（机械工程专业论文）高速牙轮钻头密封研究.pdf

摘要 牙轮钻头在井底破岩中起麓主导馆用，它的使用澎命几乎直接取决 于锫头轴承的潜命，而轴承的寿命在很大程度上有依赖密封的瓣命。牙轮 钻头嚣前的发髓趋势鼹实现高速化，随着钻头转速的不断提高，在恶劣环 境下工俸靛善遴辘承密辫这一醛节豹薄瓣莲将驻褥越来戆突整。嚣照，在 研究钻头豹同时，决不可忽视对轴承寿念的研究和改进。 为了提高牙轮钻头轴承密瓣的可靠性，本文设计采用端面径向组合 密封缩构，即在只钻头中同时布置端筒和径向密封，采用非线性有限元 方法翳密葑结莘奄迸苻分李斤稳甓纯。臻彭密羹蘑嚣子端瑟密封元传，菝纛 定的皴囱压缱鬟进行密封，由于端覆蠹压力分农、温度分布不均，端露内 的摩擦状况也不是处处相同。为改善碟形圈外径与牙轮的摩擦工况，更好 地防止泥浆等肖害物质的侵入，可将英外径略向上夸曲，弯边的长度及开 日数霹篷实舔工况静摸羧来礁跫。改避麓碟形密骜罄不偿蒸有漆嚣密羹麓 力，蔼蔑垮具露一定懿经商密挝瓤擦拭确链。 最常用的钻头轴承密封圈是单个o 形圈，主要以丁腈橡胶制作。它 与低速密封轴承钻头已基本匹粼，但其失效不可避免。为此，普通矩形稽 密封被尝试着敬为其青一定舔凌翡弧形稽，当径自密鸷 筝甭静o 形饔毅 置于设计合理熬弧形檬内，其受力、变形和摩擦状况均褥到改饕，有助予 密封毒余兹撬齑。 有限元法对结构的分手厅和设计具鸯指导意义。通过矩形槽和弧形槽 的对比研究发现，矩形槽o 形圈在密封过程中出现两个高应力区，磨损 发生在内径、外径两个表面上，弧形礴0 形圈的高应力区仅出现在牙爪 辘舔近瓣局部嚣壤内，成力分奄较蘸者霆为均匀，瘗损遴发皇程内径表鬻 上，其受力变形状况的改善将搜塞封寿命进一步提高。 本文的研究表明，在制约钻头寿命的轴承密封润滑系统中，采用喘 面径向组合密封结构能够在定程度t 适应牙轮钻头转速提高的发展趋 势。 关键词：牙轮钻头密封碟形醐o 形圈可煞性 k e yw o r d s ：c o n eb i t s e a l d i s h i n gr i n go - r i n gr e l i a b i l i t y a b s t r a c t t h es e r v i c el i f eo fc o n eb i t sw h i c hp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nb r e a k i n gr o c ko f t h eb o t t o mo faw e l li sa l m o s td i r e c t l yd e c i d e db vt h el i f eo fb i tb e a r i n g w h i c hd e p e n d s al a r g ee x t e n tt ot h el i f eo ft h e i rs e a l st h er e c e n td e v e l o p m e n tt r e n do fc o n eb i t si st o r e a l i z et h e i rh i 曲s p e e d f a s t e rt h es p e e do fb i ti s ，t h em o r ew e a ko fc o m m o nb e a r i n g s e a l sw o r k e du n d e rt h ey o u 曲e n v i r o n m e n ti st h e r e f o r e ，w es h o u l dn o tn e g l e c tt h es t u d y a n di m p r o v e m e n tf o rt h es e r v i c el i f eo f b e a r i n gw h i l er e s e a r c h i n gc o n eb i t s t oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fb e m n gs e a lo fc o n eb i t ，t h i sp a p e rp l a n st oa d o p t f a c e r a d i a lc o m b i n a t i o ns e a l i n gs l r u e t t a - e s ；t h a ti st os a y , a n d - f a c ea n dr a d i a l s e a la r e a r r a n g e dmo n eb i ts i m u l t a n e o u s l y t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt o a n a l y z ea n do p t i m i z et h ed e s i g no fs e a l i n gs t r u c t u r e st h ed i s h i n gr i n gs e a l sb e l o n gt h e e n df a c es e a l i n gp a r t s ，a n da c ta s s e a l i n gb ys o m ea m a lc o m p r e s s i o nb e c a u s eo f d i f f e r e n td i s t r i b u t i o no fi n t e r n a lp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，t h ef r i c t i o ni n s i d et h e e n d - f a c ei sa l s od i f f e r e n t 砒a l la r e ai no r d e rt oi m p r o v et h ef r i c t i o nb e h v e e nt h eo u t e r d i a m e t e ro fd i s h i n gr i n ga n dc o n e ，a n dp r e v e n ta n yc o n t a m i n a n t ，s u c ha ss l u r r ya n de c t f r o mc o m i n g ，t h eo u t s i d ed i a m e t e rm a yb ec u r v e du p w a r dt h el e n g t ha n do p e no ft h e c u r v e dm a yb ed e t e r m i n e db yt h ea n a l o g u et ot h ea c t u a lc o n d i t i o nt h ei n n o v a t i v e d i s h i n gr i n gn o to n l yp o s s e s s e se n d 点”es e a l i n gc a p a c i t y , b u ta l s oh a ss o m er a d i a ls e a l a n dc l e a nf i m c t i o n t h em o s tc o n n n o ns e a l i n gr i n go fb nb e a r i n gi ss i n n eo - r i n g w h i c hi sm a d eo f r u b b e r i th a sb a s i c a l l ym a t c h e dw l ml o ws p e e ds e a l i n gb e a r i n gb i t b u ti tc a r l l o ta v o i d i t sf a u l tt h e r e f o r e ，t h ec o i d f l o nr e c t a n g u l a rg r o o v es e a l sa r eo f t e nb ec h a n g e di n t ot h e c u r v e dg r o o v ew i t hs o m eg r cd e g r e ew q a e nt h e0 - r m ga c t e da ss e a l i n gf u n c t i o ni s p l a c e di nt h ec u r v eg r o o v ew i t hs u i t a b l ed e s i g n , i t ss t r e s s s t r a i na n df r i c t i o na r ea l l i m p r o v e ds oa st ol e n g t h e nt h es e r v i c el i f eo f s e a l i n g t h ef m l t ee l e m e n tm e t h o dh a sg u i d em e a n i n gt oa n a l y z ea n dd e s i g no fs t r u c t u r e b yc o m p a n n gb e t w e e nt h er e c t a n g u l a rg r o o v ea n dc u r v e dg r o o v e ，w ef e n dt h a tt w oh l g h s t r e s sa r e ao fr e c t a n g u l a rg r o o v e o - r i n go c c u r sd u r i n gt h es e a l i n gp e r i o d ，a n dt h e w e a r i n go nt h eb o t hi n s i d ea n do u t s i d ed i a m e t e rs u r f a c e s ；t h eh i g h s t r e s sa r e ao n l y h a p p e n sa tt h ep a r ta r e ao f c o n es h a f t , a n dt 1 1 ed i s l r i b u t i o no f s t r e s si sm o r