压紧环唇形密封圈优化设计研究

图 3 盾构机主轴承密封圈优化设计流程图
图 4 压紧环密封圈模型的部分尺寸参数
2）密封圈材料与本构模型 根据《HG/T 2811-1996 旋转轴唇形密封圈橡胶材 料》可知，密封圈一般采用以丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、 硅橡胶和氟橡胶为基的橡胶材料，唇形密封圈的部分 物理性能参数如表 2 所示。
表 1 密封圈的截面尺寸
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
参数名称 DS_A14 DS_A15 DS_A16 DS_H6 DS_R10 DS_V11 DS_V17 DS_V4 DS_D23
初始值 85° 70° 75° 28mm 2.5mm 7.1mm 2mm 25mm 8.9mm
橡胶材料通常被认为是各向同性且不可压缩的超 弹材料，超弹材料应力与应变之间的非线性关系主要
39 MPa 38.5 MPa 38.5 MPa <4% 38 MPa 38 MPa 37.5MPa 37.5MPa
参考文献
[1] 王丽坤,等.测量压电式微压传感器灵敏度的新方法[J].传感 器与微系统,2006,(2).
[2] QJ28-87，压力传感器静态精度计算方法[S]. [3] 朱明武，梁人杰，柳光辽，等. 动压测量[M]. 北京：国防工业
表 1 压力表密封性试验实测数据
3 结论
施加压力 加压时间 实测压力
40MPa 1min
39.5 MPa
2min
39.5 MPa
3min
39 MPa
泄漏量 <5%
经过实验我们可以发现，我们研制的该款采用纯 净水作为压力表测试装置的压力源完全符合压力表测 试装置的各项技术指标。
4min 5min 6min 7min 8min 9min 10min
盾构施工的风险就会增加，工期也会延长，引起成本增 加，给施工企业带来巨大的损失。目前关于盾构机主
机相关设计研究工作。
轴承密封圈的密封性能研究并不多。文献[1]和文献[2]
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文章编号：1008-0813（2015）03-0056-06
The Research on Optimization Design of Lip Seal with Hold-down Ring
CHEN Qiao，ZHOU Jian-jun，LI Feng-yuan，WANG Zhu-feng
(State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, Chi的受力分析 1）密封圈的参数化模型
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液压气动与密封/2015 年第 03 期 根据盾构机主轴承密封圈优化设计流程（见图 3），
首先建立密封圈的参数化模型。根据密封圈的实际受 力情况，此分析问题可简化为 2D 轴对称，因此建立的 分析模型为 2D 模型。该模型中需要参数化的尺寸如 图 4 所示，表 1 为这些参数的名称及初始值。
Hydraulics Pneumatics & Seals/No.03.2015
1-外密封支撑环 2-压紧环密封圈 3-密封隔套 4-唇形密封圈 5-环形法兰 6-密封隔套 7-外密封压环 ①~⑤ -第 1~5 密封腔
图 2 压紧环密封圈安装示意图
2 优化设计简介
所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有
上述文献研究的内容和范围比较广泛，但针对盾 构机用的压紧环唇形密封圈的结构参数与密封性能之 间的关系研究有所缺乏。文章将以常见的盾构机主轴 承外密封所用的压紧环唇形密封圈为研究对象，分析 盾构机主轴承外密封结构采用的唇形密封圈的密封性 能，研究在相同载荷作用下，同种材质的唇形密封圈接 触压力与其结构尺寸的关系，分析主要结构尺寸参数 对密封圈接触压力和等效应力的影响，优化密封圈的 结构尺寸，提高了其密封性能。
Abstract：In order to improve the sealing performance of shield machine main bearing seals, the author establishes the optimization design process of main bearing seals, analyzes and researches the effects between structure size of lip seal with clamping ring and its seal performance with ANSYS Workbench. Finds that the diameter of the clamping ring, the tilt angle and height of the lip seal have influences on its sealing performance. Optimizes the lip seal with these parameters, the optimization analysis significantly improves the lip seal’s sealing performance and provides references for main bearing seal’designing and selection of shield machine. Key words：shield machine; main bearing; sealing ring; optimization design
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通过应变能函数来定义。本文采用在实际工程应用中
常用的 Mooney-Rivlin 两参数本构模型，其应变能密度
函数的表达式为[11]:
W=C1（0 I1-3）+C0（1 I2-3）
（1）
式中：
W——应变势能；
I1、I2——变形张量； C10、C01——Mooney-Rivlin 常数。 橡胶材料的弹性模量 E 与邵尔 A（式中用 SA 表
图 4 压力表测试装置泄漏测试曲线 56
2009,(12). [8] 董俊宝,姜立勇.液压发展的一种新方向---纯水液压传动
[J].液压气动与密封,2012,(3).
