究，對提高密封產(chǎn)品可靠性以及節(jié)約設(shè)計成本至關(guān)重要。本文在建立唇形密封圈臨界開啟判據(jù)和數(shù)值計算模型的基礎(chǔ)上，研究了其開啟性能，即求解了臨界開啟轉(zhuǎn)速。分析了設(shè)計參數(shù)和操作參數(shù)對唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，并且進行了唇形密封圈水運轉(zhuǎn)試驗，對數(shù)值計算結(jié)果進行了驗證。研究結(jié)果對唇形密封圈實際設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

1 基本結(jié)構(gòu)及受力分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)

唇形密封圈基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由橡膠體、骨架和緊箍彈簧3部分組成，其中橡膠體是關(guān)鍵部分，密封唇口與密封殼體過盈配合，發(fā)動機靜止時起密封作用，阻止泵腔燃料泄漏。橡膠體腰部可維持必要的彈性，以保證適應(yīng)轉(zhuǎn)軸的偏心與浮動。骨架的功能在于增大唇形密封圈的剛度，防止裝配時橡膠體變形過大，并便于安裝。緊箍彈簧的作用在于箍緊唇口，使其具有適當(dāng)?shù)膹较蛄?，保證唇口有良好的密封性能，同時唇口磨損后能自動補償。

圖1 唇形密封圈基本結(jié)構(gòu)及受力分析Fig.1 Fundamental structure and mechanics analysis of lip seals

1.2 受力分析

為研究唇形密封圈開啟性能，對其開啟時的受力進行了分析，如圖1所示。阻止唇形密封圈開啟的力包括彈簧緊箍力Fs、唇形密封圈自身回復(fù)彈力Ft以及流體作用力Fp，促使唇形密封圈開啟的力為離心力Fω。緊箍彈簧的拉伸量和剛度越大，彈簧緊箍力Fs也越大；在唇形密封圈橡膠體材質(zhì)一定的情況下，橡膠體腰部越短，截面尺寸越寬，回復(fù)彈力Ft越大；流體作用力Fp和唇形密封圈唇部上方的流體壓力p大小有關(guān)。

2 開啟特性數(shù)值計算

2.1 臨界開啟判據(jù)

發(fā)動機啟動后，唇形密封圈在離心力的作用下，密封唇口與密封殼體的過盈量逐漸減小，當(dāng)過盈量變?yōu)榱銜r，唇形密封圈臨界開啟，此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為臨界開啟轉(zhuǎn)速no（如圖2所示）。臨界開啟轉(zhuǎn)速表征了唇形密封圈的開啟性能，為求解臨界開啟轉(zhuǎn)速，需建立臨界開啟判據(jù)：發(fā)動機運轉(zhuǎn)后，當(dāng)密封唇口的徑向位移δy等于初始過盈量σ時，唇口與密封殼體處于臨界非接觸狀態(tài)，唇形密封圈臨界開啟。臨界開啟條件為

圖2 唇形密封圈臨界開啟示意圖Fig.2 Schematic of lip seals critical opening

2.2 數(shù)值計算模型

根據(jù)唇形密封圈安裝結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件建立了其臨界開啟轉(zhuǎn)速二維數(shù)值計算模型，如圖3所示。其中在邊界A1-A8加載流體壓力p（Pressure），A5點加載彈簧緊箍力Fs（Force），此外，整個唇形密封圈加載繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角速度ω（Rotational Velocity）。

圖3 唇形密封圈脫開轉(zhuǎn)速數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model of lip seal separation rotary speed

2.3 邊界條件的確定

回復(fù)彈力Ft與橡膠體材質(zhì)的物理性能以及唇形密封圈結(jié)構(gòu)有關(guān)，數(shù)值計算時可根據(jù)所建立的模型自動確定，不用人為加載，其余邊界條件確定如下：