ee v e nt h a n 山e f o r m e ca n dt h ew e a r i n gi so nt h ei n s i d ed i a m e t e rs u r f a c e t h ei m p r o v e m e n to fi t s d i s t o r t i o n sm a k e st h es e r v i c el i f eo f s e a l i n gl e n g t h e n a c c o r d i n gt oa c h i e v e m e n t si nr e s e a r c h ，u s i n gf a c e - r a d i a ls e a l i n gs t r u c t u r e sc a n a d a p tt ot h ed e v e l o p i n gt r e n do fi n c r e a s i n gr o t a r ys p e e do fc o n eb i tt oac e r t a i ne x t e n ti n l u b r i c a t m gs y s t e mo f b e a n n gs e a l ，w h i c hi sc r a m pt ob i ts e r v i c el i f e 第一章绪论 1 1 牙轮钻头轴承系统密封研究的必要性 随着科学技术的发展，牙轮钻头也获得极大进步，由于采用了优良材料、 先进工艺及日臻完善的结构，使其在井底破岩中起着主导作用，在各类钻头 中，它的发展仍居领先地位。研究表明，牙轮钻头还尚有许多问题未能得到 妥善解决。研究这些问题，对提高钻头寿命、发展钻井工艺、降低钻井成本 等都具有重大意义。 对牙轮钻头的失效分析表明，轴承损坏是牙轮钻头失效的主要形式之 二三牙轮钻头中只要一只牙轮的轴承先期损坏，就使整个钻头很快失效。 钻头的使用寿命几乎直接取决于钻头轴承的寿命( 现场钻头使用统计分析表 明，因一只牙轮的轴承先期损坏导致失效的钻头占失效钻头的8 0 ) ，而轴 承的寿命在很大程度上又依赖密封的寿命( 因密封先期失效而严重磨损的占 失效轴承的3 0 ) 。钻头轴承密封的功能在于分隔轴承和井底钻井液，不让 井底钻井液、岩屑及其它物质进入轴承，保持轴承润滑剂不泄漏，从而提高 钻头轴承的寿命。因此，在研究钻头的同时决不可忽视对轴承密封的研究和 改进， 牙轮钻头轴承密封是在极为恶劣的工作环境下工作的，这些恶劣工况 是：井底压力和密封润滑剂的压力都很高；井底地热、牙轮与轴的摩擦热以 及牙轮破碎岩石产生的热使密封温度升高；循环钻井液对井底的压力引起的 波动，使之密封件的接触状态和接触位置也发生相应变化；滑动轴承处的水 平载荷与垂直载荷较大；钻井液中含有大量固相颗粒、岩屑等磨砺性介质： 井下常有硫化氢、蒸汽等有害物质，这些物质会加剧密封件的磨损，造成橡 胶件的降解1 1 5 牙轮钻头轴承密封的失效主要原因可总结如下：磨料磨损；温度；压力 及压力波动的影响；钻头牙轮、轴承结构及加工质量的影响：轴承支持体磨 损的影向：储汕压力补偿系统性能的影响；钻井液对密封件的化学腐蚀：”j 上 述原因中，密封接触面的摩擦、磨损是轴承密封失效的根本所在，要提高轴 承密封的寿命和可靠性，就必须减少接触表面以及密封件自身的摩擦、磨损。 晁然这正是摩擦学及表面工程两个学科所要解决的问题。 牙轮钻头滑动轴承的摩擦学主要特征表现为，运转过程处于边界城濉f ? 润滑状态，粘着磨损、磨料磨损比较严重。属于重载低速工况下的磨 讨1 2 钳 对上述特点，为提高牙轮钻头寿命及可靠性，其研究方向有二：是从结构 设计入手减少接触应力；二是从材料入手，提高轴承表面的抗磨、减摩性能， 提高润滑性能。 最初的牙轮钻头轴承是不密封的，随着钻头使用的实践人们才逐渐认识 到轴承密封的重要性。本世纪初，美国第一批密封轴承钻头产品问世，滚动 轴承用的是碟形圈密封，而滑动轴承用的是o 形圈密封。目前，常用的环 隙密封分为两类。第一类是轴密封( 或称径向密封) 它装在牙轮或支撑轴 的凹处，并在该处受压，轴密封必须对轴径向施压以确保密封性，同时还要 提供牙轮合理的轴向位移量。常规的。形圈密封即是一种轴密封，它必须 具有相当大的压缩量来保持足够的密封能力，这就限制了。形圈密封在高 速工况下的使用。第二类是端面密封( 或称轴向密封) ，装在牙掌面取j 牙轮 台肩面之间，对密封轴向施压。轴承间隙变化造成牙轮偏斜，引起受载不均， 此时轴密封在受载边和未受载边所受载荷很不均匀，而端面密封的受载不均 能得到较好的改善。另外，面密封比轴密封要求较小挤压力学引 近2 0 余年来，由于机械、车辆、航空等工业的高速发展，对旋转轴密 封圈提出了耐高温、耐高压、适应高速和长寿命等一系列苛刻的要求，促进 了对旋转轴密封圈材料、结构、性能试验和质量控制，以及密封机理等方面 的深入研究，从而大大提高了旋转轴密封圈的密封性能和使用寿命，例如， 6 0 年代初研制成了有回油效应的流体动力旋转轴密封圈，具有摩擦刀小， 使用寿命长，单向密封( 泥浆不能进入油腔) 的特点，使旋转轴密封圈技术 有了新的飞跃。 1 2 密封的基本理论 过去对橡胶旋转轴密封的密封作用，一般都假定是密封蜃与轴颈直接接 触，在油和大气侧之间形成物理障碍，从而阻止了油的泄漏。