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        作動筒用O形圈高壓工況下動/靜密封特性研究*

        2023-01-30 02:11:28陳銘亮趙登輝
        機械研究與應用 2022年6期
        關鍵詞:作動筒形圈壓縮率

        唐 斌,陳銘亮,王 舒,劉 勇, 趙登輝,黃 巍

        (1.國營蕪湖機械廠 航空設備測控逆向工程安徽省重點實驗室,安徽 蕪湖 241007; 2.南京航空航天大學 機電學院,江蘇 南京 210016)

        0 引 言

        作動筒是航空飛行器的重要組成部件,其結構通常由活塞、密封件、筒體等組成。由于制造成本低且性能可靠等優(yōu)點,O形圈密封在飛行器作動筒液壓系統(tǒng)中有著極其廣泛的應用。作動筒用密封圈安裝在截面為矩形的溝槽內,起密封作用,適用于靜密封和往復運動密封[1]。作動筒用密封圈在靜密封和動密封過程中常見故障有:介質壓力過大使得摩擦力大于軸向力,導致O型圈在溝槽中發(fā)生滾動扭轉而發(fā)生破壞;當壓縮率超過使用極限時,O型圈由于應力集中導致破裂等??紤]材料壓縮量,為防止出現永久性塑性變形,O形密封圈在靜密封中允許的最大壓縮量約為30%,在動密封中約為20%[2]。

        近年來,國內眾多學者對O形圈密封結構開展了大量研究工作[3]。吳廣平等[4]運用有限元方法分析了O形橡膠圈剪應力的分布,并探討了初始壓縮量、密封槽口圓角半徑、流體壓力以及摩擦系數等參數對剪應力的影響;吳瓊等[5]設計了往復式標準試驗臺,以內徑190 mm的丁腈橡膠圈為研究對象,分析了不同工況下橡膠圈的摩擦性能;顧東升等[6]研制了一種靜環(huán)用O形圈性能試驗裝置,對內徑分別為60、70、80 mm的O形丁腈橡膠圈進行靜態(tài)密封性能測試,分析了各因素對密封圈接觸應力和泄漏量的影響。

        現代飛行器正向著輕量化、高壓化、變壓力等方向發(fā)展,勢必對飛行器作動筒的密封性能和尺寸提出越來越高的要求[7]。為了滿足日益高壓化、輕量化的作動筒發(fā)展趨勢,筆者以某系列卡環(huán)鎖作動筒用小尺寸O形圈為研究對象,探究其在高壓工況下的動/靜密封特性。利用Ansys建立了作動筒密封結構有限元分析模型,分析了介質工作壓力、徑向間隙以及密封圈直徑等對動/靜密封結構性能的影響。模擬O型圈在作動筒中的運動,探究作動筒中O型圈對密封性能的影響,以實現減少現實中作動筒泄露現象的發(fā)生。

        1 工作原理與前處理設置

        1.1 工作原理

        圖1分別給出了作動筒中的O形密封圈動/靜密封結構工作原理。O形圈密封屬于一種擠壓型密封,其密封的基本工作原理是依靠密封件發(fā)生彈性變形并在密封接觸面上形成接觸壓力實現的。當接觸壓力高于被密封介質的內壓時,則不發(fā)生泄漏,反之則發(fā)生泄漏。對比靜密封和動密封,兩者的主要區(qū)別在于壁面的相對運動。

        圖1 動/靜密封結構工作原理

        1.2 幾何模型

        考慮到O形圈密封結構具有軸對稱性,因此為了簡化計算、提高效率,文中將動/靜O形圈密封結構簡化為二維軸對稱模型來進行分析。同時考慮到丁腈橡膠的可壓縮性,在模型網格劃分中對接觸部分的網格進行細化。文中O形圈密封結構基本尺寸如表1所列,有限元模型網格劃分情況如圖2所示。

        圖2 O形圈密封結構有限元模型

        表1 O形圈密封結構尺寸

        1.3 材料屬性

        材料屬性上,活塞和筒體的材料采用常見的45#鋼,O形圈材料為丁腈橡膠(NBR),其相關材料參數如表2所列。

        表2 材料參數

        丁腈橡膠作為超彈性體材料,在其材料特性上國內外學者提出了多種描述橡膠材料應力-應變關系的應變能函數形式。文中選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠超彈性材料在大變形下的力學特性[8]。Mooney-Rivlin模型的2參數彈性應變能函數表達式為:

        (1)

        式中:W為應變能密度;C10、C01為材料Mooney-Rivlin系數;I1、I2為第一、第二應變張量不變量。因此應力-應變關系即為:

        (2)

        將Mooney-Rivlin模型的兩個參數值C10、C01分別設為1.87和0.47,將其導入Ansys進行繪制,即可得到NBR應力應變曲線,如圖3所示。

        圖3 NBR應力應變曲線

        1.4 邊界條件

        如圖4所示,在施加油壓邊界條件后,O形圈與活塞和筒體均有接觸。因此文中以筒體和活塞面為目標面,O形圈面為接觸面,建立了兩對接觸,同時考慮安裝O形圈時的預壓縮現象。在分析時,對應用于靜密封的O形圈密封結構,文中將約束及載荷的施加分為兩個載荷步,Step1在垂直筒體壁面的方向施加1個位移來模擬O形圈的初始壓縮量,Step2在O形圈左側通過Ansys中的APDL模塊施加工作過程中的油壓;對于有往復運動的動密封則在Step1上增加平行筒體壁面方向的往復位移。

