杜國飛，李磊磊，李 君，姚 旗，馬 永

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

旋塞閥柱面O形圈密封性能研究

杜國飛，李磊磊，李 君，姚 旗，馬 永

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

以旋塞閥柱面O形橡膠密封圈為對象進行受力分析；利用ABAQUS軟件實現(xiàn)閥芯旋轉(zhuǎn)運動的三維非線性接觸動力學(xué)仿真，分析了密封圈硬度、摩擦因數(shù)及閥芯旋轉(zhuǎn)速度等因素對柱面密封圈最大接觸壓力和Von Mises應(yīng)力狀況的影響。結(jié)果表明：柱面O形密封圈的左右兩端是最大應(yīng)力發(fā)生的主要部位；密封圈硬度值和摩擦因數(shù)是影響密封性能的重要因素；閥芯旋轉(zhuǎn)速度在一定范圍內(nèi)運行時，對密封性能影響較小。

旋塞閥；柱面O形圈；密封性能研究

0　引言

供氧系統(tǒng)作為空間站環(huán)控生保分系統(tǒng)中的重要組成部分，主要作用在于保證艙內(nèi)的氧氣供給，給航天員創(chuàng)造一個舒適的空間環(huán)境。供氧系統(tǒng)中的截止閥作為供氧系統(tǒng)的重要單機，起著氧路系統(tǒng)的開啟及關(guān)閉功能。用于微重力狀態(tài)下的截止閥，其特殊的使用環(huán)境決定了截止閥應(yīng)該具有快速關(guān)閉、較好的工效學(xué)（操作力矩?。?、輕量化、密封性能優(yōu)良、高可靠性等優(yōu)點。

旋塞閥因其具有扭矩小、四分之一圈操作、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計緊湊等優(yōu)點，能可靠地關(guān)斷正向流動壓力可達20MPa的流體，被應(yīng)用于環(huán)控生保分系統(tǒng)供氧系統(tǒng)中。旋塞閥利用柱面O形圈實現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉，進而對供氧系統(tǒng)進行通斷控制［1］。

因此，研究旋塞閥柱面O形密封圈密封性能機理，提高旋塞閥密封性能，具有一定的實際意義。

隨著計算機性能的提高，數(shù)值計算方法、材料學(xué)以及大型有限元分析軟件的發(fā)展，利用非線性有限元對密封件在安裝和使用中的高度非線性接觸問題進行研究成為可能。本文利用ABAQUS軟件對旋塞閥柱面O形圈密封性能進行研究。

1　旋塞閥簡介

供氧系統(tǒng)中用于開關(guān)控制的旋塞閥結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，圖1代表旋塞閥的關(guān)閉狀態(tài)，圖2代表旋塞閥的開啟狀態(tài)，將閥芯逆時針旋轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)旋塞閥由關(guān)閉到開啟狀態(tài)切換。

圖1　旋塞閥關(guān)閉狀態(tài)

圖2　旋塞閥開啟狀態(tài)

2　仿真方案

2.1模型簡化

根據(jù)旋塞閥實際結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系和邊界務(wù)件，有限元模型經(jīng)過適當(dāng)簡化，如圖3所示。

1）閥體、閥芯均采用實體單元，網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點的四面體單元C3D10；

2）閥體保留主體部分的一半，以方便施加預(yù)壓縮量；

3）認為柱面O形圈的橡膠材料為不可壓縮材料，橡膠圈也采用實體單元，網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點的四面體單元C3D10。

圖3　旋塞閥柱面密封結(jié)構(gòu)仿真模型

2.2材料模型及參數(shù)的確定

閥體和閥芯的材料為316L不銹鋼，彈性模量為200GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3。

柱面O形圈的本構(gòu)關(guān)系采用Mooney-Rivlin模型來描述，Mooney-Rivlin模型用于描述其在50%～150%應(yīng)變范圍內(nèi)的變形，有著比較高的精度，完全能夠滿足橡膠材料的計算需求［2］，其簡化后的兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型為：

其中，W為修正的應(yīng)變勢能；C10、C01為材料常數(shù)（Mooney-Rivlin常數(shù)）；I1、I2為應(yīng)力張量的第1、第2不變量。

C10和C01可以通過橡膠的硬度來確定，將橡膠的邵氏硬度HA，代入公式（2）：

對于不可壓縮材料，彈性模量E滿足：

表1［3］給出了不同硬度時C10與C01的比值，根據(jù)表1和式（2）～式（3）可以確定不同硬度下橡膠的C10和C01值，如表2所示。

表1　不同硬度時C10與C01的比值

表2　不同硬度橡膠材料的參數(shù)

2.3載荷及工況

計算過程中，載荷分為兩步：

第一步為預(yù)壓縮，在閥體平面上施加指定位移，計算在預(yù)壓縮量下，柱面O形圈的預(yù)應(yīng)力分布以及O形圈與閥體閥芯的接觸應(yīng)力；

第二步為閥芯旋轉(zhuǎn)，閥芯繞中心軸以指定的角速度進行旋轉(zhuǎn)，模擬閥的開啟與關(guān)閉；

根據(jù)整個過程的變形與應(yīng)力分布來考察密封圈的密封性能。

2.4密封失效準(zhǔn)則

密封失效采用以下兩種準(zhǔn)則［4］：

1）最大接觸應(yīng)力準(zhǔn)則

根據(jù)密封理論，實現(xiàn)可靠密封的充分必要務(wù)件是O形圈與閥體閥芯的接觸應(yīng)力不小于被密封壓力（即介質(zhì)壓力）。

2）剪切應(yīng)力準(zhǔn)則

密封圈在旋轉(zhuǎn)的過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果其應(yīng)力超過橡膠材料的剪切強度，密封圈可能會被剪斷，造成密封失效。保證密封不失效，剪切應(yīng)力應(yīng)滿足：