基于这利- 设想 还提出，只有用足够的力挤压密封唇，才能与轴颈形成良好的密封。实践证 明这种认识是很不全面的。因为厚和轴之间如果呈“干接触”，那么轴的高 速旋转，在唇和轴表面间便会迅速产生高温，以致烧损密封唇。使密封失效， 但实际上旋转轴密封圈能在轴高速旋转下长时间保持密封，这说明唇和轴之 间必然有一层润滑油膜。1 9 5 0 年英国乔治安格斯公司工程试验室通过实验 测出了这种油膜，其厚度为0 0 0 2 5 哪。不久，出现了关于密封机理的边界 润滑理论。它的要点是：新的旋转密封圈装在轴上时，密封圈尖峭的密封唇 在径向力的作用下紧贴于轴，产生轻微的变形。当轴旋转时，变形部分迅速 地磨出一定宽度的“平口”，宽度约o 2 5 1 0 2 1 r i m 。这一过程称为密封圈的 磨合? 3 该过程在短期内即告完成，摩擦力由起初的最高值迅速下降约5 0 而 稳定下来。密封唇处这一“平口”的出现就可将油膜保持下来，并控制在边 界润滑状态( 厚度为o 0 0 2 5 m m ) ，从而防止了油的泄漏。唇下处于边界润滑 状态的很薄的油膜之所以能防止油的泄漏，曾经有两种论点。一种论点认为， 磨合后的密封唇口与轴之间的间隙很小，其间的油膜很薄，在表面张力的作 用下能在密封唇与轴颈表面间形成油膜。这种油膜既能防止油从中通过，也 能防止油膜中的油渗出，达到密封的目的。如果唇轴间的间隙过大，油膜便 会园表面张力低而破坏，于是发生泄漏。另一种论点认为，密封唇和轴的接 触面应尽量窄，以便在径向压力作用下，产生具有最大峰值的应力分布，这 种形式的应力分布便能形成边界润滑油膜，同时阻止唇下油的轴向流动而实 现密封。相反，若唇与轴的接触面宽，那么接触压力则呈均匀分布，于是出 现较厚油膜的流体润滑，油则会产生轴向流动而泄漏。因此，要达到理想的 密封，在密封的唇和轴之间必须有一层薄而稳定的油膜，它既起密封作用又 起润滑作用，如果这层油膜遭到破坏，便会导致密封失效。 1 7 1 前，较为普遍的看法是：在密封唇和轴颈的接触表面上既有干摩擦， 又有边界润滑和流体润滑，三者将因运转条件的变化而不断交替转化或并 存。由此可见，即使是性能很好的密封也仍然难以避免磨损和微量的泄漏。 某些流体动力密封所谓的无泄漏，也只是通过结构设计将泄漏的油泵回内部 而不造成向外部泄漏而已。因此，探究密封界面上边界润滑油膜的形成机理， 掌握影n 向边界润滑的因素，并在密封的材料选择和结构设计、轴的加工及使 用等方面控制这些因素，从而提高密封的工作性能和使用寿命，就是密封研 究工作者过去和现在努力的目标：”， 1 3 轴承密封的研究方向 牙轮钻头目前的发展趋势是实现高速化? 随着钻头转速的进少i i - 他i i 高， 普通环形径向密封这一环节的薄弱性将显得越来越突出。为了适应高遮钻头 轴承密封的要求，就必须对径向密封圈的结构进行变革( 0 1 引 本文试图通过以下几个方面的研究，以期提高高转速下牙轮钻头轴承密 封的寿命及可靠性。 ( 1 ) 通过对目前有关橡胶摩擦磨损理论的综合分析，为研究工作提供坚 实的理论基础。 ( 2 ) 对动密封的密封机理进行较深入的讨论，获得些新认识。 ( 3 ) 采用新型双密封结构，通过理论计算确定各种参数。 ( 4 ) 利用通用有限元应力程序m a r c 分析双密封结构中碟形圈和0 形圈 的应力和变形，进一步研究密封作用机理。 本文的研究内容属于部项目“提高四川深井钻井速度技术研究”之一部 分。 第二章橡胶的摩擦学特征 2 1 橡胶的工程特点 橡胶是天然的或人造的高分子弹性体，其分子形状呈线形。橡胶分子主 链一般为柔性链，容易发生链的内旋转，使分子卷曲。其侧基一般为非极性 基因，因而有利于分子链的柔顺性。基于上述分子结构特性，橡胶的力学性 能最大的特点就是高弹性和粘弹性? 。 同金属类物质相比，橡胶类物质的最大特点是： 弹性模量小，形变量大。它在较小的外力作用下就能显示出高度变形 的能力，外力除去后，又能恢复原来的形变，永久变形很小。 形变需要时间。橡胶受到外力压缩或拉伸，如果形变随时间而发展， 最后达到最大形变，这种现象称为蠕变；或者，拉紧的橡胶逐渐变松，这种 应力随时间而下降或消失的现象称为应力松驰。 形变时有热效应。橡胶伸长时会发热，回缩时会吸热，而伸长时的热 效应随伸长率而增加。在摩擦过程中，橡胶的内摩擦热加之外摩擦热将会造 成橡胶的耐磨性降低，密封设计和使用都必须注意到这一问题。 钻头密封中大量使用的丁腈橡胶( n b r ) ，它的耐矿物油性能和耐高温 性能是橡胶类材料中较好的一种，其耐油性取决于其中丙烯腈的含量。丁腈 橡胶的耐石油基油、耐碳氢化合物及耐水性能、抗拉强度、耐磨性都会随丙 烯腈的含量增加而提高；但低温性和透气性则随之下降，使用温度3 0 + 1 2 0 ，弹性模量2 5 5 m p a ：“ 橡胶的硫化是把混炼胶在一定的温度、压力下，经过一定的时间，使橡 胶大分子由长链型结构转变成立体状结构的交联过程。硫化后的橡胶，其物 理和化学性质都得到改善。 橡胶在动态变形时，由于有粘阻作用，使应变滞后于应力，其滞后程度 用损耗角或滞后角表示。一般来说，橡胶的动态与静态力学性质有显著差异。 这主要表现在因损耗发热，以及动态弹性模量大于静态弹性模量。 