1）流體壓力p

唇形密封圈邊界A1～A8加載的流體壓力邊界，其值等于泵入口壓力pin減去液封輪密封能力Δp：

液封輪密封能力由下式計算：

式中：ρ為燃料密度；ω為轉(zhuǎn)軸角速度；k為增壓系數(shù)，一般為0.8～0.9；ri和ro分別為液封輪葉片內(nèi)外經(jīng)。

2）彈簧緊箍力Fs

彈簧緊箍力Fs可以通過如圖4所示的受力分析進行計算。

圖4 緊箍彈簧受力分析示意圖Fig.4 Mechanics analysis of hoop fastening spring

圖中T為彈簧張力，F(xiàn)為唇形密封圈作用在彈簧上的反力。選取角度為θ的一部分彈簧進行受力分析，豎直方向受力平衡，有如下關(guān)系式：

當(dāng)θ很小時，sin（θ/2）≈θ/2，所以式（4）可以變?yōu)椋?/p>

所以唇形密封圈作用在彈簧單位長度上的力f為

根據(jù)作用力與反作用力，可求得唇形密封圈單位長度上的彈簧緊箍力Fs：

3）轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角速度ω

轉(zhuǎn)軸角度速度可由轉(zhuǎn)速n計算，如下式：

2.4 計算流程

唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速計算流程如圖5所示。首先給定轉(zhuǎn)軸速度n，加載全部的邊界條件，數(shù)值計算唇口徑向位移δy，當(dāng)唇口徑向位移滿足臨界開啟判據(jù)時，給定的轉(zhuǎn)速n即為唇形密封圈的臨界開啟轉(zhuǎn)速。若不滿足臨界開啟判據(jù)，對給定的轉(zhuǎn)速進行修正，重新計算直到結(jié)束。

圖5 唇形密封圈開啟轉(zhuǎn)速數(shù)值計算流程Fig.5 Numerical calculation process for critical opening rotary speed of lip seal

3 計算結(jié)果及分析

3.1 臨界開啟轉(zhuǎn)速計算

橡膠是一種超彈材料，不同種類的橡膠具有不同應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型。本文計算時選定ANSYS材料庫中與唇形密封圈橡膠材料相近的材料本構(gòu)模型，其余主要計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)Tab.1 Calculated parameters of lip seal

在表1所示的計算參數(shù)下，數(shù)值求解了唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速，其值為8 998 r/min，此時唇形密封圈唇口徑向變形量為0.601 mm，等于其裝配過盈量0.6 mm，唇形密封圈臨界開啟，唇口與密封殼體處于非接觸狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)軸速度繼續(xù)上升，唇口徑向變形量越大，開啟間隙越大。

3.2 彈簧緊箍力對臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響

選取燃料泵入口壓力0.4 MPa，唇口過盈量0.6 mm，研究了彈簧緊箍力對唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，如圖6所示。

圖6 彈簧緊箍力對臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響Fig.6 Influence of spring hoop fastening force on critical opening rotary speed

由圖可知，隨著彈簧緊箍力的增加，唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速呈線性增加。彈簧緊箍力的選取應(yīng)該適當(dāng)：緊箍力過小，唇形密封圈靜態(tài)密封性不好，發(fā)動機停機時也不利于唇口的閉合；緊箍力過大，雖然有利于提高唇形密封圈靜態(tài)氣密性，但是會導(dǎo)致臨界開啟轉(zhuǎn)速過高，不利于脫開。泵入口壓力較高時，彈簧緊箍力的選取不能過高，一般情況下彈簧緊箍力的選取范圍為0.1～0.3 N/mm。

3.3 唇口過盈量對臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響

選取燃料泵入口壓力0.4 MPa，彈簧緊箍力0.1 N/mm，研究了唇口過盈量對唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，如圖7所示。

圖7 唇口過盈量對臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響Fig.7 Influence of lip-opening interference magnitude on critical opening rotary speed

由圖可知，當(dāng)唇形密封圈唇口過盈量從0.1 mm增加到0.8 mm時，臨界脫開轉(zhuǎn)速從8 925 r/min增加到9 018 r/min，增加量僅為1%，可知唇口過盈量對臨界開啟轉(zhuǎn)速影響較小。唇口過盈量也應(yīng)適當(dāng)選?。哼^盈量過小，唇形密封圈靜態(tài)密封性不好；過盈量過大，唇形密封圈開啟前摩擦功耗大，加劇唇口磨損，影響多次使用。推薦唇形密封圈唇口過盈量選用范圍為0.3～0.6 mm。

