張心怡,賈均紅,高颯颯,李洪春,李東升,楊曉東

(1. 陜西科技大學 機電工程學院,西安 710021;2. 西安航天動力研究所 陜西省特種密封技術工程研究中心,西安 710100)

O型橡膠密封圈因其結(jié)構簡單,工作可靠,密封性能良好,可作往復運動和低速旋轉(zhuǎn)運動,廣泛應用于航空航天密封機構中。由于O型橡膠密封圈的實際使用工況較為復雜,極易出現(xiàn)密封失效的情況,將直接影響機構系統(tǒng)的正常運行。如1986 年美國“挑戰(zhàn)者”號,由于橡膠 O 型密封圈失效導致燃氣泄漏造成航天飛機爆炸。2007年美國“奮進號”航天飛機由于船艙密封結(jié)構泄漏問題導致無法正常發(fā)射[1]。因此,橡膠密封件密封性能的預測對設備的運行至關重要。為探究橡膠密封圈在往復運動中的密封性能,孫冬花等[2]通常采用實驗的方法,不僅效率低、成本高,特別是針對復雜的邊界條件,無法給出密封結(jié)構精確的性能參數(shù)。因此,采用數(shù)值仿真方法研究O型橡膠密封圈在不同工況下的變形及應力分布情況,對其失效情況的預判并及時調(diào)整密封參數(shù)具有重要意義。

近年來,國內(nèi)外學者對O型橡膠密封圈開展了一系列分析研究。馮智猛等[3]提出一種真空用O型橡膠密封圈設計計算方法。冷獻春等[4]運用ANSYS對 O 型密封圈密封結(jié)構的系列離散參數(shù)進行了仿真分析和設計驗證,并針對某天線罩的O型密封圈密封結(jié)構進行了設計。楊喜軍等[5]根據(jù)固體火箭發(fā)動機硅橡膠密封圈材料的加速老化試驗數(shù)據(jù),采用逐次逼近以及數(shù)據(jù)擬合方法,獲得硅橡膠老化反應速率以及老化性能隨貯存時間的變化規(guī)律。張力偉等[6]為了解決O型密封圈的貯存壽命預測問題,提出將氧化誘導期(OIT)作為性能變化指標來推算三元乙丙橡膠O型密封圈的貯存壽命。王恒等[7]利用有限元軟件 ANSYS 對固體火箭發(fā)動機的 O 形橡膠密封圈進行了有限元仿真分析,探討了不同工作壓力下 O 形密封圈和擋圈結(jié)構的Von Mises應力分布,結(jié)果表明應力峰值集中于密封圈與擋圈接觸區(qū)域。郭建偉等[8]建立了橡膠O形密封圈的ANSYS超彈性非線性有限元模型,確定了導致高壓下密封圈間隙咬傷的密封失效準則和失效判據(jù)。王東輝等[9]針對柔性密封艙在太空環(huán)境中存在的密封問題,提出了一種柔性艙O型密封結(jié)構,利用ANASYS軟件分析了預裝時壓縮率的變化對其密封性能的影響,研究表明隨著預壓縮率及柔性艙內(nèi)壓增加,最大接觸應力與 Von Mises 應力都隨之增大。樂澤鋅等[10]利用 ANSYS 有限元分析軟件模擬了不同環(huán)境壓力對 O 型密封圈密封性能的影響,證明了外界壓力越大,O型密封圈的接觸應力越大。張鎮(zhèn)國等[11]研究了固體火箭發(fā)動機中往復式密封圈組合結(jié)構中活塞在不同的運動速率下的最大應力值的變化規(guī)律。K?mmling等[12]分別對O型橡膠圈在壓縮和未壓縮狀態(tài)下于不同溫度下進行了老化5年的試驗,對密封性能進行預測,但在密封圈實際使用中,影響其性能的因素是隨機分布的,因此Liang等[13]提出了一種基于可靠性的方法來分析橡膠材料參數(shù)的隨機性對O形密封圈密封性能的影響,結(jié)果表明材料和幾何參數(shù)對橡膠O形圈的可靠性影響較大。Liu等[14]對密封結(jié)構的失效模式和失效判據(jù)進行了研究,找出了其失效機理,并進行應力分布的分析,建立了老化狀態(tài)與密封條件之間的關系。潘帥等[15]對橡膠密封圈的失效形式及其預防進行了簡單論述。上述研究均對橡膠密封圈的密封性能進行了探討,多數(shù)局限于單因素對O型橡膠密封圈密封性能的影響,而在動密封條件下,特別是在預裝過程和往復運動中,影響O型密封圈動密封性能的因素很多,如密封圈橡膠材料的硬度、摩擦力、預裝壓縮率、介質(zhì)壓力等,這些因素對O型橡膠密封圈密封性能的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究。

