Kalsi型流体动压密封结构及其接触性质研究文档格式.docx
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降低密封接触面之间的接触比压,密封圈径向外侧静密封部分的材料硬度较低、较软而径向内侧动密封部分的材料硬度较高、较硬;
在冷却良好、轴孔偏差较小的室内实验条件下,当密封直径间隙为0305mm、运转线速度0315~3454m/s时密封压力高达350MPa,并展示了稳定的摩擦扭矩和低摩擦系数,在地面驱动采油螺杆泵的光杆密封装置中使用时有效降低了摩擦发热,甚至连续运转几年。
当然,由于制造过程较复杂,双硬度密封圈比同规格的单硬度密封圈要昂贵得多,目前有8种尺寸规格（径向截面尺寸8509~10541mm之间）。
厚油膜型密封圈的内侧开有若干沟槽,这种密封的运转摩擦扭矩和摩擦发热都较低,但启动摩擦扭矩较大、油膜厚度较大进而泄漏量较其它密封要大得多;
推荐用于压差大于4137MPa的严重磨粒性环境中,在低粘度润滑剂（甚至是水）、高线性速度下工作较成功;
目前有8种尺寸规格（内径11113~1076325mm之间）,可以根据用户的要求模压制造为单硬度橡胶圈、双硬度橡胶圈或是带沟槽形橡胶圈等形式。
出于压缩量等因素的考虑,Kalsi型流体动压密封圈的径向界面尺寸非常关键,因而其公差范围也比一般径向橡胶密封圈小;
由于大截面尺寸密封圈的压缩量较小,同时相应密封槽深度尺寸的公差带较大,因而在结构空间允许的情况下应尽可能地选用大截面尺寸密封圈。
此外,对于内外压差为零、甚至外压略大于内压的工作场合,为了防止常规型。
笔者就
该密封的结构和接触性质进行研究,以供我国相关
Kalsi型流体动压密封结构概述
1Kalsi型流体动压密封的相关情况
（1）密封圈类型KalsiEngineerting公司开发出售的各种流体动压圈结构,主要分为常规型、带槽型、双硬度型、厚油膜型、轴向约束型等。
其中常规型有82种尺寸规格（径向截面尺寸3683~14224mm之间、内径10008~419100mm之间）,工作时保持密封腔内外压差为正密封效果较好。
带槽型密封圈在靠近密封腔室外的一侧开有环形沟槽以获得较低的启动摩擦扭矩和运转摩擦扭矩,并降低自身的摩擦发热;
但建议在磨粒性环境或压差大于4137MPa的场合不使用该型密封圈,目前有3种尺寸规格（径向截面尺寸8509~
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石油机械2005年第33卷第5期
有效地清除磨粒,KalsiEngineering公司还特意开发了轴向约束型密封圈,采用ShoreA70~80的HSN材料,目前的径向截面尺寸为8509mm。
（2）与流体动压密封圈相配的轴及密封沟槽为了获得最优密封工作性能,除了密封圈本身以外,还要考虑密封沟槽宽度、深度、径向挤出间隙（或径向密封间隙）,以及轴的材料、表面硬度、表面粗糙度等因素。
图1给出推荐的密封沟槽几何尺寸（包括公差、半径以及表面粗糙度等）
。
少量的、有控制的泄漏将起到清洗作用以阻止磨粒侵入动密封面之间;
当动密封面间可能出现轴向运动时,其锐利的直角边还可产生刮洗作用,同样可避免磨粒侵入。
Kalsi型流体动压密封接触性质研究
1流体动压密封的研究方法
直观分析不难发现,动密封面之间油膜厚度的大小直接与密封圈材料、密封间隙以及装配压缩量有关,但要真正从理论上来计算确定油膜厚度的大小却具有相当的难度,这是与橡胶密封的固有特点分不开的:
∀橡胶材料具有非线性粘弹特性,计算力学变形特性比较复杂;
#可以不考虑粘压效应;
∃密封面间油膜压力的任何微小变化都会致使油膜厚度变化。
相对于齿轮、滚动轴承类的弹流润滑问题而言,流体动压柔性径向密封的机理研究可用软弹流来概称。
已有的软弹流理论研究要么采用预先简化的接触压力分布表达式,要么采用近似的有限元算法计算油膜压力作用下密封圈的变形量,但都未能实现真正意义上弹性变形方程与润滑方程的迭代求解,这是今后理论研究时应着重解决的问题。
可以采用MscMarc等有限元软件提取
[4,5]
特定结构尺寸下流体动压密封圈的刚度矩阵。
有关MSCMarc软件概况及算例见文献[6]。
2流体动压密封的接触性质研究
