王成剛，肖 健，劉 慧，劉 俊，高 興，蓋超會

(1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢430205；2.武漢軟件工程職業(yè)學院機械制造工程系，湖北 武漢430205)

0 引 言

近年來，隨著尖端科學技術的迅速發(fā)展和工業(yè)、交通運輸?shù)炔块T機械化、自動化水平的不斷提高，對密封件的性能和質量要求也就愈來愈高[1].本文所研究的對象是缸閥一體化氣缸，此氣缸是清潔煤氣化裝置機械振打除灰系統(tǒng)的關鍵設備，由于工況的復雜性，現(xiàn)有的沖擊氣缸使用壽命短，可靠性差等已越來越不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求.缸閥一體化氣缸的重要部件是密封件.所以衡量氣缸正常工作的重要指標，就是密封件的使用年限以及其工作的可靠性.

Glyd(格萊圈)密封圈包括方型圈以及O型圈兩個部分，通常方型圈材料為含金屬粒子的聚四氟乙烯，具有耐磨、耐熱等.在運動過程中，方型圈與運動的部分相接觸.安裝時，方型圈與O型圈通過徑向組合安裝在同一個密封溝槽中，通過在O型圈上施加一定的壓縮量，使O型圈產(chǎn)生較大的變形而回彈，從而達到使氣體無法從O型圈和方型圈之間以及O型圈與溝槽之間流通的目的，同時通過O型圈的回彈力傳遞到方型圈與缸壁之間的接觸表面，從而防止了氣體從方型圈與缸壁接觸表面流通.隨著氣體壓力增加，氣壓把方型圈以及O型圈推向溝槽的一側，使得方型圈和O型圈與密封溝槽壁面產(chǎn)生緊密的接觸，O型圈因此發(fā)生大變形，并進一步擠壓方型圈，使方型圈與缸壁接觸面之間的接觸壓力進一步增加.隨著氣壓的增加，接觸壓力同時增加.

Glyd密封圈中不僅利用了O型圈自緊式密封的特性，更利用了方型圈與缸壁表面接觸低摩擦的特點，使得Glyd密封圈具有許多優(yōu)勢，聚四氟乙烯與金屬的摩擦系數(shù)是所有固體中最低，靜摩擦和動摩擦幾乎完全相等，因此其摩擦磨損小，使用壽命長[2].此種密封形式相對于普遍的O型圈最大的優(yōu)勢在于增加了耐磨的方形圈，而且也兼顧了O型圈的回彈性.目前國內大多數(shù)學者對密封元件的有限元研究一般都集中在最簡單的密封件(橡膠O形圈)，對組合密封結構的研究極少.故這對以后的密封的分析具有很大意義.

1 Glyd密封圈彈性體的本構模型

1.1 彈性體的物理非線性

對于橡膠超彈性體不可壓縮的特性[3-4].為了得到它一般性質精確的表達式，應借助唯象處理方法，這在國內外有許多描述方法，而最常見的就是應變能函數(shù).應變能函數(shù)可表示為：

式中：Sij為Piola-kirchhoff應力；W為應變能函數(shù)；Eij為Green應變張量.

本文采用基于應變不變量表示應變能密度函數(shù)的Mooney-Rivlin本構模型用于分析超彈性材料[5-8].其應變能密度函數(shù)模型如下：

式中：Cij為Mooney模型常數(shù)，由材料實驗所確定；對于不可壓縮材料J=1.

其簡化后的應變能函數(shù)，常見的有二參數(shù)、三參數(shù)、五參數(shù)以及九參Mooney-Rivlin模型，但本文采用二參數(shù)數(shù)Mooney-Rivlin模型描述，其函數(shù)描述如下：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

式中：W為應變能密度，J/m3；C10、C01為材料的Mooney-Rivlin系數(shù)；I1、I2為第一第二張量不變量,J/m3.

本文采用此簡化的應變函數(shù)模型，穆尼常數(shù)分別取為C10=1.87和C01=0.47[9].

