鮑春光 韓紅文 朱君華

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

星形密封圈又稱X形密封圈，是有4個(gè)密封唇的圓環(huán)狀橡膠密封圈，可起雙向密封作用，在使用上與O形圈工作原理類似，但較O形圈具有更多優(yōu)點(diǎn)。星形密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)在溝槽內(nèi)扭曲滾動(dòng)，比O形圈所需的徑向應(yīng)力小，摩擦力小且壽命長(zhǎng)。星形密封圈截面上壓力分布均勻，密封效果更佳；由于模具分型面設(shè)在2個(gè)唇之間，因此飛邊不會(huì)影響密封效果；在密封唇之間形成的潤(rùn)滑容腔，改善了啟動(dòng)狀況[1]。星形密封圈在動(dòng)態(tài)或靜態(tài)場(chǎng)合密封氣體、液體中均應(yīng)用，適合于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、活塞桿、柱塞，也能在擺動(dòng)、螺旋和旋轉(zhuǎn)狀況下適用于軸和心軸等。文中介紹了一種應(yīng)用于停放制動(dòng)缸中間體徑向內(nèi)周往復(fù)動(dòng)密封的星形密封圈設(shè)計(jì)應(yīng)用情況。

1 星形密封圈幾何模型設(shè)計(jì)

結(jié)合制動(dòng)缸密封系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立星形密封圈/中間體溝槽和制動(dòng)力推套組成的二維軸對(duì)稱幾何模型(見圖1)。星形密封圈的截面形狀是按照四角對(duì)稱布置的圓形唇邊與兩唇間凹陷相切的過(guò)渡圓弧邊組合成封閉的截面。根據(jù)制動(dòng)力推套與星形密封圈的配合直徑105 mm，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及選型手冊(cè)，確定星形密封圈的截面長(zhǎng)度為3.5～5.5 mm，密封圈唇邊圓弧和過(guò)渡圓弧上下限尺寸與截面長(zhǎng)度內(nèi)在關(guān)聯(lián)；參照O形圈氣動(dòng)動(dòng)密封壓縮率5%～20%，結(jié)合截面長(zhǎng)度確定密封圈的初始預(yù)壓縮量；安裝狀態(tài)制動(dòng)力推套和中間體溝槽間單邊間隙取值0.2 mm，間隙處溝槽圓角半徑取值0.2 mm；溝槽深度根據(jù)星形密封圈初始截面長(zhǎng)度、安裝過(guò)程的預(yù)壓縮量和裝配間隙來(lái)確定，溝槽寬度取值6 mm。由于星形密封圈截面長(zhǎng)度、圓弧半徑尺寸以及壓縮率均在一定的范圍區(qū)間，需要通過(guò)設(shè)計(jì)校核來(lái)確定優(yōu)化方案值以便完成密封系統(tǒng)最終幾何尺寸定型，文中通過(guò)有限元仿真分析結(jié)合正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的方法，以獲得能達(dá)到最好動(dòng)、靜密封性能的密封圈截面尺寸和預(yù)壓縮量。

圖1 密封結(jié)構(gòu)幾何模型

2 星形密封圈仿真分析

2.1 仿真初始幾何參數(shù)

用于初始仿真的密封圈參數(shù)值確定如下，截面長(zhǎng)度值4.8 mm，唇邊圓弧半徑0.6 mm，過(guò)渡圓弧半徑2 mm，壓縮率取10%來(lái)確定預(yù)壓縮量為0.48 mm，密封圈與中間體溝槽和制動(dòng)力推套的接觸摩擦系數(shù)取0.2。

2.2 材料特性

中間體溝槽和制動(dòng)力推套的取材為中碳調(diào)質(zhì)鋼，彈性模量E=2.06 GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3。

星形密封圈采用丁腈橡膠，屬于超彈性體，具有材料非線性、幾何非線性和接觸非線性。本文選用Mooney-Revlin模型來(lái)描述其力學(xué)特性，其應(yīng)變能函數(shù)可表示為:

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

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度；C10、C01為橡膠材料Mooney-Revlin模型系數(shù)，本文C10、C01的取值分別為1.87和0.47；I1、I2分別為第一、第二應(yīng)變張量不變量[2]。

其中應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為:

σ=?W/?ε

(2)

應(yīng)力表征為應(yīng)變能函數(shù)對(duì)應(yīng)變的偏導(dǎo)數(shù)，式中σ為奧雷-克?；舴驊?yīng)力；W為單位體積的應(yīng)變能函數(shù)；ε為格林應(yīng)變張量的分量。

