賈春強(qiáng) 夏文龍 楊晰越 岳國(guó)棟

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110168)

液壓鑿巖機(jī)是典型的鉆孔設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦山開(kāi)采工作。由于工況復(fù)雜，釬尾與沖洗頭之間的密封圈既受到旋轉(zhuǎn)與高頻沖擊運(yùn)動(dòng)的復(fù)合作用，又受到水介質(zhì)潤(rùn)滑不足的影響，極易產(chǎn)生泄漏問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)密封性能展開(kāi)了較為深入的研究。王忠、趙河明等[1-2]通過(guò)建立有限元模型，分析了過(guò)盈量、旋轉(zhuǎn)速度、摩擦因數(shù)及流體壓力等對(duì)密封圈密封性能的影響。楊化林、鄭輝、張鎮(zhèn)國(guó)等[3-5]分析了密封區(qū)的油膜厚度和壓力分布情況。張康雷、李紅振等[6-7]分析了往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期的內(nèi)泄漏量及不同形狀密封圈密封性能。張東葛等[8]利用ANSYS 對(duì)Y形密封圈在不同工作壓力下的變形與受力情況進(jìn)行分析，得出上、下唇最大接觸壓力隨油壓變化的關(guān)系。郭飛等人[9]建立了旋轉(zhuǎn)軸唇封的混合潤(rùn)滑模型，分析了旋轉(zhuǎn)速度對(duì)密封性能的影響。王國(guó)榮等[10]分析了工作壓力、密封間隙、往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度、摩擦因數(shù)對(duì)往復(fù)密封軸用Y 形密封圈密封性能的影響規(guī)律。楊化林等[11]建立了油封唇口密封區(qū)流體潤(rùn)滑的模型，獲得了密封區(qū)的油膜厚度和壓力分布，結(jié)果表明激振頻率和振幅對(duì)密封性能有一定影響。THATTE 和SALANT[12-13]的研究表明，當(dāng)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，Y形密封圈的密封性能隨時(shí)間產(chǎn)生相應(yīng)的變化規(guī)律。

但是上述文獻(xiàn)主要研究的是單一的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封或往復(fù)動(dòng)密封在勻速穩(wěn)態(tài)下的密封性能及泄漏特性，而對(duì)旋轉(zhuǎn)和沖擊復(fù)合作用下的動(dòng)密封特性研究較少，無(wú)法揭示其動(dòng)態(tài)密封性能和泄漏情況。因此，本文作者綜合考慮沖擊過(guò)程變速度的影響，以旋轉(zhuǎn)往復(fù)式鑿巖機(jī)水封為研究對(duì)象，建立了復(fù)合運(yùn)動(dòng)下鑿巖機(jī)水封的泄漏量計(jì)算模型，分析了在不同因素影響下水封最大接觸壓力和泄漏量的變化情況，為鑿巖機(jī)水封的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一定的參考。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)水封由釬尾、沖洗殼體及Y形圈組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。釬尾與Y形圈水封唇口形成密封區(qū)域，為防止釬尾在高頻沖擊運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)泄漏，采用Y形圈與釬尾直接接觸，通過(guò)過(guò)盈配合產(chǎn)生接觸壓力，同時(shí)沖洗水側(cè)與空氣側(cè)之間形成一層水膜，兩者共同作用實(shí)現(xiàn)密封。運(yùn)動(dòng)時(shí)依靠Y形圈唇口獨(dú)特的壓力分布，通過(guò)使內(nèi)行程實(shí)時(shí)泄漏量大于外行程實(shí)時(shí)泄漏量，產(chǎn)生流量差，將泄漏的潤(rùn)滑液帶回密封區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)密封。

圖1 旋轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)示意Fig 1 Schematic of flushing mechanism of rotary impact rock drill

1.2 變速度鑿巖機(jī)水封泄漏模型

由于釬尾做周期性沖擊運(yùn)動(dòng)和勻速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)水封靜止不動(dòng)，可將釬尾的往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，取其中一個(gè)周期進(jìn)行研究，其中0～T/2為內(nèi)行程，T/2～T為外行程，可得釬尾沖擊運(yùn)動(dòng)速度方程為

u(t)=Awsin(ωt)

ω=2πf

(1)

式中:A為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)沖擊振幅；f為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)沖擊頻率；t為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

考慮到膜厚遠(yuǎn)小于釬尾直徑，忽略水膜曲率的變化，建立旋轉(zhuǎn)往復(fù)式?jīng)_洗機(jī)構(gòu)唇口密封區(qū)流體潤(rùn)滑數(shù)值模型，通過(guò)求解雷諾方程分析密封區(qū)的流體力學(xué)特性。雷諾方程可寫(xiě)為

