超高压组合式柱塞密封装置设计技术研究

王永强，鲁 飞，王素华，陈 真，李 欣，边海宁，沈 利

（1.合肥通用机械研究院有限公司 通用机械复合材料技术安徽省重点实验室，合肥 230031；2.铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵 244000；3.南通中远海运船务工程有限公司，江苏南通 226001）

0 引言

往复泵中柱塞与往复密封组件组成一对动密封副，往复密封组件是往复泵中重要易损件之一，直接影响着泵的性能和可靠性。往复密封组件常用的型式有压紧式填料密封、自封式密封和间隙密封等［1-6］。压紧式填料密封一般采用多个方截面的填料圈、隔圈、导向套安装在填料函体内，用填料压盖压紧填料，使其与柱塞表面和填料函体内孔表面紧密接触达到密封的目的，属于接触式利用外力预紧产生的压紧力进行密封的型式，一般用于压力不大于100 MPa的往复泵，如图1所示。自封式密封也是接触型密封，其填料函结构也和压紧式填料函大体相同。但它的密封作用主要是靠输送液体的压力使密封圈唇部张开与柱塞表面和填料函内壁紧密接触而密封。虽然也有相应的填料压盖或其他压紧填料的装置，但这种压紧不同于压紧式密封，是当密封圈磨损后起到一种补偿作用。自封式密封的密封圈有V形、U形和Y形等不同形式，其中采用V形密封圈的自封式密封结构最为常用，如图2所示。间隙密封往往用于高压或超高压往复密封，柱塞和液缸体（或高压缸套）之间经精密配研，使间隙在0.003～0.006 mm，表面粗糙度小于Ra0.2，可密封100 MPa以上压力［7］如图3所示。

图1 压紧式填料密封结构Fig.1 Structural diagram of compaction packing seal

图2 自封式密封结构Fig.2 Structural diagram of self-sealing seal

图3 间隙密封结构Fig.3 Structure of clearance seal

柱塞与液缸体直接组成密封副，如图3（a）所示，由于液缸体受内压而变形，会使间隙变大而导致密封失效，因此可采用柱塞与高压缸套组成密封副，如图3（b）所示，使高压缸套内外受压，以保持密封间隙，克服因外密封副变形导致密封失效的缺点。但单纯采用间隙密封对零件加工要求非常高，甚至需要柱塞与套筒组成一对偶配件，无法与其它零件进行互换，零件的更换代价非常昂贵，而且由于配合间隙非常小，对水质要求也非常高，主要应用于立式超高压泵的密封，其应用范围受到很大的限制。

目前工程应用要求超高压往复泵的压力达到300 MPa，其柱塞密封装置仅依靠以上所述的一种密封方式进行设计难以满足密封可靠性和长寿命的要求。超高压柱塞密封的失效是超高压泵故障的最主要形式［8］。笔者探索一种将间隙密封与自封式密封相结合的组合式密封技术，设计的超高压组合式柱塞密封装置经试验验证，可靠性和寿命有了大幅度的提高。并对超高压组合式柱塞密封装置的设计技术进行分解研究和总结，以期对类似的超高压往复密封的设计有一定的借鉴作用。

1 超高压组合式柱塞密封装置结构设计

超高压泵柱塞密封内外压差最高达到300 MPa，不是单一的密封形式或一级密封可以解决的，必须设计多级不同密封结构的组合式密封装置，通过不同密封结构的优势互补并分级承担密封压力才能实现可靠的密封［9］。经研究设计的超高压组合式往复密封装置，如图4所示。是由迷宫式间隙密封和V形圈自封式密封组成的两级高压密封、润滑冷却水腔和低压格莱圈密封共同组成的。

图4 超高压组合式往复密封装置结构示意Fig.4 Structural diagram of ultra-high pressure combined reciprocating sealing device

