水下低速旋轉(zhuǎn)動密封性能試驗研究

水下低速旋轉(zhuǎn)動密封性能試驗研究

軸向旋轉(zhuǎn)運動廣泛應(yīng)用于水中的操作設(shè)備中，其動密封能力對水上操作設(shè)備的性能、維護和壽命非常重要。在基于填料密封元件的旋轉(zhuǎn)動密封中,當水下設(shè)備工作深度較小時(通常小于30m),一般采用多層填料密封元件即可達到較好的動密封效果,而工作深度較大時需要對設(shè)備內(nèi)部進行充油,并通過環(huán)境壓力補償裝置對設(shè)備內(nèi)部增壓以保證其水密性本文針對O形圈、格萊圈、車氏密封及泛塞等4種在理論分析中均具有較好低速旋轉(zhuǎn)動密封性能的填料密封元件,首先分別進行試驗裝置設(shè)計,然后在2MPa工作深度且未采用壓力補償?shù)墓r下進行試驗驗證,最后給出動密封性能對比分析。1密封方法1.1摩擦軸力分析O形圈是水下設(shè)備中一種被最為廣泛應(yīng)用的填料密封元件圖1中,O形圈與旋轉(zhuǎn)軸間存在滑動摩擦,摩擦力大小與旋轉(zhuǎn)軸表面粗糙度、O形圈壓縮率等有關(guān)。為降低旋轉(zhuǎn)摩擦阻力,同時考慮O形圈的卡夫焦耳效應(yīng),在選用O形圈時內(nèi)徑較旋轉(zhuǎn)軸徑大3%～5%,外徑壓縮率控制在5%～10%,旋轉(zhuǎn)軸與O形圈接觸面粗糙度Ra0.1～0.2。1.2高速、低頻旋轉(zhuǎn)動密封格萊圈通常由改性的聚四氟乙烯密封圈和O形圈組合而成,其中密封圈與旋轉(zhuǎn)軸接觸并實現(xiàn)動密封,而O形圈提供徑向壓力并對密封圈磨損進行補償格萊圈的優(yōu)勢在于解決了O形圈的啟動爬行、黏滯等問題,在高速、低速旋轉(zhuǎn)動密封中均有廣泛應(yīng)用。格萊圈通?？芍苯痈鶕?jù)產(chǎn)品手冊進行選用。需要注意的是,當旋轉(zhuǎn)軸徑較小時應(yīng)當使用相應(yīng)的工裝進行安裝,以免密封圈損傷而影響動密封性能。1.3車氏密封分體式設(shè)計的現(xiàn)代發(fā)展現(xiàn)狀車氏密封是我國自主研發(fā)的一型填料密封元件,在各種高壓水、油系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用工況的不同,可分為齒形、J形、C形、U形等多種形狀車氏密封與格萊圈具有一定的相似性,都是由改性的聚四氟乙烯密封圈和O形圈組合而成,其區(qū)別主要在于密封圈的形狀。當旋轉(zhuǎn)軸徑較小時,可采用圖3所示的分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案布置車氏密封。在選用該型車氏密封時應(yīng)注意密封元件的安裝方向。1.4外部壓力下的動密封力泛塞又稱彈簧蓄能密封圈,其由非金屬密封夾套和金屬彈簧組合而成圖4中,當外側(cè)水壓較低時,主要有金屬彈簧提供密封力,而隨著外側(cè)壓力升高,主要密封力由外部壓力來提供,從而保證不同壓力下的動密封性能。由于泛塞背面不具有水密性,因此,在泛塞安裝環(huán)上設(shè)置O形圈以進行水密。2填料密封試驗設(shè)備為測試不同填料密封方式的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能,設(shè)計圖5所示測試方案進行試驗。壓力容器中介質(zhì)為水,其上安裝有壓力表能夠顯示壓力信息。壓力容器通過手動壓力泵進行加壓。測試裝置內(nèi)部未采用環(huán)境壓力補償,每種填料密封元件均采用雙層設(shè)置。試驗中選用的O形圈、格萊圈、車氏密封及泛塞等填料密封元件的型號規(guī)格信息如表1所示。