本文借助ABAQUS有限元軟件,建立O型橡膠密封圈的二維軸對稱模型,通過對比3種不同橡膠材料(三元乙丙橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠)密封圈的最大Von Mises應力和接觸應力,選擇其中密封性能較好的材料進一步系統(tǒng)探究往復運動密封條件下不同預裝壓縮率、摩擦因數(shù)、介質(zhì)壓力等對密封圈的最大Von Mises應力(衡量O型橡膠密封圈的破損失效和疲勞失效)和最大接觸應力(衡量密封結(jié)構的密封性能)的影響,進一步為橡膠密封件的密封失效提供數(shù)據(jù)判據(jù),本研究可為實際服役條件下O型橡膠密封圈材料選擇及往復運動下動密封的參數(shù)調(diào)控提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)指導。

1 橡膠密封圈動密封結(jié)構

本文中橡膠密封圈的密封形式屬于動密封,是發(fā)生相對運動的缸套和活塞兩個密封件之間的一種密封形式,如圖1所示,密封圈受到活塞和缸套的相互擠壓后發(fā)生變形達到密封效果。

圖1 密封結(jié)構示意圖Fig.1 Diagram of seal structure

O型橡膠密封圈應用于航空發(fā)動機中,在實際工作中會受到流體介質(zhì)的作用而影響密封性能,其密封效果會受到壓縮率、介質(zhì)壓力及橡膠材料的硬度和摩擦因數(shù)等因素的影響。因此,在實際密封結(jié)構中,應根據(jù)不同的工況條件,充分考慮各種因素對密封效果的影響,保證密封的可靠性與設備安全運轉(zhuǎn)。

2 有限元分析模型

橡膠材料屬于超彈性非線性材料,對O型橡膠密封圈的密封性能進行有限元分析時,為保證分析結(jié)果的準確性,需要采用合適的本構模型來準確描述材料的力學行為,從而建立有限元模型進行數(shù)值模擬。

2.1 橡膠材料的本構模型

Mooney-Rivlin模型[16]可以較為精確的描述橡膠材料的超彈性特性,為了表征橡膠材料的非線性行為,本文采用Mooney-Rivlin模型,其簡化后的函數(shù)表達式為

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

(1)

式中:W為應變能密度;I1和I2為第一、第二應變張量;C10和C01為材料的 Mooney-Rivlin系數(shù)。

橡膠材料的Mooney-Rivlin系數(shù)C10和C01直接影響著O型橡膠密封圈的應力分布,其值是通過橡膠試樣進行單軸拉伸實驗[17-18],并在ABAQUS中進行曲線擬合來獲取的。本文中得到不同硬度下橡膠材料的C10和C01值如表1所示。

表1 不同材料橡膠的C10和C01的值Tab.1 C10 and C01 values for rubber of different materials

2.2 密封結(jié)構的有限元模型

利用ABAQUS有限元分析軟件建立O型橡膠密封圈的二維軸對稱有限元模型,基本假設為:

1) 缸套和活塞試樣的彈性模量是橡膠的幾萬倍,可視缸套和活塞試樣為剛體結(jié)構。

2) O型橡膠密封圈材料視為不可壓縮材料。

3) 橡膠密封圈密封結(jié)構按照軸對稱問題處理。

本文將在ABAQUS有限元軟件中分別建立O型橡膠密封圈、活塞試樣以及缸套的二維軸對稱有限元模型。如圖2所示,選擇常規(guī)應用廣泛的O型橡膠密封圈的尺寸參數(shù)為?7.5 mm×3.55 mm。在往復運動過程中,我們規(guī)定O型橡膠密封結(jié)構的工作行程為活塞的左向運動,儲能行程為活塞的右向運動。

圖2 O型橡膠密封圈的有限元模型Fig.2 Finite element model of O-ring rubber seal

O型橡膠密封圈的工作情況可分為2個過程:密封圈過盈裝配的預壓縮過程和密封圈隨著缸套往復運動的過程。首先,給活塞試樣一定的徑向位移,使得密封圈被壓縮,從而實現(xiàn)O型密封圈過盈預裝的過程。其次,給活塞上設置一定的軸向位移,使其做往復運動,模擬橡膠密封圈往復運動的過程。