其中，（σij）max為O形圈受到的最大剪應(yīng)力，［τb］為O形圈材料的許用抗剪強度。

3　計算結(jié)果

首先對柱面密封的整個過程進行仿真，計算參數(shù)選取如下：

1）柱面O形圈壓縮量20%，硬度60；

2）柱面O形圈與閥體之間的摩擦系數(shù)0.3；

3）閥芯轉(zhuǎn)速1rad/s，旋轉(zhuǎn)角度0.6rad。

預(yù)壓縮結(jié)束和閥芯旋轉(zhuǎn)結(jié)束時，柱面O形圈的等效應(yīng)力分布如圖4所示。

整個過程中，等效應(yīng)力隨時間的變化情況如圖5所示。

圖4　載荷步結(jié)束時柱面O形圈的等效應(yīng)力分布云圖

圖5　等效應(yīng)力隨時間的變化

從以上結(jié)果可以看出，在預(yù)壓縮和閥芯旋轉(zhuǎn)兩個載荷步中，等效應(yīng)力均隨時間呈上升趨勢。

本文選取了3個工況，對不同密封圈硬度、摩擦系數(shù)、閥芯旋轉(zhuǎn)速度進行仿真，考察不同參數(shù)對柱面密封性能的影響。分析采用的參數(shù)如表3所示。

表3　仿真參數(shù)

3.1不同轉(zhuǎn)速

考察閥芯的不同轉(zhuǎn)速對柱面O形圈密封性能的影響，對3種轉(zhuǎn)速（1rad/s、2rad/s、4rad/s）下柱面密封情況進行了仿真計算。其中，摩擦系數(shù)取0.3，橡膠硬度取60。

最大應(yīng)力的計算結(jié)果如表4所示。

表4　不同轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果

從表4可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2rad/s后，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，其后受轉(zhuǎn)速的影響很小。

最大等效應(yīng)力2.14MPa，相對于橡膠材料的破壞強度（氯丁橡膠23～27MPa）很小；最大剪切應(yīng)力0.98MPa，與抗剪強度（4.6MPa）相比，也很小；最小接觸應(yīng)力2.48MPa，可以保證壓力小于2MPa的情況下，密封不會失效。

3.2不同摩擦系數(shù)

計算橡膠圈與閥芯之間不同的摩擦系數(shù)對密封性能的影響。選取3組摩擦系數(shù)（0.1、0.2、0.3），取轉(zhuǎn)速1rad/s，橡膠硬度60，進行仿真。結(jié)果如表5所示。

表5　不同轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果

從表5可以看出，當(dāng)摩擦系數(shù)小于0.2時，最大應(yīng)力之間的差距不大；當(dāng)摩擦系數(shù)變大（超過0.3）后，橡膠圈的等效應(yīng)力和剪應(yīng)力有較大提高，而接觸應(yīng)力并沒有很大提升，可以說明摩擦系數(shù)存在一個合理的值，此時，橡膠圈內(nèi)的應(yīng)力不會導(dǎo)致橡膠圈的破壞，還可以一定提高密封性能。

3.3不同橡膠硬度

分析橡膠的不同硬度（HA=60、70、80）對密封性能的影響。計算時，摩擦系數(shù)取0.3，轉(zhuǎn)速取1rad/s。

不同硬度的橡膠圈的應(yīng)力結(jié)果如表6所示。

表6　不同硬度的仿真結(jié)果

從上表可以看出，各應(yīng)力受橡膠硬度的影響很大，橡膠的硬度越高，應(yīng)力也越大。

最大等效應(yīng)力4.99MPa，相對于橡膠材料的破壞強度（氯丁橡膠23～27MPa）較?。蛔畲蠹羟袘?yīng)力1.93MPa，與抗剪強度（4.6MPa）相比，也不大。

雖然較高硬度的橡膠可以提高密封性能，但是也會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，可能引起橡膠圈本身的破壞。

4　結(jié)論

通過對柱面O形圈的仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

1）在閥芯的旋轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角呈上升趨勢；

2）閥芯轉(zhuǎn)速超過一定值后，O形圈的密封性能不會改變，大轉(zhuǎn)速不會引起密封失效；

3）摩擦系數(shù)存在一個合理的值，選取0.2～0.3較為合適；

4）較高硬度的橡膠可以提高密封性能，可以選擇硬度在70～80范圍內(nèi)橡膠材料。

［1］ 世偉洛克產(chǎn)品目錄［Z］.2011.

［2］ 周志鴻，張康雷，李靜，等.O形橡膠密封圈應(yīng)力與接觸壓力的有限元分析［J］.潤滑與密封，2006，31（4）：86-89.

［3］ 鄭明軍.橡膠件的靜、動態(tài)特性及有限元分析［D］.北京：北方交通大學(xué)，2002.

［4］ 吳廣平，宋筆鋒，崔衛(wèi)民.O形圈剪切破壞的可靠性分析［J］.機械設(shè)計與制造，2009，8（8）：125-127.

Sealing performance of cylinder O-ring seal in rotary plug valve

DU Guo-fei， LI Lei-lei， LI Jun， YAO Qi， MA Yong

V44

A

1009-0134（2016）10-0048-03

2016-08-03

杜國飛（1983 -），男，山西運城人，工程師，碩士，主要從事流體類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計工作。