CN110118260B - 浮封应力松弛漏油寿命预测方法及长效密封浮封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公布一种浮封粘弹性漏油寿命预测方法及长效密封浮封装置。浮动油封结构主要由浮封座、浮封环和O型圈组成，长期使用时受橡胶O型圈应力松弛和摩擦损伤影响会产生漏油现象。为解决该问题，本发明提出一种浮动油封应力松弛漏油寿命预测方法，并针对该问题在浮封环与O型圈及浮封座与O型圈之间分别垫衬内外聚四氟乙烯（PTFE）衬圈，并在外PTFE衬圈与浮封座制件加装若干个压力补偿恒压弹簧，进而解决由O型圈摩擦损伤和橡胶应力松弛引起的漏油现象。

Description

浮封应力松弛漏油寿命预测方法及长效密封浮封装置
技术领域
本发明属于矿山机械技术领域，具体为一种浮封应力松弛漏油寿命预测方法及长效密封浮动油封装置。
背景技术
浮动油封是一种径向非接触式和环端面接触式的动态密封组合结构，浮动油封结构主要由浮封座101、浮封环102和橡胶O型圈103组成(如图5所示)，这种结构可把浮封环的间隙减小到最低。当转子高速运转时，可将介质带入浮封环与被密封件凸肩所形成的收敛楔形间隙中，产生的压力使被带入介质形成强力液膜，从而阻止介质从间隙漏出，达到密封的效果；在非工作状态或平稳状态时，转子中心能够与浮封环形成并保持一定的偏心距，使液体压力与浮封环自身的重力和端面所产生的摩擦力形成平衡力系。由于浮动油封具有耐磨性好，工作可靠、结构简单等优点，在工程机械中应用广泛。
由于O型密封圈由橡胶材料制成，属于典型的高分子材料，具有显著的粘弹性，因此浮动油封在长效载荷作用下，O型圈橡胶材料内部结构会发生应力松弛且O型圈表面会产生摩擦损伤，导致整体油封结构产生漏油现象。同时，受O型圈与浮封座及O型圈与浮封环制件微动摩擦的影响，O型圈长效使用过程中会形成摩擦损伤，从而加剧油封长效使用时的漏油现象。
为克服因橡胶材料结构应力松弛和O型圈表面摩擦损伤造成的浮封漏油现象，本发明拟通过浮封结构改进，有效防止漏油现象的发生，进而增加浮封使用寿命。
发明内容
由于现有的浮动油封结构长期使用时受橡胶O型圈应力松弛和摩擦损伤影响会产生漏油现象，为解决该问题，本发明提出一种浮动油封应力松弛漏油寿命预测方法，并针对该问题在浮封环与O型圈之间及浮封座与O型圈之间分别垫衬内外聚四氟乙烯(PTFE)衬圈，并在外PTFE衬圈与浮封座制件加装若干个压力补偿恒压弹簧，进而解决由O型圈摩擦损伤和橡胶应力松弛引起的漏油现象。
本发明是采用如下技术方案实现的：
首先对浮封结构进行应力松弛实验，根据三单元广义Maxwell模型及相关公式推导，给出载荷随时间变化关系的计算公式，进而根据实验数据预测由于高分子材料粘弹性造成的应力松弛漏油寿命；为解决因橡胶材料结构应力松弛和O型圈表面摩擦损伤造成的浮封漏油现象，对现有浮封结构进行改进后设计出长效密封浮动油封；具体方案如下：
一种浮封应力松弛漏油寿命预测方法，包括如下步骤：
(1)、确定所用浮动油封结构在实际工况条件下对O型密封圈所要求的有效密封载荷值Fx。
(2)、根据三单元广义Maxwell模型，在保持应变ε0不变的条件下，应力应变关系表达为
Figure BDA0002058136640000021
式中，τi为Maxwell单元中粘壶对应的松弛时间，Gi为广义Maxwell模型中每个弹簧所对应的弹性模量，取i＝1，2，3；得出
Figure BDA0002058136640000031
在O型圈在松弛过程中，因保持浮封座间距离不变，故设定O型圈与浮封座的接触面积A保持不变，即应变
Figure BDA0002058136640000032
保持恒定，其中ΔΦ＝Φε0为O型圈的径向压缩量，Φ为O型圈直径；同时设O型圈周向应力σ(t)均匀，对上述公式两边同时乘以AΦ可得
Figure BDA0002058136640000033
即
Figure BDA0002058136640000034
令Aσ(t)＝F，
Figure BDA0002058136640000035
