1、流 体 机 械2023 年 9 月20 第 51 卷第 9 期 收稿日期：2022-08-31 修稿日期：2023-04-03基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFB2006805）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.09.004设计计算盾构主驱动聚氨酯密封系统高效冷却研究王文坤，程永龙，张新异，赵明恩，李佳衡，焦湘和（中铁工程装备集团有限公司，郑州 450016）摘 要：针对常规盾构主驱动密封系统频繁失效的问题，提出了盾构主驱动聚氨酯密封系统形式。为保证聚氨酯密封长期使用温度低于 70，通过试验与仿真方法，研究聚氨酯密封系统摩擦热及冷却效率。试验测得聚氨
2、酯密封润滑状态下滑动摩擦系数及力学性能数据，进而通过仿真手段得到直径为 7.45m 的密封，发热量为 51kW。在此基础上建立盾构密封系统仿真模型，进行共轭换热仿真计算，得到冷却流量对唇口温度的影响曲线。通过设计优化异形-低热阻冷却水套，实现强化传热，最终使盾构聚氨酯密封唇口温度达到 70以内，为聚氨酯密封应用于大直径盾构提供了理论依据。关键词：盾构主驱动；聚氨酯密封；强化传热；共轭换热中图分类号：TH12 文献标志码：A Study on high efficiency cooling of polyurethane seal for shield main driveWANGWenkun，
3、CHENGYonglong，ZHANGXinyi，ZHAOMingen，LIJiaheng，JIAOXianghe（RailwayEngineeringEquipmentGroupCo.，Ltd.，Zhengzhou 450016，China）Abstract：Apolyurethanesealingsystemforthemaindriveofshieldtunnelingwasproposedtoaddressthefrequentfailureofthesealingsysteminconventionalshieldtunneling.Toensurethatthelong-terms
4、ervicetemperatureofpolyurethanesealisbelow70，thefrictionalheatandcoolingefficiencyofthepolyurethanesealsystemwerestudiedbyexperimentalandsimulationmethods.Theslidingfrictioncoefficientandmechanicalperformancedataofthepolyurethanesealunderlubricationweremeasuredexperimentally，andthentheheatoutputofth
5、e7.45mdiametersealwasobtained，whichwas51kWthroughsimulation.Basedonthis，asimulationmodeloftheshieldsealingsystemwasestablished，andconjugateheattransfersimulationcalculationswereperformedtoobtaintheinfluencecurveofthecoolingflowrateontheliptemperature.Finally，throughthedesignandoptimizationofaspecial
6、-shapedandlowthermalresistancecoolingwaterjacket，enhancedheattransferwasachieved，andthetemperatureoftheshieldpolyurethanesealinglipwasultimatelyachievedwithin70，providingatheoreticalbasisfortheapplicationofpolyurethanesealingtolarge-diametershieldtunneling.Key words：shieldtunnelingmaindrive；polyuret