(2)

式中：ui、vi、wi(i=1,2)分別為2個(gè)密封結(jié)合表面在x、y、z方向的速度；h為密封間隙間距；η為動(dòng)力黏度；p為流體壓力。

根據(jù)模型運(yùn)動(dòng)情況，沖洗殼體與密封件相對(duì)靜止，密封界面膜可視為環(huán)形對(duì)稱(chēng)間隙，泄漏主要由釬尾沖擊方向上的運(yùn)動(dòng)引起，因此可簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)的雷諾方程:

(3)

式中：h*為最大壓力處膜高。

由式(3)可以得到

(4)

式中：E為內(nèi)外行程壓力梯度最大點(diǎn)(d2p/dx2=0)；hE為點(diǎn)E處油膜厚度；uE為點(diǎn)E處速度。

將式(4)代入式(3)得

(5)

式中：wE為內(nèi)外行程最大壓力梯度。

在最大壓力點(diǎn),膜上的流動(dòng)速度從u線(xiàn)性減少到0。在界面外的大氣側(cè),膜具有勻速u(mài)。因此,其膜厚h0為h*的1/2。即

(6)

針對(duì)旋轉(zhuǎn)往復(fù)式鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)n等分，運(yùn)用微積分方法，可以得出任一時(shí)刻的釬尾沖擊速度及其對(duì)應(yīng)的膜厚方程為

(7)

假設(shè)d為釬尾直徑,L為t時(shí)刻的行程,可得t時(shí)刻的實(shí)時(shí)泄漏量為

Vt=πdLht

(8)

則一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的凈泄漏量為

(9)

2 有限元分析模型

2.1 有限元模型

為了求得泄漏量，必須求得每一時(shí)刻每一沖擊速度下的接觸壓力，以計(jì)算出壓力梯度變化。采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)水封唇口進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，求得各階段的接觸壓力分布。建立沖洗殼體、Y形密封圈、釬尾的三維模型，如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig 2 Finite element model

2.2 模型的參數(shù)

Y形圈材料為聚氨酯，通過(guò)三參數(shù)Mooney-Rivlin模型[14]定義，取C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa，密度為1.17 g/cm3。沖擊殼體和釬尾材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。

2.3 邊界條件及分析步驟

根據(jù)模型的空間位置，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)劃分為3個(gè)分析步。第一步：對(duì)釬尾施加位移，從而實(shí)現(xiàn)裝配并對(duì)密封圈施加預(yù)壓縮；第二步：逐步施加沖洗水壓，直至水壓達(dá)到工作壓力；第三步:對(duì)釬尾施加旋轉(zhuǎn)沖擊運(yùn)動(dòng)。

2.4 仿真模型與方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的正確性，選擇Y形圈動(dòng)密封相關(guān)經(jīng)典文獻(xiàn)[15]進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以摩擦力為目標(biāo)參數(shù)。在文中Y形圈三維模型的基礎(chǔ)上設(shè)置與其相同的參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，將接觸壓力分布情況導(dǎo)入origin中進(jìn)行分析,結(jié)合式(10)求得Y形圈密封接觸面上的摩擦力變化規(guī)律。

(10)

式中：f為密封件所受摩擦力；μx為x位置處的摩擦因數(shù)；D為摩擦平面的直徑；px為x位置處的接觸壓力；x為在沖擊運(yùn)動(dòng)方向上的接觸長(zhǎng)度。

將文中仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[15]實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖3所示。可知文中模型數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[15]實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，兩者差異在8%以?xún)?nèi)，吻合度較高表明文中所使用的有限元模型對(duì)于密封面接觸壓力的計(jì)算具有較高的精度。

圖3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig 3 Comparison of simulation results and experimental results

3 有限元仿真結(jié)果和分析

3.1 沖擊速度幅值對(duì)密封性能的影響

為研究沖擊速度幅值對(duì)密封性能的影響，取沖擊速度幅值分別為157、235、314、392 mm/s，在水壓3 MPa、沖擊頻率50 Hz、旋轉(zhuǎn)速度350 r/min、摩擦因數(shù)0.3的條件下，分析密封區(qū)最大接觸壓力在一個(gè)周期內(nèi)的變化情況，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 沖擊速度幅值對(duì)最大接觸壓力的影響Fig 4 The influence of impact velocity amplitude onthe maximum contact pressure

