制動缸用星形密封圈的優化設計

鮑春光 韓紅文 朱君華

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

星形密封圈又稱X形密封圈，是有4個密封唇的圓環狀橡膠密封圈，可起雙向密封作用，在使用上與O形圈工作原理類似，但較O形圈具有更多優點。星形密封圈在往復運動時不會在溝槽內扭曲滾動，比O形圈所需的徑向應力小，摩擦力小且壽命長。星形密封圈截面上壓力分布均勻，密封效果更佳；由于模具分型面設在2個唇之間，因此飛邊不會影響密封效果；在密封唇之間形成的潤滑容腔，改善了啟動狀況[1]。星形密封圈在動態或靜態場合密封氣體、液體中均應用，適合于往復運動的活塞、活塞桿、柱塞，也能在擺動、螺旋和旋轉狀況下適用于軸和心軸等。文中介紹了一種應用于停放制動缸中間體徑向內周往復動密封的星形密封圈設計應用情況。

1 星形密封圈幾何模型設計

結合制動缸密封系統實際結構，建立星形密封圈/中間體溝槽和制動力推套組成的二維軸對稱幾何模型(見圖1)。星形密封圈的截面形狀是按照四角對稱布置的圓形唇邊與兩唇間凹陷相切的過渡圓弧邊組合成封閉的截面。根據制動力推套與星形密封圈的配合直徑105 mm，查閱相關標準及選型手冊，確定星形密封圈的截面長度為3.5～5.5 mm，密封圈唇邊圓弧和過渡圓弧上下限尺寸與截面長度內在關聯；參照O形圈氣動動密封壓縮率5%～20%，結合截面長度確定密封圈的初始預壓縮量；安裝狀態制動力推套和中間體溝槽間單邊間隙取值0.2 mm，間隙處溝槽圓角半徑取值0.2 mm；溝槽深度根據星形密封圈初始截面長度、安裝過程的預壓縮量和裝配間隙來確定，溝槽寬度取值6 mm。由于星形密封圈截面長度、圓弧半徑尺寸以及壓縮率均在一定的范圍區間，需要通過設計校核來確定優化方案值以便完成密封系統最終幾何尺寸定型，文中通過有限元仿真分析結合正交試驗方案設計的方法，以獲得能達到最好動、靜密封性能的密封圈截面尺寸和預壓縮量。

圖1 密封結構幾何模型

2 星形密封圈仿真分析

2.1 仿真初始幾何參數

用于初始仿真的密封圈參數值確定如下，截面長度值4.8 mm，唇邊圓弧半徑0.6 mm，過渡圓弧半徑2 mm，壓縮率取10%來確定預壓縮量為0.48 mm，密封圈與中間體溝槽和制動力推套的接觸摩擦系數取0.2。

2.2 材料特性

中間體溝槽和制動力推套的取材為中碳調質鋼，彈性模量E=2.06 GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3。

星形密封圈采用丁腈橡膠，屬于超彈性體，具有材料非線性、幾何非線性和接觸非線性。本文選用Mooney-Revlin模型來描述其力學特性，其應變能函數可表示為:

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

(1)

式中：W為應變能密度；C10、C01為橡膠材料Mooney-Revlin模型系數，本文C10、C01的取值分別為1.87和0.47；I1、I2分別為第一、第二應變張量不變量[2]。

其中應力與應變之間的關系為:

σ=?W/?ε

(2)

應力表征為應變能函數對應變的偏導數，式中σ為奧雷-克希霍夫應力；W為單位體積的應變能函數；ε為格林應變張量的分量。

2.3 邊界及載荷條件

從靜密封、動密封兩種工況來分析研究密封圈的力學性能。靜密封加載過程分為兩步：(1)完成初始預壓縮，對制動力推套施加徑向位移0.48 mm；(2)對密封圈與氣流接觸一側施加1.2 MPa工作壓力，實現靜密封。在靜密封基礎上，對制動力推套施加軸向速度載荷完成動密封，運動方向與氣流方向相反。

2.4 評價標準

通過密封圈 VonMises 應力及主密封面上的接觸應力分布情況，來判斷密封圈設計優劣。VonMises 應力是基于剪切應變能的一種等效應力，用來對密封圈的破損失效和疲勞失效進行評價，其值越大，密封圈發生破壞的幾率越大[3]。密封圈與其他物體主要起密封作用的接觸面上的接觸應力大于工作氣壓時，可實現良好的密封。

2.5 初步分析結果

圖2 靜態密封分析結果

圖3 動態密封分析結果

密封圈靜態密封分析結果如圖2所示，動態密封分析結果如圖3所示。根據分析結果，靜態和動態密封工況下星形密封圈的VonMises 應力和接觸應力變化不大，VonMises 應力均小于3 MPa，低于丁腈橡膠材料抗拉強度，接觸應力均在5 MPa左右且均在密封圈與配合零件的接觸密封面上，大于工作氣壓1.2 MPa，能保證良好的密封。

3 星形密封圈優化設計

為了獲得星形密封圈截面形狀尺寸的優選方案，在初步仿真分析的基礎上，以密封圈截面長度、唇邊圓弧半徑、過渡圓弧半徑和預壓縮率4個指標作為優化因子，采用響應面優化設計方法來確定最終數值。

根據響應面分析中由2水平正交試驗設計方法演化出的中心復合試驗設計規則制訂了試驗方案，試驗設計的因素和水平如表1所示。

表1 試驗設計的因素和水平

對試驗方案各組數據逐一進行仿真分析，獲得相應的VonMises應力和接觸應力數據，采用克里金插值法擬合回歸方程模型，繪制響應面曲線，從而建立應力與優化參數之間的函數關系。從試驗數據來看，隨著變量參數值的變化，VonMises應力和接觸應力基本處于同步上升下降趨勢；當VonMises應力小于3.5 MPa時，接觸應力基本維持在小于6 MPa的水平；當VonMises應力超過3.5 MPa時，接觸應力有一個超過10 MPa水平的突變。按照設計要求，原則上以取得VonMises應力極小值，接觸應力極大值為最優方案，但是根據初步數據分析來看無法達成上述目標。因此最終確定優化目標的標準為VonMises應力小于4 MPa，接觸應力大于10 MPa，按照該原則求解函數，獲取最優值。

上述過程均通過專業軟件來實現，根據響應面法建立的函數關系抽取10 000組樣本數據進行對比分析，最終優選出3組最接近設計目標的數據(見表2)。考慮到低溫環境下尺寸變化的影響選取更大預壓縮量方案，以及在接觸應力相近情況下VonMises應力盡可能低，選擇方案2作為最終設計方案，密封圈實物如圖4所示。

表2 候選設計表

圖4 密封圈實物

4 星形密封圈試驗情況

采用該密封圈的制動缸經過100萬次常用制動緩解動作疲勞試驗，10萬次停放制動緩解動作疲勞試驗，1萬次手拉緩解動作疲勞試驗，-40 ℃低溫動作密封性能試驗，IEC 61373標準2類振動沖擊試驗，各類型式試驗后測試制動缸密封性能滿足設計要求。

5 結論

通過研究星形圈密封系統，建立了密封圈材料非線性和接觸非線性仿真分析模型，結合響應面優化設計方法對密封圈的形狀和幾何尺寸及裝配配合尺寸進行了進一步優化，經過試驗證明采用上述方法設計的密封圈能滿足制動缸密封要求，對后續產品用星形密封圈的設計應用具有一定的參考借鑒意義。