大埋深隧道對盾構機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。分析結果表明，壓緊環(huán)唇形密封圈的密封能力與預緊載荷和材質均有關系，當預緊載荷越大，密封圈硬度值越高時，密封面的接觸壓力就越大，密封能力就越強。因此，為提高大埋深盾構機主軸承密封圈的密封性能，可采取以下措施: 在材料方面應選擇高硬度值的壓緊環(huán)密封圈，必要時可增加壓緊環(huán)密封圈的數(shù)量; 在結構方面應適當增加壓緊環(huán)的直徑，保證壓緊環(huán)有足夠的預緊行程施加更大的位移載荷，提高密封面接觸壓力。

　　跨江越海隧道具有大埋深、高水壓、長距離且地質條件復雜多變的特點，這對盾構機主軸承密封的可靠性和壽命提出了更高的要求。如果主軸承密封失效，就會直接造成盾構機停機，而在洞內盾構機主軸承修復十分困難，這種情況一旦發(fā)生，盾構施工的風險就會增加，工期也會延長，引起成本增加，給施工企業(yè)帶來巨大的損失。目前關于盾構機主軸承外密封的密封性能研究并不多。桑建兵、陳敏等人研究了旋轉軸唇形密封圈在不同載荷下的受力情況和密封性能; 于潤生研究了影響Yx 形密封圈密封性能的因素，提出了結構優(yōu)化方案，探討了生熱對密封性能的影響; 魯選才等詳細敘述了旋轉軸唇形密封圈的密封機制、影響因素、設計結構要點及材料選取原則; 張東葛等利用ANSYS 分析了Yx 形密封圈在不同工作壓力下的變形與受力情況，找出了Yx 形密封圈密封性能與結構參數(shù)之間的變化規(guī)律。上述文獻從不同角度、不同層次對旋轉軸唇形密封圈這一類型進行了研究，但針對盾構機用的壓緊環(huán)唇形密封圈的受力狀態(tài)與材料屬性、密封性能之間的關系研究不多。

　　本文作者以常見的盾構機主軸承外密封所用的壓緊環(huán)唇形密封圈為研究對象，分析盾構機主軸承外密封結構采用的唇形密封圈的密封性能，研究在不同載荷作用下，唇形密封圈接觸壓力與材質的關系，分析了密封圈材質與預緊載荷及抗靜水壓能力間的關系。

1、盾構機主軸承外密封結構

　　目前國際上著名的盾構機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機主軸承外密封結構，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 個相對獨立的密封腔，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，通過密封隔套和外密封壓環(huán)壓緊硬化橡膠環(huán)，使密封圈唇口產生一定的預壓力，提高密封效果。密封圈的材質不同，這種預壓力的大小也不同，通過分析這種預壓力和材質的關系，結合唇形密封原理，研究了適合大埋深盾構機主軸承外密封的密封圈材質及其密封性能。

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的自緊作用，壓緊環(huán)的使用則進一步加強了這種自緊效果。如圖3 所示，當壓緊環(huán)唇形密封圈工作時，密封唇與密封襯套之間的接觸壓力pw來自于兩個方面: 一是來自介質壓力，介質壓力pi直接作用在唇口上，使密封唇與密封襯套產生一定的接觸壓力; 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，對密封唇產生一定的壓力。當接觸壓力pw的最大值大于介質壓力pi時，密封唇就會堵塞介質泄漏的通道，起到密封的作用。

圖3 壓緊環(huán)唇形密封圈工作原理

3、結論

　　(1) 壓緊環(huán)唇形密封圈的密封能力與預緊載荷和材質均有關系。當預緊載荷越大，密封圈硬度值越高時，密封面的接觸壓力就越大，密封能力就越強，就能抵抗更大的外部壓力。

　　(2) 對于大埋深盾構機主軸承外密封的設計，在材料方面，應選擇高硬度值的壓緊環(huán)密封圈，必要時可增加壓緊環(huán)密封圈的數(shù)量; 在結構方面，為了提高壓緊環(huán)密封圈的密封性能，應適當改進密封圈的結構尺寸，增加壓緊環(huán)的直徑，保證壓緊環(huán)有足夠的預緊行程施加更大的位移載荷，提高密封面接觸壓力。