汝紹鋒,劉廷嬌

(海南大學(xué) 機電工程學(xué)院,海南 海口 570228)

接觸式密封廣泛存在于各類工程機械結(jié)構(gòu)中,如活塞缸、柱塞缸、管道接頭及往復(fù)式液壓馬達(dá)[1-2]等,是各種執(zhí)行機構(gòu)中最常見、最容易實施的密封形式.接觸密封是依靠密封件的擠壓變形產(chǎn)生表面壓力構(gòu)成密封作用,成型軟質(zhì)填料是接觸式密封最常采用的密封件,而O型和Y型密封圈均屬于成型填料件.O型和Y型密封圈因具有結(jié)構(gòu)相對簡單、生產(chǎn)成本低、安裝使用方便等特點,在接觸密封中獲得了廣泛運用,其密封性能的優(yōu)劣直接影響到機器使用壽命及生產(chǎn)安全.

針對O型和Y型密封圈的預(yù)緊壓縮性能分析,目前很多學(xué)者通過數(shù)值模擬或試驗等方法展開了比較詳細(xì)的研究,得出了不同工況條件下密封圈的密封性能變化規(guī)律[3-8],但很少有對O型和Y型兩種密封圈進行同工況條件下對比分析研究.本研究基于ANSYS有限元分析軟件,對兩種密封圈在不同初始壓縮率和不同工作載荷條件下,對比分析其應(yīng)力、變形和接觸壓力的變化規(guī)律,探究兩種密封圈密封性能及適用工況.

1 密封圈材料模型建立

1.1 模型材料性質(zhì)

密封圈大多為橡膠材料,橡膠具有非線性特性,同時具備金屬的彈性性質(zhì)和流體的黏性性質(zhì),它并不像金屬材料一樣具有確定的線性性質(zhì),不符合胡克定律,所以不能僅憑基本參數(shù)求解.針對橡膠材料的特殊性質(zhì),目前普遍采用連續(xù)體表象學(xué)的Mooney-Rivlin模型，計算大變形下的超彈性材料的力學(xué)問題,其兩參數(shù)應(yīng)變能密度函數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中:W為應(yīng)變能;C1,C2為Mooney-Rivlin系數(shù);I1,I2為應(yīng)變不變量.

分析中密封圈選擇丁腈橡膠,其泊松比為0.48,彈性模量為8 MPa,C1,C2分別取1.87,0.47 MPa[9].分析模型中與密封圈構(gòu)建密封界面的溝槽、活塞桿選擇合金鋼,由于金屬材料的彈性模量遠(yuǎn)大于橡膠材料,可將其視為剛體處理,其變形量相對于橡膠密封圈可忽略不計,彈性模量可取2×105MPa,泊松比取0.3.

1.2 分析模型建立

分析模型選用徑向密封中活塞桿密封溝槽形式,由于密封圈是軸對稱圓環(huán)形狀,可將其簡化為二維截面分析模型,以提高計算效率.根據(jù)GB/T 3452.1—2005選擇內(nèi)徑50 mm、截面直徑5.3 mm的O型密封圈,根據(jù)GB/T 10708.1—2000選擇活塞桿直徑50 mm、截面積與O型密封圈最接近的等高唇Y(jié)型密封圈進行分析,結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示,相應(yīng)溝槽尺寸同樣參照國標(biāo)建立,分析中假設(shè)密封圈、活塞桿和卡槽是完全對稱的,而且不存在安裝偏心及制造缺陷.

選擇活塞桿和溝槽接觸面邊線為剛性目標(biāo)面,密封圈邊線為接觸面,建立接觸對,接觸摩擦系數(shù)設(shè)為0.2,接觸單元類型分別為TARGE169單元和CONTA172單元.選擇四面體、六面體單元分別對密封圈和溝槽進行網(wǎng)格劃分,由于Y型密封圈的形狀比較復(fù)雜,且在預(yù)緊壓縮中會發(fā)生較大變形,為得到更準(zhǔn)確的結(jié)果,劃分時將相互接觸的部分進行網(wǎng)格細(xì)化處理,建立有限元分析模型.

圖1 O型和Y型密封圈尺寸Fig.1 O-ring and Y-ring sizes

2 相同壓縮率預(yù)緊密封性能分析

2.1 預(yù)緊邊界條件設(shè)定

分析中采用相對位移施加預(yù)緊力,保持密封圈與溝槽、活塞桿接觸,將溝槽施加固定位移約束;將活塞桿的垂直方向位移約束為0,并且給其水平方向一個向內(nèi)壓縮量,對密封圈、溝槽和活塞桿截面同時施加軸對稱約束,分析O型和Y型密封圈在相同壓縮率情況下的密封性能.用位移載荷來模擬密封圈安裝時,壓縮率是18%的受力狀態(tài),密封圈壓縮率s為

(2)

式中:b0為O型或Y型密封圈未壓縮前的截面直徑或?qū)挾?b為壓縮后O型或Y型密封圈的截面寬度.國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有對Y型密封圈壓縮率計算做說明,為與O型密封圈對比分析,將Y型密封圈壓縮前后唇邊最大寬度定義為b0和b.