從圖4可以看出：隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化，最大接觸壓力在沖擊速度最大處出現(xiàn)峰值，在速度為0時(shí)為靜摩擦，此時(shí)最大接觸應(yīng)力有所增大。外行程的最大接觸壓力整體大于同位置的內(nèi)行程的最大接觸壓力，外行程最大接觸壓力隨速度幅值的增大而增大，內(nèi)行程則相反。這是因?yàn)樵谕庑谐虝r(shí)，由于唇口方向與釬尾的運(yùn)動(dòng)方向相反，在摩擦力的作用下變形較大，接觸壓力較大，隨速度的增加，最大接觸壓力增大；而在內(nèi)行程，密封唇開(kāi)口方向與釬尾相同，在摩擦力的作用下處于拉長(zhǎng)的狀態(tài)，變形較小，所以唇峰處的接觸壓力較小，隨速度的增加最大接觸應(yīng)力變小。

將接觸壓力分布的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后代入到公式(1)—(9)，可求得不同速度幅值條件下，隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間變化的實(shí)時(shí)泄漏量，如圖5所示，以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的凈泄漏率，如圖6所示。

由圖5可知，內(nèi)行程的實(shí)時(shí)泄漏量曲線(xiàn)較陡峭，外行程曲線(xiàn)整體較平緩。這是因?yàn)閮?nèi)行程時(shí)沖擊速度越大，最大接觸壓力越小，最大壓力梯度越小,由公式(7)可知膜厚變化越大，實(shí)時(shí)泄漏量隨速度變化越大；外行程時(shí)沖擊速度越大，最大接觸壓力越大，最大壓力梯度越大，由公式(7)可知，水膜厚度變化較小。在速度為0時(shí)，泄漏量為0，這是因?yàn)槟Ｐ痛藭r(shí)停止運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生泄漏。

圖5 不同沖擊速度幅值下的實(shí)時(shí)泄漏量Fig 5 Real-time leakage under differentimpact velocity amplitudes

由圖6可知，沖擊速度幅值越大浄泄漏率越大，在沖擊速度幅值較小時(shí)泄漏率為負(fù)值，出現(xiàn)泵汲現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著速度幅值的增大，外行程整體膜厚增大速度比內(nèi)行程大，泄漏率越來(lái)越大。在速度幅值較低時(shí)速度對(duì)油膜厚度的影響較小，內(nèi)行程最大壓力梯度比外行程小，膜厚較大，實(shí)時(shí)泄漏量大于外行程，此時(shí)泄漏率出現(xiàn)負(fù)值；隨著速度幅值的增大，外行程的整體水膜厚度越來(lái)越大，逐漸大于內(nèi)行程，發(fā)生泄漏現(xiàn)象。一定程度上減小沖擊速度幅值，可以有效增加該工況下的密封性能。

圖6 不同速度幅值下的浄泄漏率Fig 6 Net leakage rate under different speed amplitudes

3.2 沖洗水壓力對(duì)密封性能的影響

為研究沖洗水壓對(duì)旋轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機(jī)密封性能的影響，壓力分別取1、2、3、4 MPa，沖擊速度幅值選取314 mm/s，其他參數(shù)不變，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖7—9所示。

圖7 液體壓力對(duì)最大接觸壓力的影響Fig 7 The influence of liquid pressure on themaximum contact pressure

圖7表明：Y形密封圈最大接觸壓力隨著液體壓力的增大而增大。這是因?yàn)橐后w壓力主要作用于唇口位置，旋轉(zhuǎn)沖擊式水封在工作過(guò)程中，Y形密封圈的變形量隨著液體壓力的增大而增大，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，使最大接觸壓力變大。

圖8表明，隨著液體壓力變大，實(shí)時(shí)泄漏量變小，且實(shí)時(shí)泄漏量在不同壓力下的數(shù)值相差較大，對(duì)壓力變化比較敏感。這是因?yàn)閅形圈非密封面受到的流體壓力增大，同時(shí)密封面的入口壓力也增大，但密封區(qū)域流體壓力分布形式基本不變，從密封內(nèi)側(cè)到外側(cè)遞減。因此，密封端面的最大壓力梯度會(huì)增大，使密封唇口區(qū)域膜厚變小[16]，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)泄漏量減??；密封區(qū)域的寬度很小，而密封工作時(shí)的流體介質(zhì)壓力很大，因此實(shí)時(shí)泄漏量對(duì)壓力變化很敏感。

圖8 不同液體壓力幅值下的實(shí)時(shí)泄漏量Fig 8 Real-time leakage under differentliquid pressure amplitudes