7、haneseal；enhancedheattransfer；conjugateheattransfer0 引言隧道施工随着科技发展和市场需求在不断进步，盾构法作为隧道工程的首选方法，在工程建设中发挥着至关重要的作用。随着隧道工程向大断面、大埋深、长距离的方向发展1，对盾构机的可靠性提出了新的挑战。近年来，尽管大直径盾构机已应用于国内外多个项目，如美国西雅图SR99隧道、武汉某隧道等大直径隧道工程，但项目建设过程中盾构机主驱动密封失效是掘进过程中的主要风险之一2-3。常规主驱动密封系统是由多道橡胶单唇密封和迷宫结构组成，并在唇形密封间充注油脂。此密封结构在实际工程应用中尤其大直径盾构机中问题较多
8、4-15。盾构聚氨酯密封具有高弹性、高耐磨、高承压等优势，可显著提升挡渣效果，提高盾构主驱动密封系统可靠性。为了解决盾构主驱动密封失效问题，提高主驱动系统运行可靠性，将单唇密封改为21四指型聚氨酯密封。虽然聚氨酯密封在国内使用广泛，但是聚氨酯弹性体耐热性能存在明显不足，盾构用聚氨酯密封使用温度一般不高于 70，严重制约聚氨酯密封应用于大直径、高线速度等复杂盾构工况。本文将进行聚氨酯密封冷却系统研究，探究盾构机在高线速度工况下的聚氨酯密封发热量、热量传递路径及水冷效率，优化密封系统结构以满足盾构聚氨酯密封应用需求。1 聚氨酯密封摩擦热计算常规盾构主驱动密封系统为单唇形橡胶密封，一般由多道密封组成
9、，如图 1 所示。聚氨酯密封系统如图 2 所示，考虑到空间布置情况，两道聚氨酯密封一般采用L 型布置，最后一道为VD 密封，可承受高压力工况。由于聚氨酯密封材料不耐高温，需在聚氨酯密封唇口处布置冷却水套。图 1 盾构主驱动单唇型橡胶密封系统Fig.1 Singleliprubbersealingsystemofshieldmaindrive图 2 盾构主驱动四指型聚氨酯密封系统Fig.2 Four-fingerpolyurethanesealingsystemofshieldmaindrive摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦，其中盾构密封系统为密封与跑道的滑动摩擦。以外密封直径为 7.45m 的盾构
10、为研究对象，最高转速为 5r/min。Qfvfn D=（1）fN=（2）式中，Q 为摩擦发热量；f 为摩擦力；v 为线速度；n为转速；D 为密封直径；为摩擦系数；N 为法向力。根据摩擦热公式（1）16，对于特定盾构来说，转速与直径已知，仅需计算得出摩擦力即可，摩擦力f 由摩擦系数和法向力构成。1.1 摩擦系数滑动摩擦阻力产生过程十分复杂，与微观滑动、弹性滞后、黏着效应和塑性变形有关17。在实测过程中，应确保温度、滑动速度及载荷与盾构工况相同。在转盘旋转过程中，采用力传感器 1和 2 测试力数据（见图 3），并通过测试台程序计算得出摩擦系数，润滑良好状态下聚氨酯滑动摩擦系数测试结果为 0.4。（
11、a）测试装置 （b）测试原理图 3 聚氨酯密封滑动摩擦系数测试Fig.3 Slidingfrictioncoefficienttestofpolyurethaneseal1.2 法向力1.2.1 力学性能测试将聚氨酯密封裁剪为标准试样，通过拉压力学性能测试（见图 4），每个试样做 5 组，具体数据见表 1，从而拟合得到聚氨酯密封应力-应变曲线。（a）拉伸试验 （b）压缩试验图 4 聚氨酯密封样件拉压力学性能测试Fig.4 Tensileandcompressiveperformancetestofpolyurethanesealsample表 1 拉伸测试条件Tab.1 Tensiletest
12、conditions式样编号拉伸速度/（mm min-1）标距/mm引伸计夹持段平均厚度/mm引伸计夹持段平均宽度/mm1500202.0924.25621.9364.28632.1044.27842.1344.23451.8544.246王文坤，等：盾构主驱动聚氨酯密封系统高效冷却研究22FLUID MACHINERYVol.51，No.9，2023对弹性阶段的数据进行直线拟合，理论上数据越多结果越精确，如图 5 所示。但聚氨酯被拉伸时，弹性阶段并不是一直保持正比关系并满足胡克定律。在弹性阶段的初期，应力-应变图像是曲线，将这一阶段的数据用到直线拟合中会带来较大的误差18。所以在选择数据时，