橡膠密封結(jié)構中密封凹槽和活塞軸與O型橡膠圈圈的接觸問題可以看作是剛體與柔體的面面接觸,在有限元分析中分別定義活塞試樣與O型橡膠密封圈的接觸以及缸套試樣與密封圈的接觸2個接觸對,缸套面和活塞面作為接觸主面,而O型橡膠密封圈作為接觸從面。采用線性縮減積分單元CPS4R,并在O型橡膠密封圈與剛體接觸的區(qū)域進行網(wǎng)格細化,然后利用ABAQUS接觸求解中的罰函數(shù)法來進行分析計算。

3 結(jié)果與分析

本文主要研究密封圈的預裝過程及其往復運動過程中不同的材料硬度、壓縮率、摩擦因數(shù)、介質(zhì)壓力對其密封性能的影響。在對O型橡膠密封圈密封性能進行有限元模擬時,主要是對其在不同工況下的Von Mises應力和接觸應力進行分析。Von Mises應力主要用來衡量O型橡膠密封圈的破損失效和疲勞失效。一般情況下,在Von Mises應力越大的部位,橡膠密封件越容易出現(xiàn)密封失效的情況,因為在此處橡膠密封圈很有可能出現(xiàn)缺損、斷裂等破壞。而當接觸應力大于介質(zhì)壓力時,認為密封結(jié)構可以保證良好的密封性能。

3.1 材料硬度的影響

航空航天領域中應用較為廣泛的橡膠材料主要有三元乙丙橡膠、氟橡膠以及丁腈橡膠,其邵氏硬度及其楊氏模量E如表2所示。

表2 不同橡膠材料參數(shù)Tab.2 Parameters of different rubber materials

在不考慮溫度的影響下,對丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、氟橡膠這3種材料的O型橡膠密封圈的往復運動過程進行有限元分析,分析不同材料橡膠密封圈的最大應力分布情況,探究不同硬度的橡膠材料對動密封過程中密封性能的影響規(guī)律。

圖3描述了橡膠密封圈在往復動密封分析中3個分析步相應的工作過程。圖4為不同O型橡膠密封圈的最大Von Mises應力變化圖,可以看到,在往復運動過程中,不同類別O型橡膠密封圈的最大Von Mises應力值變化趨勢相似,其中丁腈橡膠承受的應力值相對較大。

圖3 橡膠密封圈在往復動密封中的工作過程Fig.3 The working process of rubber sealing ring in reciprocal sealing

圖4 不同材料O型橡膠密封圈的最大Von Mises應力變化Fig.4 The maximum Von Mises stress change of O-ring rubber seals of different materials

在開始很短的時間內(nèi),曲線斜率較大,且Von Mises應力值隨時間的增大而增大,這是由于預裝過程對Von Mises應力的影響較大, 導致Von Mises應力值迅速增大。當O型橡膠密封圈開始向右的行程時,其Von Mises應力值有輕微的增大,這是由于此時O型橡膠密封圈與運動活塞間的切向的靜摩擦轉(zhuǎn)為了動摩擦,當其處于穩(wěn)定的動摩擦的狀態(tài)中,其Von Mises應力值也趨于穩(wěn)定。當O型橡膠密封圈到達儲能行程終點時,其最大Von Mises應力值又會有所增大,這是由于活塞倒角對O型密封圈的擠壓使得密封圈承受的應力集中,如圖5所示,Von Mises應力到達一個峰值。然后,往復運動的工作行程開始,O型橡膠密封圈又會隨著活塞一起運動,此時橡膠密封圈處于靜摩擦狀態(tài),其最大Von Mises應力值有所降低,當?shù)竭_行程的終點時,其最大Von Mises應力值增大到另一個極值。

圖5 活塞倒角對O型密封圈的擠壓變形應力云圖Fig.5 Compression deformation stress nephogram of piston chamfer on O-ring seal

圖6顯示了3種O型橡膠密封圈的最大Von Mises應力和最大接觸應力值的對比情況,從圖中可以比較直觀地看出在3種橡膠中,丁腈橡膠密封圈在往復運動中的最大接觸應力值最大,這對其在往復運動密封中的密封效果十分有利,其密封性能會相對于三元乙丙橡膠和氟橡膠較好一些;但其在往復運動中的最大Von Mises應力值也相對較大,所以在丁腈橡膠的實際工況使用中,應特別注意其缺損、斷裂所導致的失效。

圖6 往復運動中不同橡膠的應力對比Fig.6 Comparison of stress of different rubbers in reciprocal motion

