表面缺陷對(duì)硅橡膠密封性能的影響規(guī)律研究

吳 健，董吉義，Bipin Kumar Gond，王友善，粟本龍，崔志博

[1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 橡膠復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，山東 威海 264209；2.印度理工學(xué)院坎普爾校區(qū)，印度 坎普爾208016]

硅橡膠密封件是保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零件，以其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于加工精度、復(fù)雜工作環(huán)境及裝配工藝等的影響，在長(zhǎng)期使用過程中密封界面容易出現(xiàn)表面缺陷。而密封件上任一微小的表面缺陷都極易導(dǎo)致泄漏，進(jìn)而致使整條密封帶失效，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，研究表面缺陷對(duì)密封性能的影響尤為重要。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)表面形貌對(duì)密封性能的影響做了較多研究。Y.Matsuzaki等[1]基于硬質(zhì)球與軟質(zhì)錐形密封面的接觸建立密封面接觸模型，并通過試驗(yàn)研究了不同粗糙表面泄漏量的變化規(guī)律。P.Wagner等[2]基于功率譜密度分解理論建立了橡膠接觸模型的多尺度有限元分析方法，從宏觀和微觀角度研究了橡膠在粗糙表面的接觸特性。陳國(guó)定等[3]利用有限元分析軟件MARC/MENTAT 320針對(duì)不同粗糙峰形貌對(duì)密封性能的影響進(jìn)行了研究，得出了靜態(tài)接觸下密封件陷入粗糙谷中的位移量隨粗糙峰結(jié)構(gòu)和波長(zhǎng)尺寸的變化規(guī)律。王國(guó)志等[4]利用ANSYS軟件分析了水壓O形圈在不同粗糙表面下密封表面接觸間隙的變化規(guī)律，并采用FLUENT軟件進(jìn)行微流場(chǎng)仿真，得到了O形圈的最小接觸寬度。蔡艷等[5]通過實(shí)際測(cè)量漏油和不漏油的油泵零件各個(gè)表面粗糙度參數(shù)，揭示了輪廓的支承長(zhǎng)度率對(duì)密封性能的影響。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要側(cè)重于研究表面粗糙度對(duì)密封性能的影響，對(duì)于密封界面表面缺陷的研究也只集中在表面缺陷的檢測(cè)上[6-8]，而針對(duì)表面缺陷對(duì)密封性能影響的研究卻鮮有報(bào)道。T.J.Park等[9]采用有限元分析軟件MARC研究了涂層鋼板與橡膠密封件間的球形磨粒對(duì)接觸特性的影響，揭示了任何微小磨粒的存在都可以導(dǎo)致非常大的接觸壓力和Mises應(yīng)力，并造成嚴(yán)重磨損。但該文獻(xiàn)并未針對(duì)磨粒的大小、形狀等因素進(jìn)行詳細(xì)討論。張峰等[10]針對(duì)含有表面缺陷的O形密封圈進(jìn)行有限元分析，研究了錯(cuò)模、分模扯縮以及分模飛邊等表面缺陷對(duì)密封性能的影響。不過，該文獻(xiàn)所研究的表面缺陷并非出現(xiàn)在密封界面，因而其有限元分析的結(jié)果均滿足密封條件，這對(duì)密封界面出現(xiàn)表面缺陷的情況并不適用。

本工作將在已有研究的基礎(chǔ)上，采用有限元方法深入研究金屬表面缺陷對(duì)硅橡膠密封性能的影響規(guī)律。首先，采用ABAQUS軟件建立含表面凸起的密封面接觸模型；然后，開展表面凸起對(duì)硅橡膠密封性能影響的研究，揭示表面凸起的高度（h）、半徑（r）、位置（l）對(duì)接觸壓力和接觸面積的影響規(guī)律，為密封件的設(shè)計(jì)和使用提供參考和依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 表面缺陷形貌的表征

在加工或使用過程中，金屬表面容易產(chǎn)生表面凸起缺陷。表面凸起分為點(diǎn)狀缺陷和帶狀缺陷，兩種缺陷發(fā)生泄漏的原理相同，都是由于凸起周圍產(chǎn)生較低的接觸壓力區(qū)域造成。因此，本研究將兩種表面凸起缺陷都簡(jiǎn)化為不同高度和半徑的球體來表示，如圖1所示。考慮到表面缺陷的位置對(duì)密封性能的重要影響，本文采用凸起與密封件對(duì)稱軸之間的距離來定義其位置，具體參數(shù)見表1。其中，高度和半徑為零表示無缺陷的理想表面。