1.2 彈性體的幾何非線性

Glyd密封圈是由O型圈和方型圈組合而成.O型圈是一種超彈性體，在實際工作過程中，O型圈被擠壓后產(chǎn)生回彈力，經(jīng)由方型圈將壓力傳遞給密封接觸面，Glyd密封圈因此而達到密封目的.橡膠材料的分析已經(jīng)遠遠超過了線性理論的范疇.

2 Glyd密封圈有限元分析

2.1 Glyd密封圈有限元模型建立

由于該整體結構具有對稱性，故只取一個截面來作分析對象，以便簡化且真實地反應實際幾何結構和受力狀態(tài)，圖1為簡化的Glyd密封圈實體模型.丁腈橡膠O形圈和聚四氟乙烯滑環(huán)采用二維實體單元PLANE182；不銹鋼缸筒、密封槽采用4節(jié)點二維實體單元PLANE42，圖2為Glyd密封圈有限元模型.

圖1 Glyd密封圈實體模型Fig.1 Solid model of Glyd Seal

圖2 Glyd密封圈有限元模型Fig.2 Finite element of Glyd Seal

各種材料的性能參數(shù)如表1所示.

表1 各種材料參數(shù)表Table 1 Material parameter

2.2 Glyd密封圈接觸分析

Glyd密封圈分析的邊界條件非常復雜，其中包含了接觸計算，此為彈性體的邊界非線性.而接觸問題是一種高度的非線性行為，由于在整個分析中，接觸狀態(tài)在改變，故對整個的分析造成很大的困難.

方型圈與O型圈的接觸問題是非線性行為.對于它們之間的接觸問題必須滿足無穿透約束條件.因此必須建立一種關系防止接觸表面相互穿過.在當今力學理論、計算數(shù)學以及計算機技術的發(fā)展基礎上，各國學者提出了很多關于接觸問題的有限元算法，其中最具有代表性的有拉格朗日乘子法、罰單元法以及直接約束法[10-11].

本文在運用ANSYS軟件分析接觸問題時，則采用罰單元法進行描述.從變分角度看，罰單元法可以用下式表示.

π=W+We+Q

式中：π為結構總勢能；W為應變勢能；We為外力勢能；Q為接觸力勢能.

接觸面不被穿透的問題可以采用以上表達式解決.建立的接觸單元如圖3所示，模型中含有多個接觸對，接觸類型為“面面接觸”，其中接觸單元和目標單元分別為CONTA172和TARGET169.

圖3 接觸單元示意圖Fig.3 Schematic diagram of the contact unit

3 計算結果及分析

Glyd密封圈主要是依靠O型圈受擠壓后變形產(chǎn)生的回彈力，擠壓方型圈與不銹鋼缸套相接觸，形成較大的接觸壓力，從而達到密封流體的效果，采用Glyd密封圈主要是為了防止流體壓力過大導致將O型圈擠入間隙之中從而將O型圈破壞，如此將達不到密封的效果，故加入方型圈能有效的防止此類情況發(fā)生.

3.1 “安裝”狀態(tài)下的模型約束

在實際情況中，Glyd密封圈安裝在活塞桿密封槽中，再由缸套加上一定的配合擠壓方型圈進而使O型圈產(chǎn)生變形，從而達到密封的效果.因此在ANSYS分析中，可以簡化為，給定密封槽全約束，給定缸套一定的Y向位移，使Glyd密封圈達到“安裝”的狀態(tài)，之后再給定一定的氣體壓力，模擬在實際情況中，密封結構的實際變化.

圖4(a)～(d)就是Glyd密封圈在壓縮率分別為8%、10%、12%、14%時所受到的位移分布圖.

圖4 “安裝”狀態(tài)下的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of installation condition

3.2 密封面間最大接觸壓力

密封面的最大接觸壓力是衡量密封結構的密封性能的重要指標，只有接觸壓力大于流體壓力時，密封件才能有效的防止密封介質泄露.