3.2 壓縮率的影響

3.2.1 壓縮率的計算

工作時O型橡膠密封圈將安裝在缸套凹槽中,通過對其擠壓實現(xiàn)密封。安裝時,對O型橡膠密封圈施加預壓力,使其發(fā)生變形達到密封效果。O型橡膠密封圈與密封槽尺寸正確配合所形成的壓縮量是影響其密封效果的關鍵因素之一。O型密封圈壓縮率(ε)的表達式為

(2)

式中:D為O型橡膠圈壓縮前的截面直徑;H為O型密封圈壓縮后的截面高度。

3.2.2 密封圈的預裝過程

O型橡膠密封圈在預裝過程中被壓縮使其產(chǎn)生應力,本文中的O型密封圈選取硬度為80、泊松比為0.499的丁腈橡膠,圖7為丁腈O型橡膠圈在預裝過程中的應力云圖。

圖7 預壓縮時的應力云圖Fig.7 Stress nephogram during precompression

當橡膠材料的硬度一定時,在無介質(zhì)壓力時給其一定的徑向壓縮,可以看到O型密封圈呈鼓型被壓縮,且在O型密封圈與活塞和缸套軸接觸面上的Von Mises應力最大,符合橡膠密封圈在實際預裝過程中的應力分布情況。為防止O型橡膠密封圈產(chǎn)生過大的變形破壞,應在保證密封條件下選擇盡可能小的壓縮量。

3.2.3 不同壓縮率的影響

本文中的往復式O型橡膠密封圈在實際工況下的壓縮率范圍一般在10%～15%之間,因此分別選取壓縮率為10%、12.5%、15%,分析其最大接觸應力和最大Von Mises應力對密封圈應力分布的影響。 圖8為壓縮率對最大Von Mises應力和最大接觸應力的影響。

圖8 壓縮率的影響Fig.8 The effect of compression rate

由圖8可以看出:在往復運動中,O型橡膠密封圈的最大Von Mises應力和最大接觸應力都隨著壓縮率的增大而增大,且最大應力值均出現(xiàn)在O型密封圈與活塞接觸的位置,這是由于活塞的循環(huán)往復運動使O型橡膠密封圈在其接觸面上產(chǎn)生摩擦,Von Mises應力過大會導致橡膠圈密封失效。隨著接觸應力的增大,O型橡膠密封圈的密封效果會更好,但若初始壓縮率過大其殘余變形將增大,O型橡膠密封圈更容易產(chǎn)生損傷導致密封失效。因此,在O型橡膠密封圈往復運動的預裝過程中,合理選擇壓縮率范圍對其密封效果至關重要。

3.3 摩擦因數(shù)的影響

當O型橡膠密封圈用于往復動密封時,其相對運動所產(chǎn)生的摩擦就必須加以考慮,以防止由于摩擦而導致的密封失效。圖9為不同摩擦因數(shù)下O型橡膠密封圈的最大Von Mises應力隨時間的變化曲線,從圖中可以看出在往復運動開始后,Von Mises應力隨摩擦因數(shù)的增大而增大。

圖9 不同摩擦因數(shù)下的最大Von Mises應力隨時間的變化Fig.9 Variation of maximum Von Mises stress with time under different friction coefficients

在預壓過程中Von Mises應力值迅速增大,摩擦因數(shù)對其應力值無影響。在第一個拐點處,往復運動的儲能行程開始,最大Von Mises應力值開始緩慢增大,O型橡膠密封圈將隨活塞一起向右運動,摩擦因數(shù)越大,其Von Mises應力值越大。當O型橡膠密封圈與右側(cè)密封凹槽的內(nèi)壁接觸時,密封圈與運動的活塞變?yōu)榉€(wěn)定的動摩擦,所以其Von Mises應力值不變。當行程即將結(jié)束時,其最大Von Mises應力值增大并達到一個峰值,這是因為活塞的動摩擦力使O型橡膠圈有被擠入密封間隙的趨勢,摩擦因數(shù)越大,峰值越大。接著,往復運動的工作行程開始,O型橡膠密封圈開始隨活塞向左運動,其最大Von Mises應力在這個過程中先有下降的趨勢然后又有所上升,這是因為此時橡膠密封圈隨活塞的運動產(chǎn)生靜摩擦,隨后,當O型橡膠圈與左側(cè)密封槽內(nèi)壁接觸時又變?yōu)閯幽Σ?當建立起穩(wěn)定的動摩擦狀態(tài)后,其最大Von Mises應力值將趨于穩(wěn)定,隨著工作行程的結(jié)束,其最大Von Mises應力值又達到一個峰值。