        圖4 工作油壓28 MPa時的邊界條件

        2 結果分析

        2.1 靜密封結果分析

        通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈靜密封進行分析,得到了如圖5所示的O形圈靜密封的最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖。從圖5(a)不難看出,在高油壓工況下,兩種壓縮率的O形圈都出現了較大的變形,其中5%壓縮率的O形圈的變形比20%壓縮率的O形圈的變形小了10%左右;并且在5%壓縮率時,O形圈在垂直油壓方向和低壓側變形較大,最大變形量達到了0.91 mm,發(fā)生了擠隙現象。當壓縮率為20%時,最大變形量為0.82 mm,主要發(fā)生在低壓側內壁處。得益于較高的壓縮率,此時并未出現擠隙現象。

        圖5 O形圈靜密封最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖

        由O形圈密封原理可知,要實現密封功能,其接觸處的應力須高于所受的介質壓力。接觸應力是衡量O形圈密封性能的一個重要指標,圖5(b)、(c)給出了O形圈靜密封的接觸應力及Von-mises應力云圖。從圖中不難看出,在不同壓縮率下接觸應力的分布情況類似,最大接觸應力位置均出現在密封圈和溝槽壁面接觸處。當壓縮率為20%時,密封結構接觸應力最大為65.5 MPa,比5%壓縮率下的最大接觸應力低了4%左右。而在Von-mises應力分布上,5%壓縮率下由于O形圈擠隙現象較嚴重,出現了應力集中現象,最大Von-mises應力(45.7 MPa)在O形圈與溝槽壁面轉角接觸處。

        2.2 動密封結果分析

        同樣,通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈動密封進行分析,得到了如圖6所示的O形圈動密封的最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖。從圖6(a)可以看出,在O形圈動密封情況下,隨著壓縮率的減小,最大變形同樣逐漸增大;并且在8%壓縮率時O形圈最大變形量達到0.84 mm,同時發(fā)生了擠隙現象。

        圖6 O形圈動密封最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖

        從圖6(b)和6(c)同樣可以看出,O形圈動密封和靜密封一樣,在較低壓縮率時出現了擠隙和應力集中現象。在8%壓縮率下,O形圈動密封在擠隙現象發(fā)生處也產生了應力集中現象,最大Von-mises應力達到了38 MPa,并且此壓縮率下的O形圈具有較高的最大接觸應力(45.9 MPa)。

        3 典型參數對密封性能的影響

        3.1 工作油壓的影響

        為了進一步探究工作油壓對O形圈密封的影響,文中針對不同壓縮率下的相同尺寸O形圈靜密封施加了從0~28 MPa的油液壓力,得到了如圖7所示的油壓-最大接觸應力變化曲線。由圖可以看出,在10 MPa油壓以下,最大接觸應力均隨O形圈工作油壓的增加而線性升高;而當工作油壓高于10 MPa后,壓縮率對O形圈靜密封的接觸應力起到顯著的影響,表現為較低壓縮率的O形圈靜密封的接觸應力會較大。

        圖7 最大接觸應力隨油壓的變化曲線

        3.2 直徑的影響

        除了工作油壓外,O形密封圈直徑對密封性能也具有一定影響。圖8為工作油壓為28 MPa、安裝間隙0.1 mm條件下不同直徑O形圈在20%壓縮率時的動/靜密封分析結果。由圖可見,隨著O形圈直徑的增大, 最大Von-mises應力和接觸應力均在減小,即:在高壓工況下,當壓縮率相同時,O形圈的直徑越大,最大接觸應力和Von-mises應力越小,兩者和直徑大小呈負相關。

        圖8 直徑-最大Von-mises應力、直徑-最大接觸應力變化圖

        4 結 論

        針對高壓工況下O型密封圈的泄露條件需求,文中重點對影響作動筒中O型圈密封性能的典型因素進行了分析,得出以下結論。

        (1) 通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈動/靜密封的有限元分析發(fā)現,在高壓工況下,較高的O形圈壓縮率能預防擠隙現象,避免應力集中。

        (2) O形圈靜密封研究表明,工作油壓對密封圈最大接觸應力的影響近似呈線性變化;并且在較高油壓下,壓縮率越高的O形圈密封的最大接觸應力越小。

        (3) 在高壓工況下,當壓縮率相同時,無論是動密封還是靜密封,O形圈的直徑越大,最大接觸應力和Von-mises應力均越小,兩者和直徑大小呈負相關。

        此次研究分析了介質工作壓力、徑向間隙以及密封圈直徑對O型圈密封效果的影響,為O形圈密封在飛行器作動筒液壓系統(tǒng)的應用提供了依據參考,對于作動筒用O型圈的選用具有重要意義。

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