2.2 預(yù)緊結(jié)果分析

O型和Y型密封圈在18%壓縮率下變形結(jié)果如圖2所示.由變形云圖可知:在預(yù)緊過程中,O型密封圈水平方向受擠壓力變短,垂直方向受伸展力被拉長,截面形狀趨于扁平.其中:圓弧截面中點變形量最大為0.95 mm;Y型密封圈變形部位主要出現(xiàn)在唇部,水平方向受到擠壓使唇部向內(nèi)凹陷,唇部夾角變小,其中唇口處變形量最大為1.09 mm,稍大于O型密封圈.初始壓縮變形是密封圈產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力實現(xiàn)自密封的體現(xiàn)形式,通過變形量的大小可以初步判斷密封接觸區(qū)域.

圖3是O型和Y型密封圈的剪切應(yīng)力、等效應(yīng)力云圖.由圖3可知：O型密封圈的最大剪切應(yīng)力為0.77 MPa,均遠(yuǎn)大于Y型的0.27 MPa.由于O型密封圈最大剪切應(yīng)力分布呈對角形態(tài),其截面形狀為簡單的環(huán)狀結(jié)構(gòu),同時軸向尺寸較Y型密封圈小,導(dǎo)致其在溝槽內(nèi)更容易發(fā)生滾動、扭曲,影響密封性能;Y型密封圈最大剪切應(yīng)力發(fā)生在兩唇邊交匯處,因此，唇邊交匯處是最容易發(fā)生破壞的部位,在改進唇形結(jié)構(gòu)參數(shù)過程中要著重注意兩唇交匯處的應(yīng)力變化,防止應(yīng)力過大而使唇邊根部發(fā)生破壞.

圖2 密封圈預(yù)緊變形結(jié)果Fig.2 Pretension deformation results of sealing ring

圖3 密封圈預(yù)緊剪切應(yīng)力Fig.3 Shear stress of pretightening sealing ring

圖4是密封圈的接觸壓力圖.由圖4中可知:O型密封圈接觸壓力由接觸中心對稱向兩邊遞減;Y形密封圈接觸壓力出現(xiàn)在唇口邊緣與活塞桿、溝槽的接觸部位,而且其值沿唇邊向后遞減,具有一定初始接觸壓力可以保證在剛通入壓力介質(zhì)時,介質(zhì)不會進入密封圈與鋼壁接觸部分而發(fā)生早期泄露;在相同壓縮率條件下,O型(1.75 MPa)比Y型(0.39 MPa)密封圈具有更大的接觸壓力,說明在靜密封中O型比Y型密封圈具有更好的密封性能,但會導(dǎo)致O型密封圈摩擦力大,磨損較Y型密封圈多,而且容易翻滾扭轉(zhuǎn),在動密封中使用壽命較短,所以,O型密封圈一般用于靜密封.

圖4 密封圈預(yù)緊接觸壓力Fig.4 Contact pressure of pretightening sealing ring

3 變壓縮率預(yù)緊密封性能分析

改變初始壓縮率,分析O型和Y型密封圈在12%,15%,18%,21%,24%壓縮率條件下最大接觸壓力、最大等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化情況,分析結(jié)果如圖5和圖6所示.

由圖5可知：O型和Y型密封圈最大接觸壓力隨初始壓縮率的增大而增大,其中，O型密封圈隨壓縮率由12%增大到24%,最大接觸壓力由1.21 MPa增加到2.45 MPa,而Y型密封圈最大接觸壓力由0.26 MPa增加到0.54 MPa;同時,在不同壓縮率情況下,O型較Y型密封圈均具有更大的接觸壓力,說明在初始壓縮中,O型密封圈接觸壓力隨壓縮率變化明顯,而Y型密封圈變化較平緩,O型比Y型密封圈具有更好的預(yù)緊密封性能.