13、选用拉伸曲线中部较为接近直线的部分。图 5 聚氨酯密封应力-应变曲线Fig.5 Polyurethanesealstress-straincurve1.2.2 本构模型及受力仿真应力-应变仿真结果如图 6 所示。（a）应力应变云图（b）接触压力与接触宽度对比图 6 聚氨酯应力-应变仿真结果Fig.6 Polyurethanestress-strainsimulationresults非金属材料的几种常用本构模型为：Mooney-Rivlin 模型、Neo-Hooke 模型、Ogden 模型、Reduced-Polynomial 模型19。聚氨酯属于超弹性材料，具有很强的变形能力，通过对比选择M
14、ooney-Rivlin橡胶本构模型进行模拟。由分析结果可知，聚氨酯四指变形量相同，法向力相同，且接触宽度较小，大致为 0.16mm，基本为线接触。1.2.3 受力分析密封唇口对旋转轴的接触压力，即法向力。采用有限元分析方法得到唇口法向接触压力，并对接触压力接触宽度曲线定积分求得直径为 7.45m密封圈法向力，最终得出法向力为 65416.7N。综上所述，由公式（1）（2）计算得到盾构主驱动聚氨酯密封摩擦热为Q=51035.8W。2 聚氨酯密封冷却系统共轭传热数值模拟2.1 CFD 理论模型计算流体力学已广泛应用于流体、换热等仿真计算中，采用有限元分析方法解决实际盾构中存在的难点问题，能够缩减
15、开发周期，节省资源成本。CFD 分析步骤包括：建立三维模型，离散化模型，加载边界条件，求解数值模型，得到分析结果。N-S 方程（Navier-Stokes）是描述流体问题的通用方程形式：+=+VtVVg2（3）在N-S 方程中，等式左边包含的是密度和加速度，右边包含了压强变化、内力变化，还有作用在流体上的外力变化。质量守恒方程：+()+()+()=tuxvywy0（4）动量守恒方程：()+()=+vtuUpxxyzFxxyxzxdiv（5）除流动模拟外，还涉及到水与壁面的共轭传热，因此搭建对流换热数学模型。对流换热强度由牛顿冷却定律确定：qh TTssref=()（6）式中，qs为热流密度；h
16、 为对流换热系数；Ts为固体壁面温度；Tref为运动流体的特征温度。传统上，换热系数来源于试验，然而边界层理论的发展使得我们能够通过分析的方法计算对流换热系数。采用标准壁面函数（standardwallfunction，SWF）方法计算热流密度：23 qyCyuTyyTTsfcp fccsc=()()()()+,（7）式中：f为流体密度；yc，Tc分别为近壁面层网格的距离、温度；Cp，f为流体比热容；u为基于壁面剪切力的摩擦速度；T+为无量纲温度；y+为雷诺数。联立式（6）（7）即可求得对流换热系数。2.2 共轭换热计算建立仿真用几何模型，并将几何模型适当简化，如油脂充注孔、螺栓孔、尖角等，几
17、何模型如图7 所示，模型中包含流固 5 种材料类型，聚氨酯密封、橡胶密封、金属壁面、油脂及水。将聚氨酯密封发热量作用于摩擦面，进行流固共轭传热仿真分析20。图 7 仿真几何模型Fig.7 Simulationgeometricmodel摩擦热源位于唇口位置，温度较高，加装冷却水套能显著降低唇口温度，传统的冷却水套如图7 所示。散热量由两部分构成：（1）冷却水强迫对流换热，仿真结果显示，冷却水强迫对流换热占比 96.1%；（2）环境自然对流换热，自然对流换热占比 3.9%，冷却水经过循环，水温升高，进、出水温差导致对流换热量的差异。出口水温较高，因此其与唇口温差较小，对流换热量小于进口处，最终导
18、致出口处唇口温度高于进口处，如图 8 所示。图 8 盾构聚氨密封系统温度场Fig.8 Temperaturefieldofshieldpolyurethanesealingsystem从图中可以看出，出口端面高温区范围明显较大，局部高温区高于 70，超出了聚氨酯材料耐温区间，严重影响盾构密封可靠性，为此根据仿真结果及理论研究开展结构优化。2.3 冷却流量对散热的影响盾构稳定运行期间，转速恒定，密封压缩状态不变，根据式（1）可知密封发热量是一定值。稳态情况下散热量等于发热量，即散热量为51035.8W。利用仿真计算得出不同水流量对应的唇口温度，如图 9 所示。图 9 不同冷却流量对应的聚氨酯密封
19、唇口温度Fig.9 Thetemperatureofpolyurethanesealinglipcorrespondingtodifferentcoolingflow由图 9 可以看出，冷却水流速越大对应的唇口温度越低，由公式（6）（7）可知对流换热系数与流速相关，流速越高对流换热系数越大21，因此对应的唇口温度越低；其次由于进口水温较低，因此对应的进口端唇口温度也较低。实际中考虑到散热器安装空间及水泵等节能降耗，水流量并不能太大，在满足冷却需求的前提下优化水套结构，实现高效冷却具有重要意义。2.4 强化传热结构优化根据傅里叶导热定律=AT，式中 为热流量；为导热系数；A 为导热面积；T 为温