迷宫式间隙密封属于间隙或节流密封的一种型式，其密封原理是节流套筒在内壁车若干凹槽，与柱塞表面形成一系列节流间隙和膨胀空腔，当泄漏流体通过节流间隙时，其部分压力能转化为速度能，该速度能随即在膨胀空腔中，由于湍流涡旋耗散为热能而不能恢复为压力能，这样使通过的流体产生节流与热力学效应，泄漏流体的压力逐渐降低而达到密封效果［10-11］。本设计的迷宫式节流套筒内壁均匀分布数个膨胀空腔，是通过专业的流体分析软件对截取的其中一段迷宫密封结构进行数值模拟，如图5所示。从图5（a）的速度矢量可以看出，高压水从左侧柱塞与套筒间的缝隙进入膨胀空腔后大部分在空腔的右侧边界处形成绕空腔外壁的回流，即速度矢量的方向与主流的方向相反，而且越向空腔的中心压力越低，产生高速旋转的湍流旋涡，因为流入空腔和流出空腔的流量是一定的，所以大部分流入的高压水是经旋涡绕流后逐渐再从右侧缝隙进入下一级节流间隙的。高压水在旋涡中经过与壁面的摩擦及不同速度流体的层间摩擦后，大量动能转化为热能，速度降低，转换成的压力能也降低。从图5（b）可以看出，高压水经左侧节流间隙经过膨胀空腔后到右侧节流间隙的压力显著降低。经过每一级节流间隙和膨胀空腔后，泄漏的高压水压力降低值为15.6 MPa，经过整个迷宫式间隙密封后压力可降低156 MPa。

图5 对迷宫式间隙密封中包含一个膨胀空腔的一段间隙进行的数值模拟Fig.5 Numerical simulation of a gap containing an expanded cavity in a labyrinth clearance seal

由于迷宫式间隙密封与柱塞不直接接触，在密封面之间保持很小的间距，所以没有摩擦损耗，允许有一些泄漏，作为超高压往复密封装置中的前置密封，降低后一级接触式密封的负担。

V形圈自封式密封为超高压往复密封装置的第二级密封，由数只V形圈、支承环、压环、导向套和补偿压缩弹簧组成。泄漏的高压水经第一级迷宫式间隙密封节流降压后被V形圈自封式密封进一步密封。V形圈的上下唇分别与填料函内孔和柱塞配合，并有一定的过盈量，在补偿弹簧的弹性力作用下产生径向压力，提供初始的密封力。在高压工况下，介质推动套筒对V形圈形成挤压力，在支承环的作用下V形圈的唇口向外张开，径向密封力增大，使V形圈与填料函体、V形圈与柱塞的间隙得以密封，介质压力越大密封力也越大。导向套用于支承柱塞往复运动，并保持良好的对中性，以保证柱塞与套筒及V形圈不会偏磨，提高密封性能和使用寿命［12］。

润滑冷却水腔的作用是从高压泵进口将低压水引入高压密封的背面，保持柱塞与密封之间的润滑，并将摩擦产生的热量带走，防止密封件因高温而损坏，同时保证密封件内外侧间隙都与润滑冷却水腔相通，微量的泄漏通过冷却水腔排出，保持良好的密封工作状态。

低压格莱圈密封也称为同轴密封，是聚氨脂或PTFE密封环和弹性体环的组合体。聚氨脂或PTFE密封环具有润滑性能好、摩擦力低、无黏着和良好的耐热性，但由于聚氨脂或PTFE材料具有弹塑性变形特点，且具有较高的弹性模量，不能仅依靠径向挤压一个整体聚氨脂或PTFE密封环来产生和柱塞之间的密封接触压力。因此，需要在上面叠加一个具有良好弹性变形性能的弹性体环，通过挤压弹性体环向柱塞传递径向载荷，从而达到密封的目的［13］。

2 超高压组合式柱塞密封设计计算

2.1 超高压间隙密封设计计算

柱塞与减压套筒间隙中介质的流动为同心环缝隙流动，属于层流范畴。缝隙中液体产生运动的原因有：（1）压差流（由于存在压差而产生流动）；（2）剪切流（由于组成缝隙的壁面具有相对运动而使缝隙中的液体流动）。柱塞密封间隙中介质的流动两者都有因此可以称为压差-剪切流。泄漏量公式［14］为：

式中的前一部分是压差流造成的泄漏量，后一部分是剪切流造成的泄漏量，当压差流动和柱塞运动方向一致时取“＋”号，相反时取“－”号。

柱塞与套筒之间的间隙密封结构如图6所示。柱塞与套筒之间形成同心环缝隙，柱塞直径为d1，柱塞与套筒半径间隙为δ，柱塞运动线速度为U，工作腔压力p1，冷却腔压力p2，压差Δp=p1-p2。超高压泵的冷却腔与进水口连通，进水口压力p0，则冷却腔压力等于进水口压力，即p2=p0。下面以流量40 L/min、压力300 MPa超高压泵的设计参数计算间隙密封的泄漏量。