圖5 變壓縮率最大接觸壓力變化趨勢Fig.5 Variation trend of maximum contact pressure with variable compression rate

圖6 變壓縮率最大應(yīng)力變化趨勢Fig.6 Maximum stress variation trend with variable compressibility

由圖6可知:O型和Y型密封圈最大等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力隨初始壓縮率的增大而增大,其中，同壓縮率下等效應(yīng)力值明顯大于剪切應(yīng)力值,同時等效應(yīng)力增量幅度比剪切應(yīng)力明顯.O型密封圈最大等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力值均高于同壓縮率條件下Y型密封圈,而且O型密封圈最大等效應(yīng)力隨壓縮率增大變化顯著,說明同工況下O型比Y型密封圈更容易發(fā)生局部疲勞損壞.圖6中,O型和Y型密封圈最大剪切應(yīng)力分別為0.88和0.37 MPa,遠(yuǎn)小于橡膠材料許用剪切強度4.6 MPa[9],且最大剪切應(yīng)力隨壓縮率增大變化趨勢不明顯,說明在預(yù)緊壓縮過程中密封圈不會發(fā)生剪切破壞.

4 施加載荷預(yù)緊密封性能分析

在O型和Y型密封圈初始壓縮率均是18%,改變不同載荷壓力情況下分析密封圈密封性能.分析中設(shè)定2個邊界條件進行:① 進行18%初始預(yù)壓縮;② 在預(yù)緊壓縮基礎(chǔ)上施加工作載荷,得到從1～5 MPa載荷壓力下,密封圈最大接觸壓力和最大應(yīng)力變化規(guī)律,如圖7和圖8所示.

圖7 變載荷最大接觸壓力變化趨勢Fig.7 Variation trend of maximum contact pressure with variable load

圖8 變載荷最大應(yīng)力變化趨勢Fig.8 Trend of maximum stress variation under variable loads

由圖7可知:O型和Y型密封圈最大接觸壓力隨工作載荷的增大均有不同程度提高,O型密封圈在載荷高于3 MPa之后,其最大接觸壓力與載荷壓力基本持平;而Y型密封圈在載荷從1 MPa增加到5 MPa過程中,其最大接觸壓力有持續(xù)增大趨勢.在載荷小于2 MPa時,O型比Y型密封圈具有更大的接觸壓力；在載荷大于3 MPa之后,Y型比O型密封圈具有更大的接觸壓力.在工作載荷比較低的情況下,O型密封圈依靠較大的接觸壓力,具有比Y型密封圈更好的密封能力,隨著工作載荷增大,Y型密封圈密封性能逐漸優(yōu)于O型密封圈.存在載荷壓力時,Y型密封圈最大接觸壓力Pm滿足如下關(guān)系:

(3)

式中:P0為壓縮預(yù)緊壓力;Pi為載荷壓力.由于滿足Pm大于Pi,可以保證Y型密封圈隨載荷壓力增大實現(xiàn)持續(xù)密封效果.

由圖8可知：O型和Y型密封圈最大等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力隨載荷壓力的增大而增大,其中同載荷壓力下等效應(yīng)力值明顯大于剪切應(yīng)力值,O型密封圈最大等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力值分別高于同載荷壓力條件下Y型密封圈.圖8中，O型和Y型密封圈最大剪切應(yīng)力分別為3.73，1.62 MPa,均小于橡膠材料許用剪切強度,且最大剪切應(yīng)力隨載荷壓力增加變化比較平穩(wěn),說明在施加載荷過程中密封圈同樣不會發(fā)生剪切破壞,但在高壓動摩擦條件下,O型密封圈最大剪切和等效應(yīng)力值較高,同時,其截面形狀較簡單,比Y型密封圈更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞,進一步證明O型密封圈不適用于高壓動密封工況.

5 結(jié)論

本文運用有限元模擬軟件,對O型和Y型密封圈在不同初始壓縮率、不同工作載荷條件下,分析了其接觸壓力、變形、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力的變化規(guī)律,結(jié)論如下:

(1) 相同初始壓縮率條件下,O型比Y型密封圈具有更大的接觸壓力、剪切應(yīng)力和等效應(yīng)力,O型密封圈具有更好的靜密封能力;由于O型密封圈應(yīng)力分布狀態(tài),使其在溝槽內(nèi)更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞,而Y型密封圈最容易發(fā)生破壞的部位出現(xiàn)在兩唇邊交匯處.

(2) 改變壓縮率條件下,O型和Y型密封圈最大接觸壓力、最大等效和剪切應(yīng)力隨壓縮率增大而增大,兩種密封圈在壓縮過程中均不會發(fā)生剪切破壞.

(3) Y型密封圈在載荷從1 MPa增加到5 MPa過程中,最大接觸壓力有持續(xù)增大趨勢,而O型密封圈在載荷高于3 MPa之后,最大接觸壓力與載荷壓力基本持平.Y型密封圈唇邊與鋼壁接觸面積隨載荷增大而增大,可實現(xiàn)密封界面的自動補償,所以Y型密封圈多用于壓力較高的動密封工況.