徐時(shí)賢，蘇正濤

（1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)減振降噪材料及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

改革開放以來，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展，要使工程機(jī)械充分發(fā)揮其技術(shù)效能，做好維修保養(yǎng)非常重要［1］，而工程機(jī)械中液壓技術(shù)廣泛應(yīng)用，密封性能嚴(yán)重制約液壓技術(shù)的應(yīng)用和工程機(jī)械的使用。如果發(fā)生漏油類的故障，不僅污染環(huán)境，而且影響執(zhí)行元件的正常工作。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)鍵部位的密封件主要依賴進(jìn)口，但是進(jìn)口密封件通常價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、反應(yīng)速度慢［2］，因此，對(duì)密封件的材料和結(jié)構(gòu)展開研究十分重要。

組合密封是比較先進(jìn)的一種密封系統(tǒng)，它由橡膠材料和塑性密封圈材料兩種材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的組合密封用塑料做摩擦件，具有摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)；用橡膠作彈性件，彈性優(yōu)良，與一般橡膠密封圈密封不同的是橡膠不參與往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦，從而消除了橡膠作為摩擦件帶來的種種弊端，同時(shí)橡膠材料作為不可壓縮材料，可以對(duì)塑性密封圈的磨耗起補(bǔ)償作用［3-5］。橡塑組合密封廣泛應(yīng)用于各種液壓裝置、建筑機(jī)械、礦山機(jī)械、航空宇航等設(shè)備［5］。

鑒于工程應(yīng)用中密封工況越來越苛刻，對(duì)密封壓力提出的要求越來越高，作者對(duì)高壓往復(fù)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，本文通過Abaqus對(duì)國(guó)外某工程機(jī)械制造企業(yè)使用的高壓往復(fù)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，通過對(duì)密封結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行研究進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 密封結(jié)構(gòu)仿真模型

VL密封結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。材料參數(shù)設(shè)定如下：聚四氟乙烯的彈性模量為400MPa，泊松比為0.4；橡膠按照彈性材料進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)其力學(xué)性能，假定其彈性模量為35MPa，泊松比為0.4997；軸的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。橡膠與溝槽的摩擦因數(shù)設(shè)定為0.3；橡膠與聚四氟乙烯的摩擦因數(shù)設(shè)定為0.35；聚四氟乙烯與金屬的摩擦因數(shù)設(shè)定為0.04；聚四氟乙烯與聚四氟乙烯的摩擦因數(shù)設(shè)定為0.04。密封液體壓力為21MPa。

圖1 VL密封結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)果分析

將建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到的應(yīng)力云圖結(jié)果如圖2所示，聚四氟乙烯的接觸應(yīng)力云圖如圖3所示，O型圈的接觸應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖2 應(yīng)力結(jié)果云圖

圖3 聚四氟乙烯支撐環(huán)接觸應(yīng)力云圖

圖4 O型圈接觸應(yīng)力云圖

從接觸應(yīng)力云圖中可以看出，對(duì)于21MPa的內(nèi)壓來說，O型圈最大接觸應(yīng)力為10.5MPa，不能形成有效密封，需要通過O型圈的擠壓作用，在聚四氟乙烯支撐環(huán)與溝槽接觸區(qū)域形成密封，最大接觸應(yīng)力為28MPa，同時(shí)，通過發(fā)現(xiàn)可以看到，擋圈的2個(gè)接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力均較大，最小的接觸應(yīng)力可以達(dá)到46MPa。

2.1 壓縮率的影響

橡膠根據(jù)其壓縮率的大小，其彈性回復(fù)力的大小會(huì)不同，壓縮率越大，橡膠變形越大，其對(duì)支撐環(huán)的擠壓作用越明顯，密封性能越強(qiáng)。下面通過改變O型圈的壓縮率來觀察密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力變化。原計(jì)算模型對(duì)O型圈的壓縮量可以達(dá)到0.52mm，其半徑為1.76mm，壓縮率為14.7%。本文通過增大O型圈直徑的方式來降低其壓縮率，分別選用直徑為3.57mm、3.61mm、3.65mm、3.70mm和3.75mm的O型圈，其壓縮率分別為16%、17%、18%、19%和20%。接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同壓縮率下密封區(qū)域的接觸應(yīng)力結(jié)果

從結(jié)果中可以看出，隨著壓縮率的增加，接觸應(yīng)力增大，但是隨著壓縮率增加，接觸應(yīng)力增大的幅值逐漸減小，這與VL密封結(jié)構(gòu)相關(guān)，包絡(luò)線的尺寸影響會(huì)在后續(xù)計(jì)算中進(jìn)行討論。兩界面間的接觸應(yīng)力與摩擦力成正比，接觸應(yīng)力的增大勢(shì)必會(huì)增加摩擦力，從而造成PTFE與軸間的磨損加劇。對(duì)于材料來說，其磨損情況會(huì)根據(jù)不同磨損工況和垂向應(yīng)力達(dá)到一種平衡，即在特定垂向應(yīng)力下，其磨損量可以忽略不計(jì)，而橡膠材料的壓縮率越大，達(dá)到這種力的平衡時(shí)PTFE的磨損量會(huì)越大。

