星形圈水下往復動密封分析

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引言

隨著海洋開發的深入，各類水下設備應用逐漸廣泛，水下密封技術的研究越來越重要[1]。星形橡膠圈是一種擠壓型密封元件，因其特殊的截面而更適合于往復動密封場合[2]。與陸地環境相比水下3 km處具有壓力高(約30 MPa)、溫度低(約2 ℃)等特點[3，4]，對星形圈的密封會產生影響。

目前水下密封相關的研究主要以O形圈為主[3-5]，星形圈的研究比較少且都在陸地環境下[6-8]，韓傳軍等將星形圈與O形圈的各種應力進行了對比分析并對其截面進行了改進、劉占軍等對星形變截面密封圈進行了有限元分析。

本研究根據星形圈的密封原理和水下環境的特點，在ANSYS軟件中建立二維模型，重點分析了星形圈往復運動過程中剪切應力、接觸應力和摩擦應力的變化以及水下環境對上述應力的影響。為水下星形圈往復動密封性能的分析提供理論依據。

1 有限元仿真

1.1 簡化模型

根據星形圈具體使用情況和仿真特點，將復雜的三維結構簡化為二維模型，自動劃分網格后的模型如圖1所示。

圖1 星形圈模型

本研究以φ30.0 mm×3.55 mm規格的星形圈為例進行計算，其中陸地參考溫度23 ℃、摩擦系數0.05、運動速度0.3 m/s、行程5 mm、壓縮率為15%、密封壓力10 MPa、橡膠熱膨脹系數115×10-6[1-4]。

1.2 仿真設置

在ANSYS模型中，密封槽和運動件可視為剛體，采用PLANE182單元、彈性模量為2.11×105MPa、泊松比0.3；星形圈視為柔性體，采用PLANE182單元、材料為丁晴橡膠、彈性模量14.04 MPa、泊松比0.499；橡膠采兩參數的Mooney-Rivlin模型表示，C10=1.87 MPa、C01=0.46 MPa；用TARGE169、CONTA172接觸對模擬星形圈的接觸[3，4]。

星形圈往復動密封的工作狀態主要有三種:非工作狀態、承載狀態、往復運動狀態[5，6]，水下仿真過程中可通過5個載荷來實現: ① 密封槽固定不動，運動件向右移動實現安裝； ② 溫度，從23 ℃降低到2 ℃； ③ 對星形圈總體施加環境壓力30 MPa，之后施加油液的密封壓力； ④ 安裝后，運動件繼續向右移動，實現內行程； ⑤ 內行程結束后，運動件向左移動，實現外行程。

陸地、水下仿真過程中ANSYS參數設置相同，陸地環境下仿真時不需要施加溫度和環境壓力載荷。

2 結果分析

水下高壓、低溫的環境會使得星形圈體積縮小從而影響其密封性能。密封判據主要有兩點:一是剪切應力小于橡膠抗剪強度；另一個是接觸應力大于承載壓力，往復運動中摩擦應力主要影響其動態性能。

2.1 應力分布

水下往復運動過程中星形圈應力分布如圖2所示。

圖2 應力分布圖

從圖2可知，往復運動中星形圈右上側剪切應力最小(內行程是-4.57 MPa，外行程是-2.84 MPa，負值表示壓應力)，右下側剪切應力最大(內行程是2.89 MPa， 外行程是2.9 MPa，正值表示拉應力)，應力值小于橡膠抗剪強度4.6 MPa[1]；接觸面上接觸應力是連續分布的，最小值15.5 MPa，大于密封壓力10 MPa， 星形圈的上述應力滿足密封要求。內外行程中主接觸面的摩擦應力方向相反，內行程中星形圈向右扭轉、上側右移，外行程中星形圈向左扭轉、上側左移。

陸地環境下星形圈應力分布與水下類似，區別只是應力大小不同，此處不再贅述。

2.2 應力變化

陸地、水下往復運動過程中應力值變化如圖3所示，其中摩擦應力不考慮方向。

圖3 應力變化圖

從圖3可知，內外行程中剪切應力變化最小(水下0.5×10-2MPa、陸地-0.4×10-3MPa)，摩擦應力其次(水下-0.17 MPa、陸地-0.2 MPa)，接觸應力變化最大(水下-2.5 MPa、陸地-2 MPa)；內行程中陸地的應力大，外行程中水下的應力大；內行程的應力大于外行程、水下應力變化率小于陸地，其中剪切應力的變化與上述趨勢略有不同。

3 結論

(1) 水下3 km處的星形圈的應力滿足往復動密封的要求；

(2) 往復運動時內行程的應力大于外行程，水下環境中不同行程的應力變化幅度小于陸地環境。

參考文獻：

[1] 韓寧.動密封系統密封性能分析[D].太原：中北大學,2014.

[2] 黃迷梅.液壓氣動密封與泄漏防止[M].北京：機械工業出版社，2003.

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[5] 鄭輝，張付英.液壓往復密封泄漏量的有限元分析[J].機床與液壓，2011，39(8):58-61.

[6] 韓傳軍，張杰.往復密封用X形圈的優化設計及有限元分析[J].液壓與氣動，2012，(10):76-78.

[7] 韓傳軍，張杰，黃崗.往復密封中星型密封圈的密封性能分析[J].潤滑與密封，2012，37(9):28-32.

[8] 劉占軍,王哲峰.X形變截面優化橡膠密封圈比較應力有限元分析[J].潤滑與密封，2010，35(1):56-58.