上式变为
Figure BDA0002058136640000036
即
Figure BDA0002058136640000037
式中
Figure BDA0002058136640000038
是与O型圈几何形态相关常数，F为载荷变量，x为时间变量，ti(t1,t2,t3)为松弛时间。
(3)、将浮封结构置于万能试验机上进行应力松弛实验，即保证上下浮封座间的距离不变，则测得压力随时间的变化关系曲线；用该公式在Origin软件中作参数拟合，得该浮封结构的O型圈的相关参数Ci(C1,C2,C3)和ti(t1,t2,t3)。
(4)、根据拟合求解值，即Ci(C1,C2,C3)和ti(t1,t2,t3)，将其带入公式(6)，即可通过带入任意时刻ti，计算得到任意时间载荷的变化情况；若在某一时刻，载荷F≤Fx，则可认为密封压力过低，进而预测确定该时间为O型圈因应力松弛而发生漏油的寿命。
(5)、通过预测，对浮动油封在达到最低漏油寿命之前提前对油封结构进行改进。
(6)、若有效密封载荷值为Fx，选用恒压弹簧，为保证O型圈周向受力的均匀性，选用弹簧数目n不少于6个，保证每个恒压弹簧压力要求为(Fx+Δ)/n，其中Δ为根据需要选取的一个大于0的常数(推荐选用Δ＝Fx/10)。
(7)、在上、下浮封座分别与上、下O型圈接触部位，沿周向根据恒压弹簧数量n加工相应凹陷孔，用以安装上、下压力补偿恒压弹簧，同时在上、下浮封座分别与上、下O型圈接触部位沿周向加工环形凹槽，安装上、下PTFE外衬圈。
(8)、在上、下浮封环分别与上、下O型圈接触部位沿周向加工环形凹槽，安装上、下PTFE内衬圈。
本发明根据实验数据及相关公式计算，预测由于高分子材料粘弹性造成的应力松弛漏油寿命。同时利用压力补偿恒压弹簧补偿了由O型圈结构应力松弛造成的密封压力降低现象，且压力补偿恒压弹簧沿浮封座周向均匀分布，保证了O型圈周向压力补偿的均匀性；考虑到聚四氟乙烯抗酸碱、抗有机溶剂和摩擦系数极低的特征，内外聚四氟乙烯垫圈的引入，既可阻隔O型圈与浮封座和浮封环的摩擦，又可减小O型圈与接触面的摩擦系数，进而降低O型圈表面的摩擦损伤。
本发明设计合理，能够提前预测及避免浮动油封发生漏油现象，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1表示广义并联Maxwell粘弹性力学模型。
图2表示某型浮动油封松弛实验载荷随时间的变化曲线及公式计算结果。
图3表示根据公式计算结果得到的不同时间节点的松弛压力值。
图4表示本发明浮封结构截面图。
图5表示传统浮封结构及对应截面图。
图6表示平面涡旋恒压弹簧示意图。
图中：101-浮封座，102-浮封环，103-橡胶O型圈，2-上浮封座，3-下浮封座，4-上O型圈，5-下O型圈，6-上浮封环，7-下浮封环，8-上PFTE外衬圈(位于上浮封座2和上O型圈4之间)，9-下PTFE外衬圈(位于下浮封座3和下O型圈5之间)，10-上PTFE内衬圈(位于上浮封环6和上O型圈4之间)，11-下PTFE内衬圈(位于下浮封环7和下O型圈5之间)，12-上压力补偿恒压弹簧(位于上浮封座2与上外衬圈8间在上浮封座2上周向均匀分布)，13-下压力补偿恒压弹簧(位于下浮封座3与下外衬圈9间在下浮封座3上周向均匀分布)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种浮封应力松弛漏油寿命预测方法，包括如下步骤：
(1)、确定所用浮动油封结构在实际工况条件下对O型密封圈所要求的有效密封载荷值Fx。
(2)、通常高分子材料变形从分子尺度上讲主要由三部分组成：一为由分子内部键长键角改变引起的普弹变形，该变形与时间无关，可用一个弹簧来模拟；二为由高分子链段伸展、蜷曲引起的高弹变形，该部分形变随时间而变化，可用弹簧和粘壶并联进行模拟；三为由高分子链段相互滑移引起的粘性流动，此变形随时间线性发展，可用粘壶来模拟。因此，研究高分材料粘弹性时常利用弹簧粘壶的组合结构进行模型构件，求解高分子材料的粘弹性特征。