动态变形时，弹性模量可表示为： 口s = k = k + j k ” ( 2 1 ) 实数k 部分用于克服理想橡胶的收缩力，相当于静态变形时的弹性模 量，并与变形同相位，其承受的应变能是不损耗的。虚数k ，用于克服橡 胶的耘性，是完全损耗的，并化为热量。 k 与k 之间的夹角即为图2 - 1 中的相位差，其夹角的正切为： 刚= 芸( 2 - 2 ) 培6 称为阻尼因子或损耗因子。损耗角的大小代表了能量损耗的大小。 2 2 橡胶的摩擦 2 2 1 摩擦的二项表达式 橡胶的摩擦机理目前基本上还是沿用摩尔( d f m o o r e ) 所介绍的内容 也就是用摩擦的二项式表达。 掾胶弹性体动摩擦力f 由粘着分量e 和迟滞分量f 。组成，即 f = c + ( 2 - 3 ) 粘着摩擦力f 。是一种表面效应，迟滞分 量f 。是一种体积效应，两者都与弹性体 的牯弹性有关。弹性体和对应表面粘着 产生的阻力就是粘着摩擦力f 。，可以认 为是接触面间表面分子相互作用的结 果。由于弹性体是由恒态热运动的柔性 链构成，当它与硬表面相对滑动时，其 表层中的分子链企图与刚性表面中的分 子连接起来，形成局部连接点，相对滑 动使这些连接点拉伸、松驰和破裂。这 ， 勰。一 。 2 2 粘着的简单机理 ( a ) 粘着发生在a 点上：( b ) 弹性体 以速度v 移动一距离 ，产生摩擦 阻力，弹性能贮存在单元中：( c ) 在 a 点上粘着破坏，贮存在单元中 的能量部分返回系统，并在a 点上 建立新的粘着点。 样，弹性分子有力地跳跃一个分子间距，达到新的平衡位置。粘着点的形成 和分离是分子量级上的粘滑过程，是造成粘着的原因。粘着的简单机理可由 图2 2 说明。混合理论推导出粘着摩擦力e 和粘着摩擦系数，其表达式如 下： f = 芷盯，( 固培占 ( 2 4 )( 5 ) 正= x ( a ，a q t 9 6 ( 2 - 5 ) ：5 式中，n 为施加的法向载荷； h 为弹性体的硬度； o 为微面积上的最大应力； t g6 为阻尼系数： k 为常数。 迟滞分量f 。是由于橡胶与轴 表面微凸体接触时，由于接触压 力分布不均造成的。当橡胶片滑 过硬表面上的微凸体时，由于相 对运动，橡胶弹性体势必会积聚 在微凸体的前沿，同时在凸部下 方低处脱离接触，+ 造成压力的不 对称分布，压力的水平投影分量 构成与运动相反的迟滞力，它不 仅阻止滑动，而且还引起弹性体 的延迟恢复，使摩擦力增大。迟 滞的简单机理见图2 - 3 。广义的 迟滞摩擦系数定义为f h t g6 ，它 与橡胶弹性模量e 及平均应力孑 有关： “) + f - 【c ) ：- 氏 图2 - 3 微凸体相互作用对迟滞力的影响 ( a ) 图为静止状态，在一个凸部上压力图形里对 称分布；( b ) 滑动开始，橡胶在凸部的前端积聚， 同时在凸部下方低处脱离接触，造成压力的不对 称分布：( c ) 速度进一步增加时接触区部分恢复 到原来位置：( d ) g l 表示迟滞摩擦力随速度变化的 情况。 t 9 6 = 常数( 旦e ) ( 2 - 6 ) 阻尼系数t g6 是表示材料粘弹性的重要参数，它要随温度、频率( 与 滑动速度有关) 而变，故粘着摩擦系数f 。和迟滞摩擦系数f 。均会随温度和 糠燃熊 滑动速度而变。 2 2 2 影响摩擦系数的几个主要因素 1 速度的影响 低速时粘着摩擦很大，随着速度的增加，粘着成分减小，而迟滞影响增 大，因而摩擦系数呈现图2 - 4 的变化。 2 温度的影响 橡胶在玻璃态转化温度t 。以下时，温度变化对摩擦系数影响不大。当 温度达到玻璃态转化温度后，摩擦系数随温度升高而上升。在高温下，橡胶 的流动性好，剪切破坏变得容易，因而摩擦系数随温度上升而变小。( 图2 5 ) 。 3 压力的影响 压力增大，粘着摩擦系数f a 减小，而 迟滞摩擦系数f h 增大。n 以后，与f h 趋 于一致。 4 表面状态的髹垧 表面光洁度较高且有润滑时，橡胶一金 属摩擦副的f 减小。因为表面润滑时f 。减 小，表面光洁度较高时，f h 减少。 2 3 橡胶的磨损 摩尔认为，两表面在相对滑动时，橡胶的磨损具有三种形式，即磨料蘑 损、疲劳磨损、卷筒形成磨损，这三种磨损形式机理与摩擦机理紧密相连5 6 其关系如下图2 - 所示。 2 3 1 磨料磨损 基体表面的尖锐凸起引起滑动着的弹性体的磨粒磨损和撕裂。在磨损的 弹性体上，可看到微量切割和纵向的擦伤。橡胶的磨料磨损是一个包含着机 械作用、化学作用、热化学作用等不同机理的复杂过程，因而国内外对其研 究都还只是在实验基础上对各种简单过程进行研究。 2 3 2 疲劳磨损 如果基体表面凸起是园钝的，而不尖锐的，两接触体相对滚动或滑动时， 弹性体的表面发生周期性变形，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强 度的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断 裂剥落下来。橡胶弹性体的疲劳破坏主要由拉伸应力集中处产生的裂纹、金 属粘结处发生的剥离以及压缩侧的褶皱等逐步发展形成的 橡胶的表面疲劳机理远比金属更为 突出，这是因为弹性体的良好柔顺性使 之能在滑动中很好地贴合在粗糙表面的 微凸体上。