研究的是 O 形圈在不同压力下的接触压力及等效应力 的分布情况及变化规律；文献[3]从理论和实际应用两 个方面对 O 形密封圈的可能失效原因进行了分析，并 对 O 形密封圈进行了改进设计，最终解决了液压系统 的泄漏问题；文献[4]研究了三元乙丙胶材料的密封圈 硬度对其密封性能的影响；文献[5]研究了唇形密封圈 在不同载荷下的受力情况和密封性能；文献[6]研究了 弹簧圈预紧、过盈配合以及不同的介质压力对旋转轴 唇形密封圈密封性能的影响，得到了旋转轴密封圈的 等效应力分布规律以及唇口处接触应力的分布曲线； 文献[7]和文献[8]主要研究了 Y 形密封圈在工作环境下 受力情况及密封性能。
计方案 。 [10]
优化问题的数学模型可表示为:
ìF ( X íïgi( X
) )
= =
F ( x1, x2, ⋯, xn ) gi ( x1, x2, ⋯, xn ),
îïX = (x1,x2,⋯,xn)T
i = 1,2,⋯,M
上式中 F(X) 为设计变量的目标函数，X 为设计变
量，gi(X) 为状态变量。设计变量为自变量，优化结果
液压气动与密封/2015 年第 03 期 doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2015.03.017
压紧环唇形密封圈优化设计研究
陈 桥，周建军，李凤远，王助锋
（盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001）
摘 要：为了提高盾构机主轴承密封圈的密封性能，建立主轴承密封圈优化设计流程，利用 ANSYS Workbench 分析研究压紧环唇形密封
出版社，1983:285-313. [4] JB/T599-2005，压力表校验器[S]. [5] JJF1033-2008，计量标准考核规范[S]. [6] 张飞龙，陈奎生，等.液压缸密封性能改进[J]. 液压气动与密
封，2009,(1). [7] 张大友，等.一种新的动态压力校准装置[J].宇航计测技术
对应关系，如表 3 所示。
本文主要研究盾构主轴承密封圈结构尺寸对密封
性能的影响，为了避免密封材料特性的变化对密封性
1 盾构机主轴承外密封结构简介
目前国际上著名的盾构机厂商对主轴承的密封均 采用骨架式唇形密封圈，常见的唇形密封圈有单唇形 密封圈、带压紧环唇形密封圈及多唇形密封圈[9]，如图 1 所示。
a）单唇形密封圈
b）压紧环密封圈
c）多唇形密封圈
图 1 几种常见的唇形密封圈
文章所要研究的压紧环密封圈安装示意图如图 2 所示，这是一种常见的盾构机主轴承外密封结构，密封 腔被两道压紧环密封圈和两道唇形密封圈分隔成 5 个 相对独立的密封腔，每道密封圈由密封隔套隔开，使其 保持良好的安装位置和密封状态。在安装时，通过密 封隔套和外密封压环压紧硬化橡胶环，使密封圈唇口 产生一定的预压力，提高密封效果。在相同载荷作用 下，对于同种材质的密封圈，若其结构尺寸不同，这种 预压力的大小也不同，通过分析这种预压力和结构尺 寸的关系，优化密封圈的结构尺寸，使其在装配时能产 生最大的预压力，从而在接触面上产生更大的接触应 力以提高其密封性能。
圈结构尺寸对其密封性能的影响，结果发现压紧环的直径、密封圈唇口的倾斜角度和密封圈的高度对其密封性能影响较大，结合这些参
数，对压紧环唇形密封圈进行优化设计，优化分析的结果大幅提高了密封圈的密封性能，为盾构主轴承密封圈的设计选型提供了参考。
关键词：盾构机；主轴承；密封圈；优化设计
中图分类号：TB42
文献标识码：A
0 引言
跨江越海隧道具有大埋深、高水压、长距离且地质
条件复杂多变的特点，这对盾构机主轴承密封的可靠 性和寿命提出了更高的要求。如果主轴承密封失效， 将会造成盾构机无法正常工作。这种情况一旦发生，
收稿日期：2014-07-07 作者简介：陈桥（1988-），男，湖北安陆人，助理工程师，硕士，现从事盾构
的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的，每个
设计变量都有上下限，必须规定 X 中的每一个元素 的
最大值和最小值，它定义了设计变量的变化范围；状态
变量是约束设计的数值，是设计变量的函数，状态变量
可能会有上下限，也可能只有单方面的约束，即仅有上
限或者下限；目标函数是要尽量小的数值，它必须是设
计变量的函数[10] 。
示）、Mooney-Rivlin 常数 C10、C01有以下关系[11]：
ìïE í
=
15.75 + 2.15SA 100 - SA
îïE = 6(C10 + C )01
（2）
取 C01=0.25 C10，根据表 1 中橡胶材料硬度的变化范 围，得到橡胶硬度与 Mooney-Rivlin 常数 C10、C01 之间的
的 设 计 要 求 ，而 且 所 需 的 支 出（如 重 量 、面 积 、体 积 、
应 力 、费 用 等）最 小 ，即 最 优 设 计 方 案 是 一 个 最 有 效
率的方案。优化设计的基本原理是通过构建优化模
型，运用各种优化方法，通过在满足设计要求的条件
下进行迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设
3 密封圈优化设计流程
首先，根据密封圈初始的断面结构尺寸建立参数 化模型；其次，结合实际的工况，分析当前尺寸下密封 结构的受力情况，如结构变形、接触应力、等效应力等； 最后，将密封圈的断面结构尺寸和受力分析结果分别 作为设计变量和目标函数，不断进行优化计算，直至求 出最佳解。通过此分析优化流程，确定最适合当前工 况的密封圈断面结构尺寸。