而在粘弹性力学分析中，用如图1所示的三单元广义Maxwell模型进行其高分子材料的应力应变过程进行研究。
对于应力松弛(应变保持恒定而应力随时间而变化)实验，在保持应变ε0不变的条件下，应力应变关系表达为
Figure BDA0002058136640000061
式中，τi为Maxwell单元中粘壶对应的松弛时间，Gi为广义Maxwell模型中每个弹簧所对应的弹性模量。为简化计算过程及保证计算精度，研究一般选取包含三个Maxwell单元的广义Maxwell模型进行研究，即取i＝1，2，3；得出
Figure BDA0002058136640000062
在O型圈在松弛过程中，因保持浮封座间距离不变，故设定O型圈与浮封座的接触面积A保持不变，即应变
Figure BDA0002058136640000063
保持恒定，其中ΔΦ＝Φε0为O型圈的径向压缩量，Φ为O型圈直径；同时设O型圈周向应力σ(t)均匀，对上述公式两边同时乘以AΦ可得
Figure BDA0002058136640000071
即
Figure BDA0002058136640000072
令Aσ(t)＝F，
Figure BDA0002058136640000073
上式变为
Figure BDA0002058136640000074
即
Figure BDA0002058136640000075
式中
Figure BDA0002058136640000076
是与O型圈几何形态相关常数，F为载荷变量，x为时间变量，ti(t1,t2,t3)为松弛时间。
(3)、若将浮封结构置于万能试验机上进行应力松弛实验(即保证浮封上下座间的距离不变)，则可测得压力随时间的变化关系曲线。以某浮封结构为例，O型圈直径Φ＝20mm，松弛过程保证压缩量ΔΦ＝13.5mm不变，实验得到的载荷随时间变化的曲线如图2中粗实线所示。用公式(6)在Origin软件中做参数拟合，可得该浮封结构的O型圈的相关参数(Ci(C1,C2,C3)和ti(t1,t2,t3))。
(4)、根据拟合求解值，即Ci(C1,C2,C3)和ti(t1,t2,t3)，将其带入公式(6)，即可通过带入任意时刻ti，计算得到任意时间载荷的变化情况；若在某一时刻，载荷F≤Fx，则可认为密封压力过低。进而可根据计算结果预测O型圈因应力松弛而发生漏油的寿命。图3给出了某型油封的实验数据及数据拟合结果，图4为与图3对应的某型油封根据拟合结果计算得到的不同时间的密封压力。
(5)、通过预测，对浮动油封在达到最低漏油寿命之前提前对油封结构进行改进。
(6)、若有效密封载荷值为Fx，则可根据以上计算过程，选用恒压弹簧(例如平面涡旋恒压弹簧，如图6所示)，为保证O型圈周向受力的均匀性，选用弹簧数目n不少于6个，保证每个恒压弹簧压力要求为(Fx+Δ)/n，其中Δ为根据需要选取的大于0的常数(推荐选用Δ＝Fx/10)。
(7)、在上、下浮封座2、3分别与上、下O型圈4、5接触部位，沿周向根据恒压弹簧数量n加工相应凹陷孔，用以安装上、下压力补偿恒压弹簧12、13，同时在上、下浮封座2、3分别与上、下O型圈4、5接触部位沿周向加工一定深度的环形凹槽，安装上、下PTFE外衬圈8、9。
(8)、在上、下浮封环6、7分别与上、下O型圈4、5接触部位沿周向加工一定深度的环形凹槽，安装上、下PTFE内衬圈10、11。
具体实施时，加工界面如图4所示的上下PTFE外衬圈和上下PTFE内衬圈。将上、下浮封座2、3，上、下压力补偿恒压弹簧12、13，上、下PTFE衬圈外8、9，上、下O型圈4、5，上、下PTFE内衬圈10、11，上、下浮封环6、7装配。
压力补偿恒压弹簧用以补偿由于O型圈橡胶结构松弛所致的密封压力损失；该弹簧组沿浮封座与O型圈接触面周向均匀分布，数量n应大于等于6，浮封环直径大则恒压弹簧n的数量越多。
PTFE衬圈均由聚四氟乙烯制成，主要利用的是抗酸碱、抗有机溶剂和摩擦系数极低的特征；内外聚四氟乙烯垫圈的引入，既可阻隔O型圈与浮封座和浮封环的摩擦，又可减小O型圈与接触面的摩擦系数。