如图2 8 所示，若微凸体是 圆滑的，滑动弹性体的表层内就要承受 反复的压缩和拉伸应力，以及换向的剪 切应力，从而造成疲劳磨损。另外，尖 锐的微凸体的撕裂作用会引发横向裂 纹，也引起疲劳磨损。但是，橡胶这样的弹性体的疲劳磨损是一个相当微缓 的磨损形式，常常表现为轻微的磨料磨损或表面层的撕裂，所引起的总磨损 量是低的。 2 3 3 卷筒形成磨损 橡胶在光滑表面上滑动时，会出现一种高弹材料特有的磨损形式，在滑 动界面上引起卷筒状剥层，最后撕下卷筒状的碎屑。当橡胶和光滑表面之间 有较高的摩擦系数，而且橡胶材料的抗撕裂强度较低时，便出现这种磨损。 斯坎拉玛奇( s c h a l l a m a c h ) 用橡胶在硬表面滑动或硬滑块在橡胶面上 滑动，发现了一种特殊现象，即接触区出现皱褶，并以波的形式从接触区前 部传向后部，橡胶与硬表面间的相对运动就以这种波的形式进行，这种波称 为斯坎拉玛奇波或分离波。摩尔认为斯坎拉玛奇波是引起卷筒形成磨损的原 因掣 橡胶与刚性基体 接触，在外力作用下， 两者发生粘着。在相 对运动时，接触区尾 部产生应力在材料 垂直于趋向滑动方向 上可能出现一个切口 或小的裂纹。这些切 口的成长不一定从弹 性体的表面分离下磨 屑，更大的可能是弹 性材料的内部逐步撕 裂，因此在没有完全 滑移的情况下，有可 能产生接触区的相对 运动，这孙相对运动 使撕裂过程中分离开来的橡胶卷成圆筒。橡胶在形成卷筒过程中处于一种受 力状态，橡胶受拉力而延伸。当延伸率达到一个临界值时，卷筒状的磨届从 橡胶上最后分离，便完成了这种磨损的基本过程。如图2 9 所示。 由于橡胶类弹性体的磨损起因尚不十分清楚，只能定性地说明其作用的 原因。在实际应用中，上述三种磨损形式都有可能一起发生，要分刃：每一种 机理对总磨损效应的单独作用是困难至极的。 2 3 4 影响橡胶磨损的因素 速度的影响 如图2 一l o 示，随着速度的增加，磨损率出现一个或两个最小值。出现 这种情况的原因：低速时，摩擦过程中粘着很严重，随着速度升高，粘着减 小，但迟滞成分增加，因而在某种情况下可能出现这二者之和的影响最小。 温度的影响 较高温度时，随温度升高，磨损率急剧增加，温度较低时，温度增加对 磨损率影响不大。( 图2 - 1 1 ) 橡胶物理性能的影响 i ) 扯断强度。扯断强度是影响磨损的主要性能。一般说来，快速拉伸试 验所测定的扯断强度高则耐磨性好。 i i ) 弹性模量。橡胶的磨损受弹性模量影响较大，模量高低( 硬、软) 不同，令使接触面大小和凸峰深浅不同而对不同机理的磨损有不同的影响。 模量高时，由于橡胶硬，摩擦面的凸起部分压入橡胶的深度和摩擦系数减小 因而磨料磨损下降。在这种机理支配的磨损情况下，提高胶料模量有利于改 善耐磨性。但在疲劳磨损情况下，情况正相反，弹性模量的提高会使橡校的 接触应力增加，从而使磨损增大。 玻璃态转变温度 近来的研究表明，橡胶的微观结构，如顺式、反式的分子构型等对磨损 的影响较大，相对来说，橡胶的分子量、分子量分布、结晶性等影响较小。 由于橡胶的分子构型等微观结构决定玻璃态转变温度，因此，玻璃态转变温 度与磨损的关系比较密切。一般说来，单一橡胶的玻璃态转变温度高，则耐 磨性差，反之则好：” 此外，磨损与耐疲劳性能和滞后性能关系也比较密切。尤其是在疲劳磨 损条件下，磨损主要由抗疲劳性能支配，随着疲劳性能的改善，出现磨损图 纹的时间将后移，这就提高了橡胶的耐磨性。 2 4 小结 1 橡胶类物质的力学性能与金属有明显差异，最主要的判别在于橡胶具 有：高弹性：粘弹性；形变时有热效应。粘弹性在动态变形时表明为 应力与应变不同相，应变落后于应力。 2 橡胶的摩擦可分为由粘着引起的粘着摩擦和由变形延迟恢复所引起的 迟滞摩擦。摩擦系数受速度、温度、压力及表面状态等因素的影响。 3 上述两种摩擦引起橡胶的三种磨损：由磨料的切削和撕裂而引起的 磨料磨损：周期变形引起的疲劳磨损；粘着而形成卷筒，最后撕裂而出 现卷筒磨损。三种机理在很大程度上与基体表面粗糙度及润滑状态有关。影 响橡胶的磨损的因素有：温度、速度及橡胶性能等。 4 适当地提高橡胶的扯断强度、硬度及耐温能力，减少密封面粗糙度的 同时，施以可靠的润滑，均有助于提高橡胶密封圈的寿命。 1 2 第三章回转动密封的密封机理 相对运动表面的密封机理是人们极为关注的问题，尽管有很多实验都证 实了机械密封面存在润滑液膜，遗憾的是，一个统一的，能被人们普遍接受 的动密封机理，却尚待建立譬1 自6 0 年代至今，已有不少学者的论文从各个不同角度探讨动密封的密 封作用，例如表面张力理论、波度理论、边界润滑理论、混相流动理论、泵 吸作用以及弹性流体润滑理论 3 1 表面张力理论 早在1 9 5 0 年，a b r k i c h 次提出了“表面张力理论”， 通过在密封的外周形成的液柱 曲液面的表面张力作用实现稳 的密封( 图3 一1 ) 。1 9 5 7 e t j a g g e ：发现当在密封 空气侧引入另一种液体时，在 封外周所维持的压差消失，消除了气一液界面，导致严重泄漏。实际上，由 于密封表面不可能是完全平坦的平面，运转时密封的弹性变形、热变形以及 外界振动等，使液柱的弯曲液面发生变化，失去表面张力的作用。