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引言

隨著海洋開(kāi)發(fā)的深入，各類(lèi)水下設(shè)備應(yīng)用逐漸廣泛，水下密封技術(shù)的研究越來(lái)越重要[1]。星形橡膠圈是一種擠壓型密封元件，因其特殊的截面而更適合于往復(fù)動(dòng)密封場(chǎng)合[2]。與陸地環(huán)境相比水下3 km處具有壓力高(約30 MPa)、溫度低(約2 ℃)等特點(diǎn)[3，4]，對(duì)星形圈的密封會(huì)產(chǎn)生影響。

目前水下密封相關(guān)的研究主要以O(shè)形圈為主[3-5]，星形圈的研究比較少且都在陸地環(huán)境下[6-8]，韓傳軍等將星形圈與O形圈的各種應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析并對(duì)其截面進(jìn)行了改進(jìn)、劉占軍等對(duì)星形變截面密封圈進(jìn)行了有限元分析。

本研究根據(jù)星形圈的密封原理和水下環(huán)境的特點(diǎn)，在ANSYS軟件中建立二維模型，重點(diǎn)分析了星形圈往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中剪切應(yīng)力、接觸應(yīng)力和摩擦應(yīng)力的變化以及水下環(huán)境對(duì)上述應(yīng)力的影響。為水下星形圈往復(fù)動(dòng)密封性能的分析提供理論依據(jù)。

1 有限元仿真

1.1 簡(jiǎn)化模型

根據(jù)星形圈具體使用情況和仿真特點(diǎn)，將復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維模型，自動(dòng)劃分網(wǎng)格后的模型如圖1所示。

圖1 星形圈模型

本研究以φ30.0 mm×3.55 mm規(guī)格的星形圈為例進(jìn)行計(jì)算，其中陸地參考溫度23 ℃、摩擦系數(shù)0.05、運(yùn)動(dòng)速度0.3 m/s、行程5 mm、壓縮率為15%、密封壓力10 MPa、橡膠熱膨脹系數(shù)115×10-6[1-4]。

1.2 仿真設(shè)置

在ANSYS模型中，密封槽和運(yùn)動(dòng)件可視為剛體，采用PLANE182單元、彈性模量為2.11×105MPa、泊松比0.3；星形圈視為柔性體，采用PLANE182單元、材料為丁晴橡膠、彈性模量14.04 MPa、泊松比0.499；橡膠采兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型表示，C10=1.87 MPa、C01=0.46 MPa；用TARGE169、CONTA172接觸對(duì)模擬星形圈的接觸[3，4]。

星形圈往復(fù)動(dòng)密封的工作狀態(tài)主要有三種:非工作狀態(tài)、承載狀態(tài)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[5，6]，水下仿真過(guò)程中可通過(guò)5個(gè)載荷來(lái)實(shí)現(xiàn): ① 密封槽固定不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)件向右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)安裝； ② 溫度，從23 ℃降低到2 ℃； ③ 對(duì)星形圈總體施加環(huán)境壓力30 MPa，之后施加油液的密封壓力； ④ 安裝后，運(yùn)動(dòng)件繼續(xù)向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)行程； ⑤ 內(nèi)行程結(jié)束后，運(yùn)動(dòng)件向左移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)外行程。

陸地、水下仿真過(guò)程中ANSYS參數(shù)設(shè)置相同，陸地環(huán)境下仿真時(shí)不需要施加溫度和環(huán)境壓力載荷。

2 結(jié)果分析

水下高壓、低溫的環(huán)境會(huì)使得星形圈體積縮小從而影響其密封性能。密封判據(jù)主要有兩點(diǎn):一是剪切應(yīng)力小于橡膠抗剪強(qiáng)度；另一個(gè)是接觸應(yīng)力大于承載壓力，往復(fù)運(yùn)動(dòng)中摩擦應(yīng)力主要影響其動(dòng)態(tài)性能。

2.1 應(yīng)力分布

水下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中星形圈應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 應(yīng)力分布圖

從圖2可知，往復(fù)運(yùn)動(dòng)中星形圈右上側(cè)剪切應(yīng)力最小(內(nèi)行程是-4.57 MPa，外行程是-2.84 MPa，負(fù)值表示壓應(yīng)力)，右下側(cè)剪切應(yīng)力最大(內(nèi)行程是2.89 MPa， 外行程是2.9 MPa，正值表示拉應(yīng)力)，應(yīng)力值小于橡膠抗剪強(qiáng)度4.6 MPa[1]；接觸面上接觸應(yīng)力是連續(xù)分布的，最小值15.5 MPa，大于密封壓力10 MPa， 星形圈的上述應(yīng)力滿足密封要求。內(nèi)外行程中主接觸面的摩擦應(yīng)力方向相反，內(nèi)行程中星形圈向右扭轉(zhuǎn)、上側(cè)右移，外行程中星形圈向左扭轉(zhuǎn)、上側(cè)左移。

陸地環(huán)境下星形圈應(yīng)力分布與水下類(lèi)似，區(qū)別只是應(yīng)力大小不同，此處不再贅述。

2.2 應(yīng)力變化

陸地、水下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力值變化如圖3所示，其中摩擦應(yīng)力不考慮方向。

圖3 應(yīng)力變化圖

從圖3可知，內(nèi)外行程中剪切應(yīng)力變化最小(水下0.5×10-2MPa、陸地-0.4×10-3MPa)，摩擦應(yīng)力其次(水下-0.17 MPa、陸地-0.2 MPa)，接觸應(yīng)力變化最大(水下-2.5 MPa、陸地-2 MPa)；內(nèi)行程中陸地的應(yīng)力大，外行程中水下的應(yīng)力大；內(nèi)行程的應(yīng)力大于外行程、水下應(yīng)力變化率小于陸地，其中剪切應(yīng)力的變化與上述趨勢(shì)略有不同。

3 結(jié)論

(1) 水下3 km處的星形圈的應(yīng)力滿足往復(fù)動(dòng)密封的要求；

(2) 往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)行程的應(yīng)力大于外行程，水下環(huán)境中不同行程的應(yīng)力變化幅度小于陸地環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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