图6 柱塞与套筒间隙密封结构示意Fig.6 Structural diagram of plunger-and sleeve clearance seal

根据结构设计，各参数取值，见表1。

表1 结构参数Tab.1 Structural parameters

（1）柱塞处于吸程时缝隙流动分析。

柱塞处于吸程时，柱塞从工作腔向冷却腔移动，剪切流的方向为正，吸入阀打开，p1=p2=p0，Δp=p1-p2=0，则压差流泄漏量为0，由式（1）得出泄漏流量：

计算得：qv=929.9 mm3/min=0.000 93 L/min。

（2）柱塞处于排程时缝隙流动分析。

柱塞处于排程时，柱塞从冷却腔向工作腔移动，剪切流的方向为负，排出阀打开，工作腔处于高压状态，压差流方向为正，Δp=p1-p2=300-0.5=299.5 MPa。此时泄漏流量计算式为：

压力为0.101 325 MPa、温度为20 ℃的条件下，水的动力黏度μ0=1.01×10-3Pa·s。压力为 300 MPa时水的动力黏度μ= μ0eαp=2.02×10-3Pa·s。

将数据代入式（3）得qv=2.89 L/min。

2.2 超高压V形圈自封式密封设计计算

2.2.1 V形圈自封式密封工作原理及部件设计

V形密封圈截面为V形，也是一种唇形密封圈。V形密封组件由支承环、密封圈、压环3个部件组成。

（1）超高压V形密封圈。

标准V形密封圈一般唇口夹角为90°，厚度小，比较单薄如图7（a）所示，本设计的超高压V形密封圈将唇口的夹角加进行了放大，厚度加大，使其内外径都增加一个圆柱段，增加超高压V形密封圈强度、刚度、稳定性和耐压能力，使其在超高压下不会被高压水冲破如图7（b）所示。

图7 标准V形密封圈与超高压V型密封型圈截面形状Fig.7 Sectional shapes of standard V-ring and ultra-high pressure V-ring

在自由状态下，V形圈的唇部外径大于填料函的内径，唇部内径小于柱塞外径，即有一定的过盈量。过盈量大则摩擦阻力大，小则密封效果不好。为了保证可靠的密封并不至于摩擦力过大，密封圈过盈量应达公称截面宽度的10%～14%，设计过盈量为内外直径方向均为0.8 mm。这样，装配后便有一定的变形。由于支承环的作用，这种变形只发生在唇的尖端，并在其接触部位产生压力，即使不施加压紧力，唇口也能封住一定的内压。因为唇有“自封”作用，当介质工作压力升高时，唇尖改变接触形状和加大接触应力，唇部与被密封面贴合得更紧密，实现密封作用，介质压力升高接触压力相应升高。超高压泵一般将多个V形圈组合使用，介质压力通过支承环和压环施加压紧力将多个V形圈组合成一个整体，介质压力越高压紧力越大。泄漏介质即使通过了第一道V形圈，压力也会大为降低，通过后续V形圈的唇部泄漏压力将损失殆尽，泄漏被阻止或只有极其微量的泄漏介质通过。

V形密封圈内外唇倾斜角度一般为5°～9°，内外唇口都为过盈配合，外圆柱段也为过盈，内圆柱段为间隙配合。这样既能减小摩擦阻力，又能保证唇部对密封面的预压力。采取这种改进措施，有利于提高V形圈密封性能和使用寿命。

（2）支承环。

支承环是支承V形密封圈的重要部件，其断面厚、尺寸精确、凸形角与V形圈相同或稍大，使密封圈安放稳定。支承环对V形密封圈的位置起决定性作用，同时保护密封圈，维护密封唇的机能，因此它的形状和尺寸精度直接影响密封唇的工作，为此必须对它精加工。支承环与密封圈的角度相同。为了充分发挥V形密封唇的功能，让介质压力更好的作用于密封圈，使其充分张开，支承环不但没有过盈量而且要小于公称截面宽不超过5%。其外径就小于唇的外径，内径应大于唇的内径，保持一定间隙。

（3）压环。

压环的作用是给V形密封圈形成一个初始压缩量，使其与被密封面充分接触，同时也对密封圈起定位作用。通常它的凹部与密封圈角度相同，也需精加工。压环的外径与填料函内孔有一定的过盈量或为过渡配合，对柱塞为间隙配合。

2.2.2 V形密封圈受力分析及密封力计算

由间隙密封的设计计算可知，介质经过密封套筒节流降压后仍有一部分泄漏量，需要通过由V形密封圈、支承环、压环组成的自封式密封进一步进行密封。自封式密封受力分析如图8所示［15-16］。