圖9表明，凈泄漏率隨液體壓力增大先減小后增大。原因是沖洗水壓力較小時(shí)，隨著沖洗水壓的增大，內(nèi)行程壓力梯度的增大速度小于外行程，膜厚相對(duì)增大較大，實(shí)時(shí)泄漏量大于外行程，一個(gè)工作周期內(nèi)的凈泄漏量逐漸減小。但是當(dāng)沖洗水壓力過(guò)大時(shí)，內(nèi)行程壓力梯度的增大速度大于外行程，膜厚相對(duì)增大較小，實(shí)時(shí)泄漏量小于外行程，凈泄漏量逐漸增加。由此可知，密封保持中等沖洗水壓力時(shí),可以有效減少凈泄漏量。

圖9 不同液體壓力下的凈泄漏率Fig 9 Net leakage rate under different liquid pressure

3.3 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)密封性能的影響

為研究釬尾旋轉(zhuǎn)速度對(duì)旋轉(zhuǎn)沖擊式鑿巖機(jī)密封性能的影響，分別取旋轉(zhuǎn)速度為0、150、250、350 r/min，其他參數(shù)不變，進(jìn)行仿真分析與數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖10—12所示。

由圖10可知，轉(zhuǎn)速對(duì)最大接觸壓力的影響不大，且與內(nèi)外行程有關(guān)，內(nèi)行程轉(zhuǎn)速越大最大接觸壓力越大，外行程則相反；無(wú)轉(zhuǎn)速時(shí)的最大接觸壓力明顯小于有轉(zhuǎn)速時(shí)的最大接觸壓力。這是因?yàn)閮?nèi)行程旋轉(zhuǎn)沖擊運(yùn)動(dòng)的合力與密封件唇口開(kāi)口方向一致，加大轉(zhuǎn)速使合力向周向偏移，使得變形量增大，最大接觸壓力增大，外行程則相反。

圖10 轉(zhuǎn)速對(duì)最大接觸壓力的影響Fig 10 The influence of speed on themaximum contact pressure

由圖11可知，旋轉(zhuǎn)沖擊式水封唇口釬尾轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)時(shí)泄漏量的影響較小，數(shù)值比較接近。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的作用主要在對(duì)液體的離心作用，轉(zhuǎn)速增大會(huì)使密封面流體離心力增大，加速流體沿徑向的流動(dòng)，但由于密封面徑向?qū)挾刃?，離心作用不明顯，故實(shí)時(shí)泄漏量對(duì)轉(zhuǎn)速不敏感。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的實(shí)時(shí)泄漏量Fig 11 Real-time leakage at different speeds

圖12表明，在一定范圍內(nèi)，凈泄漏量隨轉(zhuǎn)速增大而減小，出現(xiàn)負(fù)值，產(chǎn)生泵汲現(xiàn)象。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增大時(shí)，內(nèi)行程壓力梯度的變化小于外行程，整體膜厚增大速度大于外行程，從而降低泄漏率。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速有利于提升旋轉(zhuǎn)沖擊型釬尾水封的密封性能。

圖12 不同旋轉(zhuǎn)速度下的凈泄漏率Fig 12 Net leakage rate at different rotation speeds

4 結(jié)論

(1)建立旋轉(zhuǎn)沖擊作用下鑿巖機(jī)水封唇口密封區(qū)流體潤(rùn)滑的數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證，結(jié)果表明模型可用于預(yù)測(cè)水封唇口密封性能。

(2)在不同沖擊速度作用下，最大接觸壓力的變化趨勢(shì)整體上與速度變化一致，同時(shí)外行程的最大接觸壓力整體大于同位置的內(nèi)行程的最大接觸壓力。外行程最大接觸壓力隨速度的增大而增大，內(nèi)行程則相反。沖擊速度幅值越大，實(shí)時(shí)泄漏量越大，一個(gè)周期內(nèi)的凈泄漏率越大。

(3)隨液體壓力增大最大接觸應(yīng)力變大，實(shí)時(shí)泄漏量變小，凈泄漏率先變小再變大，表明中等壓力下的密封性能更好。

(4)轉(zhuǎn)速對(duì)最大接觸壓力的影響與內(nèi)外行程有關(guān)，內(nèi)行程轉(zhuǎn)速越大最大接觸壓力越大，外行程則相反。無(wú)轉(zhuǎn)速時(shí)的接觸壓力明顯小于有轉(zhuǎn)速時(shí)的接觸壓力。轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)時(shí)泄漏量的影響較小，凈泄漏量隨轉(zhuǎn)速增大而減小，在一定范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速有利于提升密封性能。