大埋深隧道對盾構(gòu)機(jī)主軸承密封性能提出了更高的要求。利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 研究不同材質(zhì)的壓緊環(huán)密封圈在不同載荷下的受力狀況，研究其密封性能。分析結(jié)果表明，壓緊環(huán)唇形密封圈的密封能力與預(yù)緊載荷和材質(zhì)均有關(guān)系，當(dāng)預(yù)緊載荷越大，密封圈硬度值越高時(shí)，密封面的接觸壓力就越大，密封能力就越強(qiáng)。因此，為提高大埋深盾構(gòu)機(jī)主軸承密封圈的密封性能，可采取以下措施: 在材料方面應(yīng)選擇高硬度值的壓緊環(huán)密封圈，必要時(shí)可增加壓緊環(huán)密封圈的數(shù)量; 在結(jié)構(gòu)方面應(yīng)適當(dāng)增加壓緊環(huán)的直徑，保證壓緊環(huán)有足夠的預(yù)緊行程施加更大的位移載荷，提高密封面接觸壓力。

1、盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封結(jié)構(gòu)

　　目前國際上的盾構(gòu)機(jī)廠商對主軸承的密封均采用骨架式唇形密封圈，常見的唇形密封圈有單唇形密封圈、帶壓緊環(huán)唇形密封圈及多唇形密封圈，如圖1 所示。

圖1 幾種常見的唇形密封圈

　　本文作者所要研究的壓緊環(huán)密封圈安裝示意圖如圖2 所示，這是一種常見的盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封結(jié)構(gòu)，密封腔被兩道壓緊環(huán)密封圈和兩道唇形密封圈分隔成5 個(gè)相對獨(dú)立的密封腔，每道密封圈由密封隔套隔開，使其保持良好的安裝位置和密封狀態(tài)。在安裝時(shí)，通過密封隔套和外密封壓環(huán)壓緊硬化橡膠環(huán)，使密封圈唇口產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，提高密封效果。密封圈的材質(zhì)不同，這種預(yù)壓力的大小也不同，通過分析這種預(yù)壓力和材質(zhì)的關(guān)系，結(jié)合唇形密封原理，研究了適合大埋深盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封的密封圈材質(zhì)及其密封性能。

圖2 壓緊環(huán)密封圈安裝示意圖

2、唇形密封工作原理

　　唇形密封圈的工作面為唇口，在壓力的作用下，唇口與密封面緊密貼合，與擠壓型密封圈相比具有更強(qiáng)的自緊作用，壓緊環(huán)的使用則進(jìn)一步加強(qiáng)了這種自緊效果。如圖3 所示，當(dāng)壓緊環(huán)唇形密封圈工作時(shí)，密封唇與密封襯套之間的接觸壓力pw來自于兩個(gè)方面: 一是來自介質(zhì)壓力，介質(zhì)壓力pi直接作用在唇口上，使密封唇與密封襯套產(chǎn)生一定的接觸壓力; 另一方面來自于壓緊環(huán)的作用。壓緊環(huán)在介質(zhì)壓力、外密封壓環(huán)和密封隔套的作用下，不斷擠入唇形密封圈的楔形口中，對密封唇產(chǎn)生一定的壓力。當(dāng)接觸壓力pw的值大于介質(zhì)壓力pi時(shí)，密封唇就會(huì)堵塞介質(zhì)泄漏的通道，起到密封的作用。

圖3 壓緊環(huán)唇形密封圈工作原理

3、結(jié)論

　　(1) 壓緊環(huán)唇形密封圈的密封能力與預(yù)緊載荷和材質(zhì)均有關(guān)系。當(dāng)預(yù)緊載荷越大，密封圈硬度值越高時(shí)，密封面的接觸壓力就越大，密封能力就越強(qiáng)，就能抵抗更大的外部壓力。

　　(2) 對于大埋深盾構(gòu)機(jī)主軸承外密封的設(shè)計(jì)，在材料方面，應(yīng)選擇高硬度值的壓緊環(huán)密封圈，必要時(shí)可增加壓緊環(huán)密封圈的數(shù)量; 在結(jié)構(gòu)方面，為了提高壓緊環(huán)密封圈的密封性能，應(yīng)適當(dāng)改進(jìn)密封圈的結(jié)構(gòu)尺寸，增加壓緊環(huán)的直徑，保證壓緊環(huán)有足夠的預(yù)緊行程施加更大的位移載荷，提高密封面接觸壓力。