2.2 質(zhì)心位置的影響

上節(jié)計(jì)算中可以看到隨著支撐環(huán)的傾斜，接觸應(yīng)力也會(huì)隨之變化，而質(zhì)心的變化也是影響支撐環(huán)傾斜的重要因素。從之前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖中可以看出，支撐環(huán)在軸上的支撐點(diǎn)位置與內(nèi)輪廓的中心點(diǎn)位置水平持平，為了研究質(zhì)心變化的影響，本文將支撐點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，將支撐環(huán)的中心向上調(diào)節(jié)設(shè)定為負(fù)，將支撐環(huán)的中心向下調(diào)節(jié)設(shè)定為正。本文取-0.5、-0.2、-0.1、0、0.1、0.2 6個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，將接觸應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果繪制如圖6所示。

圖6 不同質(zhì)心位置時(shí)密封區(qū)域的接觸應(yīng)力結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果圖中可以看出，此圖中可以分為質(zhì)心為正、質(zhì)心為0和質(zhì)心為負(fù)的3個(gè)區(qū)域。質(zhì)心為正和質(zhì)心為負(fù)時(shí)接觸應(yīng)力的結(jié)果分別集中，-0.1和-0.2的結(jié)果相差不大，0.1和0.2的結(jié)果相差不大，-0.5的接觸應(yīng)力偏小。隨著質(zhì)心區(qū)域的變化，密封結(jié)構(gòu)受壓時(shí)會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，按照幾何結(jié)構(gòu)推斷，結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)應(yīng)該發(fā)生一側(cè)接觸應(yīng)力的增大或減小，而此結(jié)構(gòu)中偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致整體密封區(qū)域接觸應(yīng)力的變化，說明質(zhì)心偏移時(shí)，伴隨著PTFE結(jié)構(gòu)支撐部分的厚度變化也對(duì)接觸應(yīng)力起到一定的作用：當(dāng)質(zhì)心負(fù)向偏移時(shí)，厚度變薄，整體接觸應(yīng)力變??；當(dāng)質(zhì)心正向偏移時(shí)，厚度變厚，整體接觸應(yīng)力變大。

2.3 PTFE內(nèi)側(cè)過盈量的影響

對(duì)于組合密封結(jié)構(gòu)來說，密封圈是為了增強(qiáng)密封結(jié)構(gòu)的彈性，而主要的支撐作用是由PTFE來提供的。因此，PTFE的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于接觸應(yīng)力的影響非常大。本節(jié)主要依據(jù)PTFE與軸的過盈量來對(duì)其影響大小進(jìn)行研究，本節(jié)選取過盈量為0、0.1、0.2、0.3 4個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果繪制如圖7所示。

圖7 不同過盈量時(shí)密封區(qū)域的接觸應(yīng)力結(jié)果

從結(jié)果中可以看出，隨著過盈量的增加，接觸應(yīng)力增大，而且隨著過盈量增加，接觸應(yīng)力增大的幅值在減小。而且區(qū)域左側(cè)的幅值變化較大，這說明，由于過盈量增大，PTFE環(huán)發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)。

2.4 PTFE前角角度的影響

本節(jié)研究PTFE的前角角度對(duì)密封性能的影響，前角角度是指油壓側(cè)PTFE環(huán)與軸形成的角度。在很多計(jì)算中，都會(huì)考慮PTFE角度對(duì)油壓的變化梯度的影響，本節(jié)僅考慮此尺寸對(duì)接觸應(yīng)力的影響，分別選取前角角度為35°、50°、45°、50°、55°5個(gè)角度對(duì)此模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果繪制于圖8中。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著前角角度的增大，接觸應(yīng)力增大，而接觸應(yīng)力的變化幅值較大處位于左側(cè)（油側(cè)），此點(diǎn)為前角根部，而圖中右側(cè)（空氣側(cè)）區(qū)域變化幅值相對(duì)較小，說明前角角度對(duì)密封區(qū)域右側(cè)（空氣側(cè)）影響較小。

圖8 不同前角角度時(shí)密封區(qū)域的接觸應(yīng)力結(jié)果

2.5 PTFE后角角度的影響

本節(jié)研究PTFE的后角角度對(duì)密封性能的影響，后角角度是指空氣側(cè)PTFE環(huán)與軸形成的角度。本節(jié)僅考慮此尺寸對(duì)接觸應(yīng)力的影響，分別選取后角角度為10°、15°、20°、25°4個(gè)角度對(duì)此模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果繪制于圖9中。