3.2.1 氣壓對接觸壓力的影響 圖5為在相同壓縮率，不同流體壓力的情況下，Glyd密封圈的接觸壓力及變形云圖.這里僅僅引用了在實際壓縮率(8%)的情況下的接觸壓力及變形云圖.

圖5 8%壓縮率條件下接觸壓力及變形云圖Fig.5 Contact pressure and deformation nephogram under the conditions of 8% compression ratio

從圖5中可以看出，方型圈與缸套之間的接觸壓力和方型圈與O型圈的接觸壓力都明顯高于氣體的壓力，且驗證了在通入氣體之后，方型圈和O型圈沒有擠入間隙之中，從而很好的保護了Glyd密封圈，故在實際工況中，Glyd密封圈能達到良好的密封效果.從以上的圖中可以比較得出最大的接觸壓力與流體壓力之間的關系圖，如圖6所示.

從圖6中可以看出，在不同壓縮率的情況下，密封面的最大接觸壓力隨著氣壓的增加而增加，且與流體的壓力成正比，從而驗證了彈性體在密封的結構中起到的自緊作用.當通入不同氣壓的時候，密封面的最大接觸壓力始終大于通入氣壓，故此密封件能滿足密封的要求.

3.2.2 壓縮率對接觸壓力的影響 圖7為在相同壓力，不同壓縮率的情況下，Glyd密封圈的接觸壓力及變形云圖.這里僅僅引用了在實際工作壓力(0.4 MPa)的情況下的接觸壓力及變形云圖.

圖6 最大接觸壓力與氣體壓力關系圖Fig.6 Diagram of the maximum contact pressure and gas pressure

圖7 0.4 MPa工作壓力下接觸壓力及變形云圖Fig.7 Contact pressure and deformation nephogram under 0.4MPa working pressure

從圖7可以看出接觸壓力隨著壓縮率的增加而增加，因此壓縮率可以選擇的盡量大一些；但是壓縮率也不宜過大，當壓縮率過大時，將會增加接觸面的接觸壓力，從而使得接觸面的摩擦阻力變大，產(chǎn)生摩擦熱，這樣會使得方型圈發(fā)熱老化，進而失效.因此應控制好安裝時的壓縮率[12].

從圖7中可以比較得出最大的接觸壓力與壓縮率之間的關系圖，其關系圖如8所示.

圖8 最大接觸壓力與壓縮率關系圖Fig.8 Diagram of the maximum contact pressure and compression ratio

從圖8可以看出，在不同壓縮率的情況下，隨著壓縮率的不斷增加，密封結構處的最大接觸壓力也在增加，而且與壓縮率成正比，從而驗證了彈性體在密封結構中起到的自緊作用.在對比不同壓縮率情況下密封面的最大接觸壓力時，發(fā)現(xiàn)其壓力始終大于氣體的壓力，故此密封件能滿足密封的要求.

4 結 語

(1)在預緊壓縮率的情況下，最容易出現(xiàn)失效的地方為Glyd密封圈的方型圈與缸套接觸的地方，此處的接觸壓力最大.而此方型圈的材料是耐磨材質，能很好的提高其使用壽命.

(2)施加氣壓后，在一定的壓縮率的情況下，Glyd密封圈向氣壓低的一方擠壓，方型圈與密封槽接觸的地方接觸壓力很小，此接觸力大于氣體壓力.能保證不泄漏，且組合圈也不會被被擠壓到間隙中，這樣避免了溝槽對O型圈的剪切，很好的提高了密封的性能.

(3)Glyd密封圈密封面的最大接觸壓力隨著氣壓和壓縮率的增加而增加.在氣壓一定時，適當?shù)脑黾訅嚎s率能提高密封圈的密封性能；但同時必須得保證密封圈的良好性能.故密封圈的壓縮率須控制在一定的范圍之內.

致 謝

感謝國家自然科學基金委員會、武漢工程大學科學研究基金對本研究工作的支持和資助，同時感謝周寧波對本文在理論上做出的提示.

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