測試裝置除旋轉(zhuǎn)軸選用316L不銹鋼材料外,其他各零部件均選用7075鋁合金材料,零件表面未進行表面處理。測試裝置內(nèi)部采用帶行星減速器的步進電動機驅(qū)動,減速器輸出軸與旋轉(zhuǎn)軸連接并帶動旋轉(zhuǎn)軸正反向旋轉(zhuǎn)。如圖5所示,將測試裝置放入壓力容器后,在外部加壓裝置作用下壓力容器內(nèi)壓力緩慢加至2MPa,然后由外置的控制器控制步進電動機正反向切換旋轉(zhuǎn),經(jīng)減速后旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為15r/min,正反向切換周期為3s,單種密封元件連續(xù)工作100h。3同方式對密封元件的磨損嚴重測試結(jié)束后,拆開測試裝置并檢測電動機內(nèi)部漏水情況,試驗結(jié)果如表2所示。從拆解后測量的漏水量來看,格萊圈和車氏密封的泄漏量最大可達9ml,而65mm泛塞的泄漏量在5ml左右。測試結(jié)束后,不同方式下的填料密封元件均磨損嚴重,且制造旋轉(zhuǎn)軸采用的316L不銹鋼材料硬度較低,旋轉(zhuǎn)軸表面與密封元件接觸處均有一定的變形。需要說明的是,在2MPa深度環(huán)境下實際的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能與密封元件質(zhì)量、結(jié)構(gòu)件加工精度、旋轉(zhuǎn)軸表面粗糙度、裝配工藝等都有很大的關(guān)系。在后期多次的測試中也出現(xiàn)過軸徑24mm格萊圈漏水在1～2ml的現(xiàn)象。但是,多次試驗顯示的測試結(jié)果基本與表2相符。因此,表2測試結(jié)果基本能夠說明4種不同填料密封元件在2MPa壓力且未采用壓力補償?shù)乃伦鳂I(yè)裝置中100h長時間連續(xù)工作時的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能,即O形圈最優(yōu),泛塞次之,而格萊圈和車氏密封相對較差。4選用壓力補償?shù)膭用芊庠疚尼槍形圈、格萊圈、車氏密封及泛塞等4種填料密封元件的水下低速旋轉(zhuǎn)動密封性能進行了測試研究,其主要結(jié)論如下。(1)在4種方式中,基于O形圈的低速旋轉(zhuǎn)動密封性能最優(yōu),且結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝均較簡單。但是,O形圈存在啟動爬行、粘滯等問題,且長時間工作后O形圈磨損較嚴重。因此,對于未采用壓力補償?shù)膭用芊饪蓛?yōu)先選用O形圈,而對于采用壓力補償?shù)膭用芊饪蛇x用格萊圈。(2)理論上密封元件可在軸用和孔用兩種方式中任意選擇。但是,密封元件旋轉(zhuǎn)接觸面的粗糙度對動密封性能具有很大的影響。若選擇軸用密封元件,當軸徑較小時內(nèi)孔表面粗糙度很難保證,建議優(yōu)先選用孔用密封元件,然后通過精車、拋光等處理降低旋轉(zhuǎn)軸表面粗糙度。(3)泛塞較O形圈啟動扭矩小,但外側(cè)水壓增大會增加泛塞對旋轉(zhuǎn)軸施加的密封力,而該密封力明顯大于格萊圈和車氏密封。在測試過程中亦曾出現(xiàn)過大壓力時電機轉(zhuǎn)矩不足而使旋轉(zhuǎn)軸卡死的情況。因此,在基于泛塞進行低速旋轉(zhuǎn)動密封設(shè)計時建議驅(qū)動源預(yù)留一定的轉(zhuǎn)矩余量。(4)本文考慮旋轉(zhuǎn)軸在海水中的耐腐蝕問題以及與外部設(shè)備連接的強度問題,測試裝置旋轉(zhuǎn)軸材料為316L。但316L硬度較低,其本身會影響動密封性能。因此,可對旋轉(zhuǎn)軸進行表面處理以提高硬度,或是更換其他耐腐蝕且硬度較