圖9 不同后角角度時(shí)密封區(qū)域的接觸應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著后角角度的增大，接觸應(yīng)力增大，而接觸應(yīng)力的變化幅值較大處位于右側(cè)（空氣側(cè)），此點(diǎn)為后角根部，而圖中左側(cè)（油側(cè)）區(qū)域變化幅值相對(duì)較小，說明后角角度對(duì)密封區(qū)域左側(cè)影響較小。

根據(jù)對(duì)PTFE前、后角的計(jì)算可以用于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并根據(jù)密封設(shè)計(jì)壓力對(duì)前、后角進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)的PTFE結(jié)構(gòu)尺寸。

2.6 PTFE包絡(luò)線優(yōu)化

對(duì)于組合密封來說，O型圈提供了密封所需的回彈力，因此與O型圈所匹配的PTFE包絡(luò)線對(duì)接觸應(yīng)力有一定的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)將包絡(luò)線上部分成左、右兩部分，分別由一個(gè)橢圓所組成，如圖10所示，L1為左側(cè)橢圓的短軸，L2為左側(cè)橢圓的長(zhǎng)軸，同時(shí)其也是右側(cè)橢圓的短軸，而L3為右側(cè)橢圓的長(zhǎng)軸。保持輪廓深度不變，即保持O型圈壓縮率不變，然后對(duì)這3個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

圖10 包絡(luò)線示意圖

對(duì)L1進(jìn)行參數(shù)選擇，分別選取其值為1.4、1.5、1.6、1.7mm，將計(jì)算的接觸應(yīng)力結(jié)果繪制在圖11中。根據(jù)此圖可以判斷，當(dāng)O型圈壓縮率不變時(shí)，左側(cè)橢圓短軸的尺寸對(duì)接觸應(yīng)力影響不大，但同時(shí)具備一個(gè)趨勢(shì)，就是L1值越大，接觸應(yīng)力越大。

圖11 不同L1值時(shí)密封區(qū)域的接觸應(yīng)力

對(duì)L2進(jìn)行參數(shù)選擇，分別選取其值為2.065、2.1、2.2、2.3mm，將計(jì)算的接觸應(yīng)力結(jié)果繪制在圖12中。通過結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，L2值越大，接觸應(yīng)力越小，我們可以分別將4個(gè)參數(shù)的O型圈的接觸應(yīng)力云圖繪制出來進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖13所示。

圖12 不同L2值時(shí)密封區(qū)域的接觸應(yīng)力

從圖13中可以看到，隨著L2值的增加，O型圈的最大接觸應(yīng)力逐漸變小，而其受力位置中右側(cè)上部的接觸應(yīng)力逐漸消失。這說明隨著輪廓變大，右側(cè)橢圓的空間區(qū)域變大，其對(duì)O型圈的擠壓作用消失，而使得PTFE密封區(qū)域的接觸應(yīng)力下降。

對(duì)L3進(jìn)行參數(shù)選擇，分別選取其值為2.1、2.27、2.4、2.5mm，將計(jì)算的接觸應(yīng)力結(jié)果繪制在圖14中。通過結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，L3值對(duì)PTFE密封區(qū)域的接觸應(yīng)力影響不大，但是存在一個(gè)趨勢(shì)，即L3值越大，接觸應(yīng)力越小。

圖13 不同L2值時(shí)O型圈的接觸應(yīng)力

圖14 不同L3值時(shí)密封區(qū)域的接觸應(yīng)力

3 結(jié)束語

根據(jù)VL往復(fù)密封的仿真結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）此結(jié)構(gòu)的密封性能由PTFE提供，橡膠材料受到壓縮后的回復(fù)力可以補(bǔ)充PTFE的密封唇的密封效果；

（2）壓縮率的大小對(duì)密封結(jié)構(gòu)的密封性能影響顯著，其對(duì)密封結(jié)構(gòu)的磨損的平衡狀態(tài)也較大。

（3）質(zhì)心偏移會(huì)造成PTFE環(huán)有一定的偏轉(zhuǎn)，但是偏轉(zhuǎn)量造成的影響與PTFE環(huán)支撐部分厚度上的變化造成的影響相比較小。

（4）內(nèi)側(cè)過盈量的增加會(huì)造成接觸應(yīng)力的增大，但幅值的變化說明PTFE環(huán)有一定的偏轉(zhuǎn)，隨著過盈量增大，偏轉(zhuǎn)量也在增大。

（5）PTFE前、后角分別對(duì)其一側(cè)的接觸應(yīng)力影響較大。

（6）包絡(luò)線在設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量提高O型圈的利用率，使O型圈盡可能多的受到PTFE的擠壓，從而提供更多的回復(fù)力，增強(qiáng)密封性能。