從圖10可以看到,最大Von Mises應力隨著摩擦因數(shù)的增大而增大,但最大接觸應力與摩擦因數(shù)的大小無關,因此較大的摩擦因數(shù)也會導致O型橡膠密封圈在往復運動中出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象而破損,因此必須具有合適的摩擦因數(shù)才能保證良好的往復動密封性能。

圖10 最大Von Mises應力和最大接觸應力隨摩擦因數(shù)的變化Fig.10 Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with friction coefficient

3.4 介質(zhì)壓力的影響

橡膠密封圈應用于航天航空機構中需要承受一定的介質(zhì)壓力,本文中的O型橡膠密封圈需要承受的介質(zhì)壓力范圍為0～10 MPa。

選取2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa的介質(zhì)壓力,分別在不考慮溫度且保持壓縮率一致的條件下對丁腈橡膠進行數(shù)值模擬,探究不同的介質(zhì)壓力對O型橡膠密封圈動密封性能的影響。

從圖11中橡膠密封圈的最大Von Mises應力在不同介質(zhì)壓力下的分布情況可以看出,介質(zhì)壓力的增大使動密封下的O型橡膠密封圈Von Mises應力提高,且橡膠密封圈有部分被擠入密封間隙,這與文獻[11]中介質(zhì)加壓時的情況相似。此外,在工作行程和儲能行程中,最大應力均出現(xiàn)在密封圈與缸套密封槽壁接觸的拐角部位,與實際使用中橡膠密封圈易發(fā)生密封失效的位置基本一致。隨著介質(zhì)壓力的增大,橡膠密封圈被擠入間隙的趨勢更為明顯。

圖11 不同介質(zhì)壓力下橡膠密封圈的Von Mises應力分布Fig.11 Von Mises stress distribution of rubber seals under different medium pressures

圖12為O型橡膠密封圈往復行程中最大Von Mises應力和最大接觸應力隨介質(zhì)壓力的變化關系曲線,由曲線可以看出隨著介質(zhì)壓力的升高密封圈的最大Von Mises應力和最大接觸應力也隨之增大,因此在實際工作中,應在工況范圍內(nèi)選擇合理的介質(zhì)壓力,避免O型橡膠密封圈的摩擦加劇。

圖12 最大Von Mises應力和最大接觸應力隨介質(zhì)壓力的變化Fig.12 Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with medium pressure

4 結(jié)論

本文建立了O型橡膠圈密封結(jié)構的二維有限元軸對稱模型,通過分析其最大 Von Mises 應力以及最大接觸應力來研究往復運動過程中材料硬度、預壓縮率、摩擦因數(shù)、介質(zhì)壓力等因素對O型橡膠密封圈密封性能影響。

1) 通過對比不同材料橡膠圈的性能,丁腈橡膠能承受相對較大的應力載荷,相比于三元乙丙橡膠和氟橡膠,丁腈橡膠適用于較高工作壓力下的密封。

2) 在預壓縮的過程中,O型橡膠密封圈被壓縮而發(fā)生變形呈鼓形,最大的Von Mises應力出現(xiàn)在密封圈與密封凹槽和活塞軸接觸位置。隨著接觸應力的增大,O型橡膠密封圈的密封效果會更好,但初始壓縮率過大,會使橡膠密封圈的殘余變形增大,O型橡膠密封圈更容易產(chǎn)生損傷導致其失效。

3) 摩擦因數(shù)也會對密封圈的密封性能產(chǎn)生影響。在往復運動中,較大的摩擦因數(shù)也會導致O型橡膠密封圈在往復運動中出現(xiàn)應力集中而發(fā)生損傷,因此必須選取合適的摩擦因數(shù)以保證良好的往復動密封性能。

4) 在動密封條件下,隨著介質(zhì)壓力的增大,最大Von Mises應力和接觸應力都會隨之增大,且在活塞拐角處較容易發(fā)生應力集中現(xiàn)象,因此,在進行密封結(jié)構設計時應合理選取密封結(jié)構的倒角半徑等參數(shù)及介質(zhì)壓力等工況條件,避免摩擦加劇。

綜上,在密封圈的實際服役中應綜合考慮壓縮率、材料硬度、摩擦因數(shù)及介質(zhì)壓力對其動密封性能的影響,從而提高O型橡膠密封圈的使用壽命,降低失效概率。