20、差22。可知，通过增大导热面积A，可有效增加热流量。再者，根据导热热阻概念即R=d/（A），式中R 为导热热阻；d 为平板厚度；A，与上式相同。可知，通过减小平板厚度d，可使导热热阻减小22-24。因此本文从减小导热热阻，增大换热面积两个方面开展冷却系统优化。由于聚氨酯材料的局限性，盾构聚氨酯密封系统需要加装冷却系统，其中常规水套结构如图10（a）所示，为达到高效换热目的，现对冷却水套优化设计，图 10（b）示出设计的异形水套结构，其换热面积增加了 22%；减小水套与指形密封隔板厚度（由d 减小为d/2），进而降低导热热阻，如王文坤，等：盾构主驱动聚氨酯密封系统高效冷却研究24FLUID MA
21、CHINERYVol.51，No.9，2023图 10（c）；在流量及入口水温相同的情况下，异形水套对比常规水套换热效果如图 11 所示。（a）常规水套（b）异形水套（c）异形-低热阻水套图 10 盾构聚氨酯密封系统异形水套结构Fig.10 Special-shapedwaterjacketstructureofshieldpolyurethanesealingsystem（a）常规水套对流换热系数（b）异形水套对流换热系数图 11 异形水套与常规水套换热对比Fig.11 Comparisonofheatexchangebetweenspecial-shapedwaterjacketandco
22、nventionalwaterjacket由图中可见，异形水套相对常规水套对流换热系数整体分布更均匀且数值更高，这是因为冷却水流动更加紊乱，雷诺数有所增加，有利于提高对流换热系数，异形水套换热面积更大，因此其传热效率高，起到了强化传热的效果。不同水套结构温度场对比如图 12 所示。（a）常规水套（b）异形水套（c）异形-低热阻水套图 12 不同水套结构温度场对比Fig.12 Comparisonoftemperaturefieldsofdifferentwaterjacketstructures由图中看出，由于唇口摩擦生热，高温区主要集中在唇口位置，并由此向外扩散。3 种水套相比，常规水套高温
23、区最大，异形水套相对原水套高温区减小，异形-低热阻水套高温区最小。原因为：异形水套增大了换热面积，因此传热效率提高；异形-低热阻水套在增大换热面积的同时降25低了导热热阻，使传热效率进一步提高。最终 3种水套对应的聚氨酯密封唇口温度见表 2，异形-低热阻水套唇口温度低于 65，满足聚氨酯密封不高于 70的使用条件。表 2 不同水套结构对应的唇口温度对比Tab.2 Comparisonofliptemperaturecorrespondingtodifferentwaterjacketstructures项目原结构异形异形-低热阻进口水温/303030流量/（kg s-1）1.21.21.2出口
24、端唇口温度/76.2472.9564.88进口端唇口温度/72.3870.3263.913 结论（1）大直径盾构主驱动密封系统的可靠性问题日益突出，因此将目前常用的单唇密封改为四指型聚氨酯密封，其具有高弹性、高耐磨、高承压的特性，可提高盾构主驱动密封系统可靠性。（2）搭建聚氨酯密封摩擦热计算模型，通过试验得到滑动摩擦系数和聚氨酯密封应力-应变曲线，仿真计算得出法向力，最终得到盾构工况下密封发热量为 51035.8W。（3）由于盾构用聚氨酯密封使用温度不高于 70，因此需要为聚氨酯密封系统匹配冷却水套，研究发现冷却效果与冷却水流量、入口水温、水套结构等方面有关，并计算得出冷却流量与唇口温度的关系
25、。（4）针对常规水套结构，通过强化传热理论分析，设计了两种新型水套结构，并对比分析了 3种结构的冷却效果，其中异形-低热阻水套结构具有较好的冷却效果，在同样流量、水温情况下，唇口温度达到了要求，可满足密封系统高效运行。参考文献：1 钱七虎，陈健.大直径盾构掘进风险分析及对特大直径盾构挑战的思考 J.隧道建设，2021，41（2）：157-164.QIANQH，CHENJ.Analysisoftunnelingrisksoflarge-diametershieldandthoughtsonitschallengesJ.TunnelConstruction，2021，41（2）：157-164.2
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