工作原理：浮动油封在长效载荷作用下，O型圈橡胶材料内部结构会发生应力松弛且O型圈表面会产生摩擦损伤，导致整体油封结构产生漏油现象。为解决由该原因导致的漏油问题，本发明利用压力补偿恒压弹簧补偿了由O型圈结构应力松弛造成的密封压力降低现象，且压力补偿弹簧沿浮封座周向均匀分布，保证了O型圈周向压力补偿的均匀性；考虑到聚四氟乙烯抗酸碱、抗有机溶剂和摩擦系数极低的特征，内外聚四氟乙烯垫圈的引入，既可阻隔O型圈与浮封座和浮封环的摩擦，又可减小O型圈与接触面的摩擦系数，进而降低O型圈表面的摩擦损伤。
以上显示和描述了发明的基本原理和主要特征及发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的知识说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种浮封应力松弛漏油寿命预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、确定所用浮动油封结构在实际工况条件下对O型密封圈所要求的有效密封载荷值Fx；
(2)、根据三单元广义Maxwell模型，在保持应变ε0不变的条件下，应力应变关系表达为
Figure FDA0002387279600000011
式中，τi为Maxwell单元中粘壶对应的松弛时间，Gi为广义Maxwell模型中每个弹簧所对应的弹性模量，取i＝1，2，3；得出
Figure FDA0002387279600000012
在O型圈在松弛过程中，因保持浮封座间距离不变，故设定O型圈与浮封座的接触面积A保持不变，即应变
Figure FDA0002387279600000013
保持恒定，其中ΔΦ＝Φε0为O型圈的径向压缩量，Φ为O型圈直径；同时设O型圈周向应力σ(t)均匀，对上述公式两边同时乘以AΦ可得
Figure FDA0002387279600000014
即
Figure FDA0002387279600000015
令Aσ(t)＝F，
Figure FDA0002387279600000016
上式变为
Figure FDA0002387279600000017
即
Figure FDA0002387279600000018
式中
Figure FDA0002387279600000019
是与O型圈几何形态相关常数，F为载荷变量，x为时间变量，ti(t1,t2,t3)为松弛时间；
(3)、将浮封结构置于万能试验机上进行应力松弛实验，即保证上下浮封座间的距离不变，则测得压力随时间的变化关系曲线；用该公式在Origin软件中做参数拟合，得该浮封结构的O型圈的相关参数Ci(C1,C2,C3)和ti(t1,t2,t3)；
(4)、根据拟合求解值，即Ci(C1,C2,C3)和ti(t1,t2,t3)，将其带入公式(6)，即通过带入任意时刻ti，计算得到任意时间载荷的变化情况；若在某一时刻，载荷F≤Fx，则认为密封压力过低，进而预测确定该时间为O型圈因应力松弛而发生漏油的寿命；
(5)、通过预测，对浮动油封在达到最低漏油寿命之前提前对油封结构进行改进；
(6)、若有效密封载荷值为Fx，选用恒压弹簧，为保证O型圈周向受力的均匀性，选用弹簧数目n不少于6个，保证每个恒压弹簧压力要求为(Fx+Δ)/n，其中Δ为常数；
(7)、在上、下浮封座(2、3)分别与上、下O型圈(4、5)接触部位，沿周向根据恒压弹簧数量n加工相应凹陷孔，用以安装上、下压力补偿恒压弹簧(12、13)，同时在上、下浮封座(2、3)分别与上、下O型圈(4、5)接触部位沿周向加工环形凹槽，安装上、下PTFE外衬圈(8、9)；
(8)、在上、下浮封环(6、7)分别与上、下O型圈(4、5)接触部位沿周向加工环形凹槽，安装上、下PTFE内垫圈(10、11)。
2.根据权利要求1所述的浮封应力松弛漏油寿命预测方法，其特征在于：步骤(6)中，Δ＝Fx/10。
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