因此，只 考虑表面张力一项因素，不足以说明密封作用，但表面张力确实对密封作用 有影响，例如在比较平行的平坦而光滑的表面以及在间隙的端头，都不能忽 视表面张力的作用。为了使弯液面的半径尽可能小，为了防止液体的流敞， 密封边缘具有9 0 。的角度是需要的。 3 2 边界润滑理论 e m a y e r 等用边界润滑理论来说明密封失效机理。在混合摩擦与边界摩 擦工况下，配合表面在无润滑或部分分离的状况下运动，产生粘附磨损、微 观犁沟及化学反应等，导致密封失效，特别是在密封件的载荷增加与滑动速 度降低时，常会发生这种情况。在压力大于3 0 m p a 时，橡胶密封件将在边界 润滑或无润滑工况下工作。这时，按边界润滑理论考虑密封，泄漏量较低。 边界润滑理论虽然不能作为普遍性密封机理，但在考虑密封机刊，骱 发生的边界润滑工况必须予以注意擎 3 3 泵吸作用 泵吸作用由日本荒井芳男提出并已经过试验验证。它是由偏心轴旋转和 油膜粘度产生的单向动力波所引起的。由这种吸引效应产生的负压，馊油封 唇口紧紧抱住轴，对轴有较好的追随性，从而形成完整的密封平衡状态，起 着重要的密封作用。接触图形或称带状区，是由唇部沿圆周伸展和油封压在 轴上而形成的，如果过盈量大，1 接触宽度也大。若轴绕其真正的中心旋转， 那么接触区的宽度在整个圆周上是相等的。但如果轴偏心转动，如图3 2 ( a ) 所示，唇口接触宽度将连续地从最大变为最小，尺寸见图3 2 ( b ) ，与此同 时，接触进入角( 空气角) 也随之变化( 图3 3 ) ，其结果表现为单边接触 波形的移动，如图3 - 2 ( b ) 所示。在接触宽度的横断面上，面向油侧或唇 端的内应力较大，如图3 3 所示。这个奇特的呈倾斜状的应力分配方式显示 出在接触宽度上由于橡胶密封圈与轴颈配合的过盈量不同而产生单边变化， 轴的偏心量和空气角会影响过盈量。当轴开始转动，由于毛细管作用，油膜 立即进入到接触区，见图3 3 ，油膜呈层流状态，顺轴的转动方向不断流动。 然后，最大接触宽度内的液体，如图3 3 a 所示，将积聚到唇口宽度范围以 内，此宽度很快减小并遵循一定的顺序，单边地从最大到最爿、( 3 3 因此，油流的方向，由于在狭窄的问隙里以急剧的速度变化移动而发生 了偏斜，如图3 2 ( b ) 从a b c d 此粘着力强的油膜以不对称的波形 单边偏斜，经过最小宽度的唇端间隙，通过油流方向的惯性，流入油池。同 时，反过来看，接触宽度从最小增加到最大c b a ，如果空气侧无油，则 必须反过来从油室供给接触宽度区域以润滑油，而唇端就象是一个控制液体 通道的止回阎，图3 - 2 ( b ) 中用短箭头表示这种情况。当轴继续高速旋转 时，润滑接触区域的油膜，通过连续不断的一系列单边波形的移动( 图3 - 2 ( b ) ) 不停地向油室移动，使液体被不断地吸进和排出。由于唇端局部负压 点的影h 向和移动，使整个唇部承受着负压。油封是一个微型泵，它的工作情 况和油液粘度，巧妙的唇部设计，和轴的旋转振动有关。也就是说，由于强 迫泵吸效应产生的吸油量和供油量相平衡，唇口承受着负压从而产生吸引力 和动态随动能力，这样来达到密封目的。 美国的j f i n d l a y 则认为，由于轴孔配合的同心度偏差与配合表面的加 工造成的几何偏差( 或称为棱角) ，所产生的波度之间的相角不同而在理讫 上表现为向内吸引( 回流) 或向外吸引( 流出，：j 还有一些学者探讨了弹性 变形、气蚀、离心力以及摩擦表面韵精加工方法及表面粗糙度等因素的影响。 3 4 流体动压润滑理论 许多学者发现，在动密封的行程中，在唇口与密封表面间有一层油膜， 使摩擦系数下降。6 0 年代以后，随着流体动压润滑理论的发展，奥地利的 h b l o k 在1 9 6 3 年认为密封面的润滑问题可设想为滑动轴承流体动压润滑的 逆问题，即假设己知压力分布，然后应用雷诺方程来计算油膜厚度、速度分 布、剪切应力、泄漏量与摩擦力。近年来，已有一些学者应用有限元法来计 算密封，例如利用通用有限元应力程序m a r c - c d c 分析唇密封的径向力、应 力和变形。这些工作，进一步明确了动密封作用机理” 回流油封正是根据流体动压理论而发展起来的，它分为单向回流油封和 双向回流油封。所谓回流油封，是指在普通油封工作唇的锥面上加工出各种 不同形状的花纹槽( 三角形突垫或三角形凹槽，正弦波形的弧形或半圈形的 凸棱等) 。根掘流体动力学原理，利用流体粘性摩擦剪切力的特性，使这些 楼楷在旋转轴高速运转时产生流体动压，强制使泄漏液经油封唇口回流返 回。单向回流油封是初期的回流油封，一般是将工作唇锥面上的花纹槽的方 向制成与轴旋转方向相反。由于花纹槽的回流作用使油封泄漏量减少，密封 性提高。促使油回流的是花棱槽的导流和增压作用，见图3 - 4 。当轴旋转时 粘附在轴表面上的油膜沿轴周向流动。粘附在轴上的油膜在粘性摩擦剪切力 的作用下冲向棱边c d 及e f ，由于花纹有倾角产生油楔，使棱边区段内流体 动压逐渐增加，直到大于轴上油膜层( a b c e g 区段) 压力，这部分液流穿过 油膜层返回油区，形成从空气区返回油区的回流效应。但是当轴反向旋转时， 会产生从油区到空气区的回流效应，因此，在轴发生正反转时就要做成图中 虚线所示的双向回流密封，即将邻近花棱槽对称布置，来保证始终从空气区 到油区的回流效应。