2.3 邊界及載荷條件

從靜密封、動(dòng)密封兩種工況來(lái)分析研究密封圈的力學(xué)性能。靜密封加載過(guò)程分為兩步：(1)完成初始預(yù)壓縮，對(duì)制動(dòng)力推套施加徑向位移0.48 mm；(2)對(duì)密封圈與氣流接觸一側(cè)施加1.2 MPa工作壓力，實(shí)現(xiàn)靜密封。在靜密封基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)力推套施加軸向速度載荷完成動(dòng)密封，運(yùn)動(dòng)方向與氣流方向相反。

2.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)密封圈 VonMises 應(yīng)力及主密封面上的接觸應(yīng)力分布情況，來(lái)判斷密封圈設(shè)計(jì)優(yōu)劣。VonMises 應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力，用來(lái)對(duì)密封圈的破損失效和疲勞失效進(jìn)行評(píng)價(jià)，其值越大，密封圈發(fā)生破壞的幾率越大[3]。密封圈與其他物體主要起密封作用的接觸面上的接觸應(yīng)力大于工作氣壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)良好的密封。

2.5 初步分析結(jié)果

圖2 靜態(tài)密封分析結(jié)果

圖3 動(dòng)態(tài)密封分析結(jié)果

密封圈靜態(tài)密封分析結(jié)果如圖2所示，動(dòng)態(tài)密封分析結(jié)果如圖3所示。根據(jù)分析結(jié)果，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)密封工況下星形密封圈的VonMises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力變化不大，VonMises 應(yīng)力均小于3 MPa，低于丁腈橡膠材料抗拉強(qiáng)度，接觸應(yīng)力均在5 MPa左右且均在密封圈與配合零件的接觸密封面上，大于工作氣壓1.2 MPa，能保證良好的密封。

3 星形密封圈優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了獲得星形密封圈截面形狀尺寸的優(yōu)選方案，在初步仿真分析的基礎(chǔ)上，以密封圈截面長(zhǎng)度、唇邊圓弧半徑、過(guò)渡圓弧半徑和預(yù)壓縮率4個(gè)指標(biāo)作為優(yōu)化因子，采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)確定最終數(shù)值。

根據(jù)響應(yīng)面分析中由2水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法演化出的中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則制訂了試驗(yàn)方案，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平

對(duì)試驗(yàn)方案各組數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行仿真分析，獲得相應(yīng)的VonMises應(yīng)力和接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用克里金插值法擬合回歸方程模型，繪制響應(yīng)面曲線，從而建立應(yīng)力與優(yōu)化參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著變量參數(shù)值的變化，VonMises應(yīng)力和接觸應(yīng)力基本處于同步上升下降趨勢(shì)；當(dāng)VonMises應(yīng)力小于3.5 MPa時(shí)，接觸應(yīng)力基本維持在小于6 MPa的水平；當(dāng)VonMises應(yīng)力超過(guò)3.5 MPa時(shí)，接觸應(yīng)力有一個(gè)超過(guò)10 MPa水平的突變。按照設(shè)計(jì)要求，原則上以取得VonMises應(yīng)力極小值，接觸應(yīng)力極大值為最優(yōu)方案，但是根據(jù)初步數(shù)據(jù)分析來(lái)看無(wú)法達(dá)成上述目標(biāo)。因此最終確定優(yōu)化目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)為VonMises應(yīng)力小于4 MPa，接觸應(yīng)力大于10 MPa，按照該原則求解函數(shù)，獲取最優(yōu)值。

上述過(guò)程均通過(guò)專業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)響應(yīng)面法建立的函數(shù)關(guān)系抽取10 000組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最終優(yōu)選出3組最接近設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)據(jù)(見表2)?？紤]到低溫環(huán)境下尺寸變化的影響選取更大預(yù)壓縮量方案，以及在接觸應(yīng)力相近情況下VonMises應(yīng)力盡可能低，選擇方案2作為最終設(shè)計(jì)方案，密封圈實(shí)物如圖4所示。

表2 候選設(shè)計(jì)表

圖4 密封圈實(shí)物

4 星形密封圈試驗(yàn)情況

采用該密封圈的制動(dòng)缸經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次常用制動(dòng)緩解動(dòng)作疲勞試驗(yàn)，10萬(wàn)次停放制動(dòng)緩解動(dòng)作疲勞試驗(yàn)，1萬(wàn)次手拉緩解動(dòng)作疲勞試驗(yàn)，-40 ℃低溫動(dòng)作密封性能試驗(yàn)，IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)2類振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，各類型式試驗(yàn)后測(cè)試制動(dòng)缸密封性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)研究星形圈密封系統(tǒng)，建立了密封圈材料非線性和接觸非線性仿真分析模型，結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)密封圈的形狀和幾何尺寸及裝配配合尺寸進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明采用上述方法設(shè)計(jì)的密封圈能滿足制動(dòng)缸密封要求，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品用星形密封圈的設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的參考借鑒意義。