3.4 泵入口壓力對臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響

選取唇口過盈量0.6mm，彈簧緊箍力0.1 N/mm，研究了泵入口壓力對唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律，如圖8所示。

由圖可知，當(dāng)泵入口壓力從0.2 MPa增加到0.8 MPa時，臨界開啟轉(zhuǎn)速從5 635 r/min增加到13 375 r/min，增加量為137.3%，可知泵入口壓力對臨界開啟轉(zhuǎn)速影響較大。

圖8 泵入口壓力對臨界開啟轉(zhuǎn)速的影響Fig.8 Influence of pump inlet pressure on critical opening rotary speed

4 試驗研究

對唇形密封圈進行了水運轉(zhuǎn)試驗，以研究其開啟性能。通過同步測量唇形密封圈的泄漏量和轉(zhuǎn)軸速度，就可測得唇形密封圈的臨界開啟轉(zhuǎn)速。在不同泵入口壓力下，試驗研究了唇形密封圈水運轉(zhuǎn)臨界開啟轉(zhuǎn)速，并與數(shù)值計算結(jié)果進行了對比分析，如圖9所示。由圖可知，泵入口壓力從0.4～0.75 MPa變化時，臨界開啟轉(zhuǎn)速理論研究結(jié)果與試驗研究結(jié)果偏差范圍為2%～7.2%，此偏差可以接受，表明本文關(guān)于唇形密封圈開啟轉(zhuǎn)速數(shù)值計算模型的建立是正確，能夠指導(dǎo)密封的實際設(shè)計。

圖9 理論計算和試驗數(shù)據(jù)對比Fig.9 Contrast of theoretically-calculated result and experiment data

5 結(jié)論

建立了液體火箭發(fā)動機用唇形密封圈開啟轉(zhuǎn)速數(shù)值計算模型，提出了臨界開啟判據(jù)并進行了相關(guān)的水運轉(zhuǎn)試驗研究。主要結(jié)論為：隨著彈簧緊箍力增加，唇形密封圈臨界開啟轉(zhuǎn)速呈線性增加；泵入口壓力較高時，彈簧緊箍力的選取不能過高，一般情況下彈簧緊箍力的選取范圍為0.1～0.3 N/mm；唇口過盈量對臨界開啟轉(zhuǎn)速影響較小，推薦唇形密封圈唇口過盈量選用范圍為0.3～0.6 mm；泵入口壓力對臨界開啟轉(zhuǎn)速影響較大。

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（編輯：陳紅霞）

Research on opening characteristics of rotary lip seals

ZHANG Shuqiang，TAO Zheng，CHEN Jie，WANG Liang，ZHAO Weigang
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

In order to research the opening behaviors of the rotary lip seals，which are vitally important for their repeated application，the critical opening criterion and numerical calculation model of the rotary lip seals were established to solve the critical opening rotary speed.The influences of spring hoop fastening force，interference magnitude of lip-opening and pump inlet pressure on the critical openingrotaryspeed were analyzed.The test oflip seals was performed in the medium of water. The results show that the critical opening rotary speed increases linearly with increase of spring hoop fastening force，thus the range of the recommendable value of spring hoop fastening force is 0.1～0.3 N/mm；when the interference magnitude oflip-openingincreases from 0.1 mm to 0.8mm，the increment of the critical opening rotaryspeed is only increased by 1%，thus the range of the recommendable value of interference magnitude of lip-opening is 0.3～0.6 mm；the pump inlet pressure results in big influence on critical opening rotary speed，thus the spring hoop fastening force should be decreased to reduce the critical opening rotary speed when the pump inlet pressure is higher.The deviation range of the theoretical research and test results is 2%～7.2%when the pump inlet pressure changes in the range of 0.4～0.75 MPa.

rotary lip seals；opening characteristic；experiment research

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0052-06

2015-11-05；

2016-06-06

張樹強（1986—），男，碩士，主要研究領(lǐng)域為流體密封技術(shù)