图8 自封式密封受力分析Fig.8 Force analysis of self-sealing seal

弹簧预紧力为：

高压水作用力为：

式中 D ——密封腔内径，mm，D=32 mm；

d ——柱塞直径，mm，d=20 mm；

p ——密封腔最高工作压力，MPa，p=300 MPa。

代入数据得F2=147 027 N，则密封件的轴向最大压紧载荷Fx=F1+F2=147 327 N。

以支承环为分析对象，则2Ftcos30°=Fx。

支承环对V形圈唇口的垂直挤压力为：

以V形圈为分析对象，将垂直挤压力Ft分解为轴向力Fa和径向接触压力Fj。

径向接触压力为：Fj=Ftsin30°=218 32 N。

唇口处密封面圆周长度为：L=πD=62.8 mm。

唇口载荷为：f=Fj/L=347.6 N/mm。

因此，在最大压力300 MPa时，V形圈唇口与填料函体及柱塞的接触压力为21 832 N，在此压力下V形圈唇口将紧紧贴在填料函体内孔和柱塞外壁上，防止高压水泄漏，但也要求V形圈材料的耐磨性要好，有足够的硬度和弹性模量，普通的软填料、橡胶和夹布橡胶等软质材料不能满足要求。

3 关键零件材料及加工工艺研究

3.1 节流套筒材料及加工工艺

节流套筒是迷宫式间隙密封的关键零件，要求材料具有优良的耐磨性、弹性、高强度，经过分析对比选择铍青铜QBe2作为节流套筒的制作材料。QBe2的力学性能见表2。

表2 QBe2的力学性能Tab.2 Mechanical property of QBe2

铍青铜QBe2的优良性能需要通过热处理强化才能充分体现，其热处理工艺为：（1）固溶处理，在氨分解气或酒精裂解气等保护介质中加热790 ℃ ×10 min。（2）时效处理，325 ℃ ×3 h，硬度395HV0.2。

3.2 V形密封圈材料及加工工艺

普通V形密封圈的材料一般为橡胶或夹织物橡胶，强度及硬度低，密封可靠性和耐磨性不足以满足超高压工况的要求。超高压V形密封圈采用芳纶纤维复合黏结，加热加压后模压成型，具有较高的硬度、刚性和致密性，优良的耐磨性和稳定性。芳纶纤维全称为“芳香族聚酰胺纤维”，英文为Aramid fiber（杜邦公司的商品名为Kevlar是芳纶纤维的一种，即对位芳纶纤维），是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，弹性模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560 ℃的温度下，不分解，不熔化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程［17］。

4 采用超高压组合式柱塞密封装置的超高压泵试验效果

笔者对采用间隙密封与自封式密封相结合的组合式柱塞密封技术设计制造的超高压泵柱塞密封装置随超高压泵进行长时间的寿命考核试验，经验证该柱塞密封装置在超高压泵排出压力为280 MPa的情况下使用寿命达到300 h左右，而采用常规的填料密封设计的密封装置在超高压泵的排出压力为200～230 MPa时，寿命可达150 h左右，而在280 MPa压力下只有50 h左右。从试验情况可以看出，采用间隙密封与自封式密封相结合的组合式柱塞密封技术的超高压密封装置可以大幅提高超高压泵柱塞密封的使用寿命。

5 结论

（1）超高压柱塞密封装置采用间隙密封与自封式密封相结合的组合密封技术进行设计，可以取得良好的密封效果和大幅提高密封件的使用寿命。超高压组合式柱塞密封装置在超高压泵排出压力为280 MPa的情况下使用寿命达到300 h左右。

（2）间隙密封套筒内壁设计若干凹槽，即可以形成迷宫密封，使泄漏介质的能量在凹槽耗散，逐级降低泄漏介质的压力，同时凹槽中存液有助于在柱塞与套筒中形成水膜，增强润滑效果。数值模拟计算结论表明，经过每一级节流间隙和膨胀空腔后，泄漏的高压水压力降低值为15.6 MPa，经过整个迷宫式间隙密封后压力可降低156 MPa。

（3）超高压工况条件下，V形密封圈的密封效果和使用寿命明显强于矩形截面的填料密封环，而且使用多个V形密封圈成组布置可以形成多道密封，效果好于仅使用一个V形密封圈，V形密封圈组件的两端必须辅以支承环和压环。