圖1 表面缺陷的三維形貌

表1 表面凸起參數(shù)

1.2 橡膠材料的本構(gòu)模型

本工作研究的密封材料為航空航天常用的硅橡膠密封材料。基于拉伸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用超彈性本構(gòu)模型Ogden（N=3）模型來描述其材料力學(xué)性能。Ogden應(yīng)變能以3個(gè)主伸長(zhǎng)率為變量，其應(yīng)變能函數(shù)為[11-13]：

式中，nα可取任意值，μ n為待定系數(shù)。

一般情況下，為表示3種常見的應(yīng)變模式（單軸拉伸、單軸壓縮以及純剪切），常取N=3，即n=1，2，3，對(duì)應(yīng)的單軸拉伸與壓縮的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下：

通過對(duì)硅橡膠密封材料進(jìn)行單軸拉伸與壓縮試驗(yàn)，將獲得的數(shù)據(jù)輸入ABAQUS軟件中進(jìn)行擬合，得到本構(gòu)模型的各項(xiàng)系數(shù)。Ogden模型各項(xiàng)系數(shù)的擬合結(jié)果為：1α2.828 41，1μ-105.335，2α3.719 39，2μ44.537 1，3α61.929 5，3μ1.922 05。

1.3 密封接觸的有限元模型

含表面缺陷的密封接觸有限元模型如圖2所示。假設(shè)密封件表面光滑，忽略硅橡膠材料的表面粗糙度；不考慮金屬的變形，將其簡(jiǎn)化為剛體。硅橡膠網(wǎng)格單元類型選取CPS4R。橡膠與金屬之間的接觸使用Penalty模型，摩擦因數(shù)取0.225。固定密封件，利用位移加載方式，使金屬表面向下運(yùn)動(dòng)對(duì)密封件施加壓縮載荷，最大壓縮量設(shè)置為9 mm。

圖2 含表面缺陷的密封接觸有限元模型

2 結(jié)果與討論

2.1 接觸壓力對(duì)密封性能的影響

圖3示出了密封界面的接觸壓力分布。可以看出，對(duì)于理想的密封界面，隨著壓縮量的增大，最大接觸壓力的位置從中心向兩側(cè)過渡，呈對(duì)稱分布，有助于實(shí)現(xiàn)雙重密封的作用；而中心位置的接觸壓力為零。對(duì)于含表面缺陷的密封界面，最大接觸壓力出現(xiàn)在凸起位置，而凸起周圍的接觸壓力均為零，密封界面兩側(cè)存在較大的接觸壓力區(qū)域。事實(shí)上，不論是點(diǎn)狀凸起或者帶狀凸起，由于凸起周圍接觸壓力為零，凸起所產(chǎn)生的最大接觸壓力并不能實(shí)現(xiàn)有效密封，密封介質(zhì)仍可通過凸起周圍的低接觸壓力區(qū)域發(fā)生泄漏。因此，密封界面兩側(cè)產(chǎn)生的接觸壓力區(qū)域?yàn)橛行芊鈪^(qū)域。本研究采用此區(qū)域的最大接觸壓力作為評(píng)價(jià)表面缺陷對(duì)密封性能影響的指標(biāo)。

圖3 密封界面接觸壓力分布

2.2 表面凸起對(duì)密封性能的影響

2.2.1 凸起高度

圖4示出了表面凸起的高度對(duì)最大接觸壓力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，對(duì)于理想密封界面，隨壓縮量的增大，最大接觸壓力并非單調(diào)增大，而是先增大后減小再增大。在壓縮初始階段，接觸壓力增長(zhǎng)較快；隨著壓縮量的增大，由于接觸面積增長(zhǎng)較快，使得接觸壓力不斷減小；在壓縮量大于3 mm時(shí)，接觸壓力由一個(gè)峰值分解為兩個(gè)對(duì)稱的峰值（見圖3），最大接觸壓力達(dá)到最低點(diǎn)；隨后，接觸壓力不斷增大。在密封件實(shí)際使用過程中，應(yīng)盡量避免壓縮過程中接觸壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)，以保證密封的穩(wěn)定性。因此，密封件工作時(shí)的壓縮量應(yīng)大于3 mm，使接觸壓力處于單調(diào)上升的區(qū)間內(nèi)。

