盾构机

大埋深隧道对盾构机主轴承密封性能提出了更高的要求。利用有限元分析软件ANSYS Workbench 研究不同材质的压紧环密封圈在不同载荷下的受力状况，研究其密封性能。分析结果表明，压紧环唇形密封圈的密封能力与预紧载荷和材质均有关系，当预紧载荷越大，密封圈硬度值越高时，密封面的接触压力就越大，密封能力就越强。因此，为提高大埋深盾构机主轴承密封圈的密封性能，可采取以下措施: 在材料方面应选择高硬度值的压紧环密封圈，必要时可增加压紧环密封圈的数量; 在结构方面应适当增加压紧环的直径，保证压紧环有足够的预紧行程施加更大的位移载荷，提高密封面接触压力。

1、盾构机主轴承外密封结构

　　目前国际上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，如图1 所示。

图1 几种常见的唇形密封圈

　　本文作者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。密封圈的材质不同，这种预压力的大小也不同，通过分析这种预压力和材质的关系，结合唇形密封原理，研究了适合大埋深盾构机主轴承外密封的密封圈材质及其密封性能。

图2 压紧环密封圈安装示意图

2、唇形密封工作原理

　　唇形密封圈的工作面为唇口，在压力的作用下，唇口与密封面紧密贴合，与挤压型密封圈相比具有更强的自紧作用，压紧环的使用则进一步加强了这种自紧效果。如图3 所示，当压紧环唇形密封圈工作时，密封唇与密封衬套之间的接触压力pw来自于两个方面: 一是来自介质压力，介质压力pi直接作用在唇口上，使密封唇与密封衬套产生一定的接触压力; 另一方面来自于压紧环的作用。压紧环在介质压力、外密封压环和密封隔套的作用下，不断挤入唇形密封圈的楔形口中，对密封唇产生一定的压力。当接触压力pw的值大于介质压力pi时，密封唇就会堵塞介质泄漏的通道，起到密封的作用。

图3 压紧环唇形密封圈工作原理

3、结论

　　(1) 压紧环唇形密封圈的密封能力与预紧载荷和材质均有关系。当预紧载荷越大，密封圈硬度值越高时，密封面的接触压力就越大，密封能力就越强，就能抵抗更大的外部压力。

　　(2) 对于大埋深盾构机主轴承外密封的设计，在材料方面，应选择高硬度值的压紧环密封圈，必要时可增加压紧环密封圈的数量; 在结构方面，为了提高压紧环密封圈的密封性能，应适当改进密封圈的结构尺寸，增加压紧环的直径，保证压紧环有足够的预紧行程施加更大的位移载荷，提高密封面接触压力。