双向回流密封中应用最多的是三角形凸垫油封、三角形 凹槽油封和正弦波形油封等。此外，还有在轴表面开出回流槽。最近，出现 多重油封与螺旋槽面的轴配合的流体动压油封。 石油大学陈家庆应用“螺旋密封” 的机理，研究了一种“流体动压环 形径向螺旋橡胶密封圈”，见图3 5 。这种密封圈的断面接近矩形，径 向开有螺旋矩形槽，钻头牙轮静止 时其密封机理与普通环形径向密封 圈相同，但牙轮稳定转动后，由于 轴转向 占 谪恁 ge c j 弋、。芦矿、 5 膜细铋o ”上u 上u 图3 - 4 回流效应示意图 螺旋槽的泵送效应，润滑脂开始进入密封面，而螺旋槽的另一端是盲端，无 流出通道，于是润滑脂便在密封面之间积聚起来，同时，润滑脂在密封面之 间圆周方向上的流动如同通过一连串的阶梯轴承，在一定程序上也产生流体 动压效应，直到其压力足以将两密封表面撑开少许，此时便形成一层动压油 膜，起润滑作用。密封圈在靠近泥浆的外侧边缘上是一直角边，这是为了避 免因流体动压效应而将外界磨粒带入密封面之间，而靠近油脂一侧的流体动 压作用将会使少量的润滑剂从外侧边缘漏出，这一少量而有控制的泄漏在运 转过程中将起到清洗作用；当密封圈轴向滑移时，其直角边可产生擦拭作用， 同样可以避免磨粒侵入 研究人员发现，在有完整液膜的窄间隙里，一个密封面作切向运动时， 便产生一个液动压力。为此间隙在传动方向上会出现一次或多次变狭或瞬时 改变高度，间隙高度的改变达到平均间隙高度的1 0 至2 0 左右，足以产生 相当高的液动压力。间隙高度发生这种变化的原因通常如下：间隙表面的粗 糙度：间隙表面的波纹度：摆动或倾斜：配置偏心和密封表面外周长泄漏受 阻：密封环自振等。 3 5 高一焦尔效应 高一焦尔效应常在承受较重载荷的回转轴与在轴上使用的0 形圈之问产 生。当0 形圈沿轴发生相对运动时，就会沿轴拉伸，橡胶对转轴的摩擦将 使0 形圈发热，引起橡胶沿轴的径向出现收缩，弹性模量提高，此时在0 形圈处f i _ f j 一位戮荷增大，因而产生更r k ：的摩擦爿：发热，0 j 起卫大x 缩。0 形圈这j ；| | l 脬擦、发热、i l j 缩与载荷增大的循环不断重复直至运逸失效， 就是昕 四高一焦尔效应。如果密封圈由于其它原因而膨胀( 如橡眨! f | 汽；性 膨胀) ，造成密封界面上的接触应力与接触面的掀少致使密封，o ；谩少，但 由于摩擦热所带来的高一焦尔效应引起橡胶的收缩，就司以在一定程度上弥 补密封力的减少。因此在回转密封中，只要压差与单位载荷能引起0 周向压 缩应力总是犬于拉应力，则密封圈就能正常工作。此外，降低轴的表面牟h 糙 度与维持表面的润渭膜，可以降低摩擦与发热，减小高一焦尔效应。在设计 密封圈结构州需要考虑这些园索! 川 3 6 波度理论 波度理论主要应用于端面密封，这种理论认为密封端面的波度可以在润 滑膜中引起流体动压力，控制表面的分离，并和环形面曲率综合引起横过表 面的流体回流。端面靠外侧点的压力大于内侧点的压力，只要波度适当( 0 1 0 2 5pm ) ，就可以利用回流抽吸，使密封表面间既具有油膜而又不致于泄漏。 影响波度的因素较多，如机加工形成的表面图形，端面的粗糙麦、偏心及胡 互平行性，在直径方向的不平度，特别是在运转过程中，由于载荷、振动、 摩擦与发热而引起的密封圈的变形和不均匀的接触压力，材料的不稳定性 ( 2 7 ， f 普遍认为密封表面间润滑液膜的存在，必定有泄漏。长期观察表明，机 械密封可以在液体薄膜润滑和微量泄漏下工作。因此阐明机械密象机理的任 何理论，都必须既能解释这种现象，又能解释频繁观察到的向内泵送现象。 为了阐明两平行平面之间润滑液膜的形成机理，许多学者围绕这个问题 进行了多方面的探讨，试图根据一定的物理原理进行推导，并且用密封性能 的实验数据，对承受载荷、摩擦力矩、在某些情况下的泄漏等加以验证。这 样就出现了多种假况，其中包括诸如表面波形、表面粗糙度、密封面中心线 不重台度以及非牛顿液流等机理。每种理论都有自身的实验作支丰孝而这些 理论的估计结果却有数量级的差别。不难看出，这些理论在实验结粜上的差 异表明了表面润滑和密封的真实机理还有待于进一步探究。 研究结果表明：各机械密封面不应当磨成平的，其中一个面应当具有设 计周到的波状表面。对一定密封性能所需要的波数和表面型面的尺寸可以从 基本润滑理论导出的方程进行计算。增加表面波纹数理论上可改善稳定性及 密封性能，然而，试验证明这种“改善”的数据尚不充分。进而认为，由于 载荷分布在更多的“支座”上，所以增加表面波数就可能大大地减小面的变 形，这在高压力或大轴径密封中可能是特别重要的。 j w l a n g f o r d 和m s k a l s i 研究认为，波状表面上一点的速度沿波纹 法向的分量v 。是密封和轴颈间形成动力油膜的原因所在。( 见图3 6 ，3 7 ) 。 在一部分波内，唇边下的速度分量指向油侧，当所产生的压力超过空气侧压 力梯度时，油液流向油侧。在另一部分波形内，唇边下的速度分量与油侧反 向，如果所产生的压力超过油侧唇口下的压力梯度，就会产生泄漏。净泵油 量是由轴向速度分量产生的流量 与唇口下沿整个圆周的压力梯度 所产生的流量差的总和) 3 7 空化理论 空化理论( 又称混相流动理 论或气蚀理论) 是指在密封端面 间产生广义的气蚀( 含有