Page 65 - 《摩擦学学报》2020年第3期
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第 3 期 秦自臻, 等: PEEK旋转密封环密封性能仿真和试验研究 331
胀圈型旋转密封是一种用于旋转运动场合的接 本文中以PEEK材料的无槽环和V形槽环两种密
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触式流体密封 ，具有结构简单，尺寸紧凑，易于拆装 封环为研究对象，基于COMSOL软件建立了胀圈旋转
等特点. 随着各类旋转机械服役的环境温度、主轴转 密封流固耦合模型，考虑了密封面流体压力分布与密
速和密封介质压力的提高，密封环出现了严重磨损和 封环受力变形的耦合作用，并计算了密封环的摩擦转
热变形等问题，导致摩擦转矩和漏率突然增大，密封 矩和漏率. 另外，在试验台上测试了两种密封环在不
性能降低，甚至出现密封失效现象，从而引发设备故 同工况下的摩擦转矩和漏率. 通过仿真与试验结果的
障，造成经济损失. 对比分析，揭示了高分子胀圈密封环的受力状态和密
胀圈密封环的材料主要包括合金铸铁、锡青铜和 封机理，为其结构设计和性能预测提供了理论指导.
合金钢等金属材料，以及石墨、高分子等材料，它们的
1 胀圈旋转密封流固耦合模型
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特点各不相同. 金属胀圈在航空航天 、化工机械 和
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车辆工程 等领域应用广泛. 但是由于金属胀圈密封 如图1所示，胀圈型旋转密封环是1个带切口的弹
环刚度、硬度大，与其对摩件(本文中指主轴和壳体)贴 性环，装配在旋转轴上的环形槽中，在流体介质压力
合程度低，在高PV值工况下漏率较大. 此外，密封环硬 下，与主轴和壳体紧贴，形成两个密封面，从而阻止流
度大还容易导致主轴轴槽端面的磨损，提高设备维护 体泄漏.
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成本 . 一些高分子材料由于具有优异的自润滑性，逐 如图1(b)所示，胀圈密封环在工作时受到流体介
渐应用到密封摩擦领域，而且其具有较低的刚度和硬 质直接作用的压力p 、自身弹力p 、密封面上的流体膜
0
e
度，可有效减小漏率，避免轴槽和壳体磨损. 目前高分 压力p 和p 以及对摩件的接触力p 和p . 传统的金
f1
c1
c2
f2
子旋转密封环常用的材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、 属胀圈，在工程计算时，假设流体压力从入口到出口
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聚醚醚酮(PEEK)和聚酰亚胺(PI)等 . 处从p 线性减小至0，而接触力均匀分布.
0
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传统的铸铁胀圈，已经具有行业标准 ，但现役高 对于PEEK等高分子材料的密封环，由于弹性模
分子胀圈的设计和计算，大多直接参照了传统的铸铁 量与金属相比较小，在载荷作用下会发生复杂的变
胀圈，存在不合理之处，需要对计算方法进行改进. 由 形，影响密封面流场的分布，而流体膜压力分布会影
于高分子材料弹性模量相对金属较小，因此在高压密 响密封环的受力变形，因此本文中重点考虑了密封环
封介质作用和对摩件接触的情况下，会发生复杂的流 在不同工况下的流固耦合作用，并建立了1个流固耦
固耦合作用. 国内外对高分子旋转密封环的密封面润 合仿真模型. COMSOL Multiphysics软件以有限元法
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滑特性 和密封性能 [9-12] 进行了理论和试验研究，对机 为基础，擅长求解多物理场耦合方面的问题，因此本
械密封、唇形密封和O型圈等接触式密封进行了流固 文中选择了COMSOL的固体力学和薄膜流动两个模
耦合研究 [13-17] ，但针对高分子胀圈旋转密封的流固耦 块，以求解密封环的受力变形和密封面的流场分布，
合研究仍然较少，对其受力状态和密封机理研究不够 并通过耦合算子将两个模块联系起来. 为简化模型，
深入. 降低计算复杂性，模型基于以下假设：①忽略各组件
Axis of the shaft Shaft Direction of leakage
Sealing faces
p c1
p f1
p e B p f2 p c2
Joint R 1
Z
R 2 Seal ring
Housing
R 3
R
(a) Figure of the rotary seal ring (b) Load conditions of the seal ring
Fig. 1 Schematic diagram of the expanding rotary seal
图 1 胀圈型旋转密封示意图