鉴于Kalsi型流体动压密封圈的结构种类较多,这里主要以其常规型密封圈作为计算对象,并将其与传统型密封圈、约束型密封圈进行比较。
（1）有限元模型所用Kalsi型流体动压密封圈的公称内径50mm、轴向尺寸635mm、径向尺寸686mm,对比用密封圈的主要基本尺寸、材料都相同。
图2、图3分别是Kalsi传统型和常规
型
图1Kalai型流体动压密封用密封沟槽结构示意图
必须对轴表面进行耐磨粒磨损的表面强化处理,KalsiEngineering公司迄今为止的研究表明,不论是对于磨粒性场合还是非磨粒性场合,采用高速WC表面喷涂都是最好的措施,此外还必须考虑
WC组分的耐腐蚀能力,例如对于油田井下场合,Ni基组分较Co基组分更能耐某些钻井液的腐蚀;
注意不要使用氧化铬涂层,因为这种涂层中的微结构会对密封造成损伤。
2流体动压密封工作机理
流体动压密封圈停车静止时密封机理与普通环形径向密封圈相同,但是由于密封圈与转轴接触靠近润滑脂一侧的内圆表面呈正弦波纹,因此稳定运转后具有如下特点。
（1）流体动压润滑作用密封面之间的相对线速度v在密封润滑脂侧垂直于波纹接触面上产生一速度分量,促使润滑脂进入动密封面之间产生1层弹性流体动压润滑膜,油膜厚度在动密封面间的径向和周向方向上都是变化的,在速度分量最大时油膜厚度也达到最大值。
当整个密封面间的动压润滑膜足够厚时就可以避免橡胶圈表面与转轴金属表面直接接触,由于密封圈在油膜上运转,所以大大降低了密封圈的磨损和由此而产生的摩擦热。
（2）阻止磨粒侵入作用密封圈与转轴的接触在靠近磨粒性环境的外侧边缘上是一锐利的直角边,这样设计是为了避免流体动压效应而阻止外界磨粒侵入密封面间;
由于流体动压润滑作用会使得少量润滑脂从外侧边缘漏出,在运转过程中,这一
图2Kalsi传统型密封圈结构有限元模型
密封圈的有限元模型图,图中显示了预装配后密封
2005年第33卷第5期陈家庆等:
Kalsi型流体动压密封结构及其接触性质研究!
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面之间的接触压力分布和密封圈变形。
有限元模型中,橡胶材料采用Mooney-Rivilin模型,材料常数C10、C01分别为187、047;
网格划分采用不可压缩轴对称四边形Herrmann单元,装配后压缩率为10%,润滑油压力为07MPa。
从图中可以看出,Kalsi常规型流体动压密封圈顶部的切槽影响了接触压力分布,
从而对密封性能产生影响。
而底部应力集中处接触压力小有利于形成油膜,降低轴与密封圈之间的摩擦,对于形成动压密封、延长密封圈工作寿命、提高设备运行性能大有裨益。
从图4中还可以看出,在相同压缩率下2种密封圈与轴的接触压力在中部和端部相差甚微,说明两者结构上的差异对此处压力影响较小,这部分接触压力是密封外部介质所必需的,Kalsi型流体动压密封圈并没有降低这方面的性能。
当压缩率较大时,接触压力会整体增大,但是分布状态并没有改变。
图4中显示在密封介质一侧的接触压力并不高,并不说明密封效果就差,橡胶圈变形后形成的唇形凸起有自紧密封作用,会增强密封效果,因此该侧通常采用垂直端面,但是如果该处变形过大,又会造成橡胶挤出现象,使橡胶损坏从而破坏密封。
（3）初装配对接触压力的影响密封圈的初装配状态对密封性能有重要影响,压缩率和润滑油压力是关键因素。
图5为轴径5206mm的轴在装
图3Kalsi常规型密封圈结构有限元模型
配时A点接触压力图,使Kalsi常规型密封圈,压缩率为15%,润滑油压力2MPa仿真过程共用30个加载步。
前10个加载步模拟了轴径的变化,当轴径逐步增大时,也就是说橡胶圈压缩率逐渐增大时,接触压力呈现几乎是线性增长,实际装配时这一过程是一步完成,但看不出变化规律。
后20个加载步模拟了润滑油压力的增加,10~13步内接触压力有所降低,这是由于密封圈被压向密封槽端面所致,
之后接触压力直线上升。
（2）轴向接触压力分布由图2知,传统型密封圈顶部没有切槽,装配后与密封槽全部接触,从接触压力分布上看,靠近密封槽端面压力较高,远离端面靠近润滑油侧压力较低;
底部与轴接触部分压力分布正好相反,并且在润滑油一侧的A点处出现应力集中。
如图3所示常规型密封圈顶部带有切槽,这使接触应力的分布发生了变化,由于接触面积减小,接触压力升高,且靠近润滑油侧压力更高;