圖4 凸起高度對(duì)最大接觸壓力的影響

另一方面，表面凸起的產(chǎn)生有助于改善接觸壓力不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使最大接觸壓力呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢(shì)。在壓縮前期，凸起的高度越大，達(dá)到相同的接觸壓力所需要的壓縮量越大，這是由于克服凸起的高度消耗了一部分壓縮量；在壓縮后期，當(dāng)壓縮量為9 mm時(shí)，隨著凸起高度的增大，最大接觸壓力呈增大趨勢(shì)，說明當(dāng)凸起高度在較小范圍時(shí)，有助于提高密封界面的接觸壓力。這是因?yàn)橥蛊鸬某霈F(xiàn)會(huì)減小接觸面積，當(dāng)凸起高度較小時(shí)，接觸壓力的變化主要受接觸面積的影響。

圖5示出了表面凸起高度對(duì)接觸面積的影響規(guī)律。不難看出，對(duì)于理想密封界面，在壓縮前期，接觸面積隨著壓縮量的增大而增大，壓縮量為6 mm時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)壓縮量大于6 mm時(shí)，密封界面中部出現(xiàn)間隙，接觸面積開始減小。由圖3也可以看出，當(dāng)壓縮量達(dá)到9 mm時(shí)，密封界面中部的接觸壓力為零，說明此區(qū)域并未真正接觸。另一方面，表面缺陷對(duì)接觸面積的影響較大。在壓縮量為9 mm時(shí)，無缺陷的密封界面的接觸面積是有缺陷的2倍左右；隨著凸起高度的增大，接觸面積逐漸減小。

圖5 凸起高度對(duì)接觸面積的影響

2.2.2 凸起半徑

圖6示出了壓縮量為9 mm時(shí)表面凸起半徑對(duì)密封性能的影響規(guī)律。可以看出，當(dāng)凸起缺陷存在時(shí)，最大接觸壓力增大了8%，接觸面積卻減小了55%，很難保證有效密封。另外，凸起的半徑越大，最大接觸壓力越大，接觸面積越小。但是，接觸壓力和接觸面積的變化幅度均很小，因而凸起半徑對(duì)密封性能幾乎沒有影響，可以忽略。

圖6 凸起半徑對(duì)密封性能的影響

2.2.3 凸起位置

圖7示出了表面凸起的位置對(duì)密封性能的影響規(guī)律，其中，原點(diǎn)為密封件對(duì)稱軸所處位置。從圖7可以看出，凸起出現(xiàn)的位置對(duì)密封性能的影響較大。當(dāng)凸起靠近原點(diǎn)位置時(shí)，接觸壓力較大；隨著距離的增大，最大接觸壓力有增大趨勢(shì)；當(dāng)凸起出現(xiàn)的位置為8 mm左右時(shí)，最大接觸壓力急劇減小。由圖3可知，理想密封界面的接觸壓力峰值出現(xiàn)在距離原點(diǎn)8 mm處左右。因此，當(dāng)凸起位置距離接觸壓力峰值越近時(shí)，最大接觸壓力越小。另外，當(dāng)凸起距離原點(diǎn)較近時(shí)（6 mm內(nèi)），凸起的位置對(duì)接觸面積的影響較小；當(dāng)凸起超過接觸壓力峰值的位置時(shí)，接觸面積急劇增大，但此時(shí)只能產(chǎn)生單側(cè)的接觸壓力峰值，無法實(shí)現(xiàn)雙重密封。

圖7 凸起位置對(duì)密封性能的影響

3 結(jié)論

本研究基于ABAQUS軟件，建立了含表面缺陷的密封接觸模型，重點(diǎn)分析了表面凸起的高度、半徑及位置對(duì)密封性能的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1）在壓縮過程中，理想密封界面的接觸壓力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，不利于密封；接觸壓力呈對(duì)稱分布，最大接觸壓力出現(xiàn)在密封界面兩側(cè)。接觸面積隨壓縮量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；在壓縮后期，密封界面中部出現(xiàn)間隙。

（2）表面凸起缺陷對(duì)密封性能影響顯著。密封界面的最大接觸壓力出現(xiàn)在凸起位置，但此接觸壓力并不能保證有效密封，凸起兩側(cè)產(chǎn)生的接觸壓力區(qū)域?yàn)橛行芊鈪^(qū)域。凸起缺陷的產(chǎn)生能消除接觸壓力的波動(dòng)現(xiàn)象，在一定程度上有助于提高密封界面的接觸壓力，但會(huì)使接觸面積急劇減小，導(dǎo)致泄漏。

（3）凸起的高度和位置對(duì)接觸壓力和接觸面積影響較大，凸起高度越大、距離接觸壓力的峰值位置越近時(shí)，越易發(fā)生泄漏；而凸起半徑對(duì)密封性能的影響相對(duì)較小。