而在底部压力分布虽与传统型相似,但是应力处的压力值却明显减小。
图4是2种密封分别在10%和15%压缩率下与轴接触部位的压力分布图,可以看出密封圈与轴的接触压力都有
这种趋
图5Kalsi型动压密封圈初装配时A点接触压力
从图4中可知,压缩率增大时,轴向接触压力会整体增大,在增强对外部介质的密封能力的同
图4
不同压缩率下轴向接触压力对比图
势。
从设备运行角度看,Kalsi型流体动压密封圈的这种压力分布能够更有效防止润滑油进入密封槽顶部,有助于增大对密封圈安装有利的静态摩擦;
时,也使产生油膜的条件变得恶劣,因此应综合考
虑2种因素,考虑到润滑油加压后橡胶圈变形产生的自密封作用,建议在保证密封的前提下,尽量采用较小的压缩率。
（4）当密封圈
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截面总尺寸一定时,上下切槽的尺寸对接触压力也会产生较大影响。
所用对比密封圈是在保持原尺寸不变的基础上,分别增大上下边沿1mm形成,称为B型、C型,原型称为A型。
如图6所示,上边沿增大时,接触压力会有小幅度的增加;
下边沿增大时,会造成接触压力的显著减小,特别是切槽侧应力集中处,这表明增大下边沿的长度能改善油膜形成条件,当然增大下边沿会增大该处的总接触力,降低润滑油流动性能,
对动压密封也不利。
力增大了数倍,但是中间缓,切槽侧有应力集中的趋势却没有改变。
采用硬质橡胶虽然能增强耐磨性,但是对形成动压膜却不利,因此为克服其缺点,KalsiEngineering公司还开发了双硬度型密封圈,限于篇幅,本文不做讨论。
结束语
（1）密封圈外侧切槽能减小内侧与轴接触部位的应力集中,对形成油膜环境是有利的,当切槽宽度大于内侧切槽宽度时,效果较好。
（2）密封圈在确保密封和强度的前提下,尽量采用硬度较软的橡胶材料。
（3）密封圈与轴应相匹配,不要使压缩率过大,建议采用10%左右的压缩率。
（4）对非约束型密封,润滑油的压力增大对接触压力的增大影响较为平缓,而且油压增大对油膜形成,保证密封圈与密封槽紧密贴合都有利,因此应尽量取大值,橡胶材料越硬油压应越高。
图6不同切槽宽度下的轴向接触压力
（5）约束型结构为了装配方便,密封槽宽度要略大于密封圈宽度,但是在内外压差较小的情况下,密封圈的扭曲变形会不利于密封,密封圈未与密封槽紧密贴合,留下的空隙会造成密封介质的进入。
因此Engineering公司又开发了约束型密封圈,其宽度与槽宽接近,当装配后,密封圈紧紧贴在槽壁上。
需要注意的是,润滑油侧应留有较大的空隙,否则会使密封介质侧的橡胶变形过大。
（6）材料密封圈的材料对接触压力的影响是最直接的,但是它并不改变接触压力的分布状态,如图7所示,其他条件不变,采用较硬的
橡
（5）如果能够采用动压密封实验台做模拟工况实验,对动压密封的理论研究、密封圈的研制和优化将是非常有益的。
参考文献
1陈家庆,徐林林,许宏奇流体动压密封技术及其在石油矿场机械中的应用石油机械,2002,30（3）:
53~552王复东旋转防喷器高压旋转动密封技术的探讨石油矿场机械,
2001,31
（1）:
19~21
3CressLA,RickStone,MikeTangedahlHistoryandde
velopmentofarotatingblowoutpreventerIADC/SPE239314段芳莉,韦云隆水润滑橡胶轴承的弹流润滑分析润滑与密封,
2001,
（3）:
5~7
2003,
16
5陈家庆,刘录,赵艳铃流体动压柔性径向密封技术的研究与应用石油化工高等学校学报,（3）:
43~48
2003,31
（2）:
1~3,14
6张宝生,陈家庆,蒋立培牙轮钻头单金属浮动密封结构的密封机理石油机械,
作者简介:
陈家庆,教授,生于1970年,1994年、
1997年先后获石油大学（北京）硕士和博士学位,现从事应用摩擦学、石油机械设计等方面的教学和科研工作。
地址:
图72种材料密封圈接触压力对比
（102617）北京市大兴区。
电话:
（010）81292291。
2005-02-25
（本文编辑王志权）
收稿日期:
胶,材料常数C10和C01分别为8和2,此时接触压
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