O型和Y型密封圈預壓縮密封性能分析

汝紹鋒,劉廷嬌

(海南大學 機電工程學院,海南 ?？?570228)

接觸式密封廣泛存在于各類工程機械結構中,如活塞缸、柱塞缸、管道接頭及往復式液壓馬達[1-2]等,是各種執行機構中最常見、最容易實施的密封形式.接觸密封是依靠密封件的擠壓變形產生表面壓力構成密封作用,成型軟質填料是接觸式密封最常采用的密封件,而O型和Y型密封圈均屬于成型填料件.O型和Y型密封圈因具有結構相對簡單、生產成本低、安裝使用方便等特點,在接觸密封中獲得了廣泛運用,其密封性能的優劣直接影響到機器使用壽命及生產安全.

針對O型和Y型密封圈的預緊壓縮性能分析,目前很多學者通過數值模擬或試驗等方法展開了比較詳細的研究,得出了不同工況條件下密封圈的密封性能變化規律[3-8],但很少有對O型和Y型兩種密封圈進行同工況條件下對比分析研究.本研究基于ANSYS有限元分析軟件,對兩種密封圈在不同初始壓縮率和不同工作載荷條件下,對比分析其應力、變形和接觸壓力的變化規律,探究兩種密封圈密封性能及適用工況.

1 密封圈材料模型建立

1.1 模型材料性質

密封圈大多為橡膠材料,橡膠具有非線性特性,同時具備金屬的彈性性質和流體的黏性性質,它并不像金屬材料一樣具有確定的線性性質,不符合胡克定律,所以不能僅憑基本參數求解.針對橡膠材料的特殊性質,目前普遍采用連續體表象學的Mooney-Rivlin模型，計算大變形下的超彈性材料的力學問題,其兩參數應變能密度函數表達式為

(1)

式中:W為應變能;C1,C2為Mooney-Rivlin系數;I1,I2為應變不變量.

分析中密封圈選擇丁腈橡膠,其泊松比為0.48,彈性模量為8 MPa,C1,C2分別取1.87,0.47 MPa[9].分析模型中與密封圈構建密封界面的溝槽、活塞桿選擇合金鋼,由于金屬材料的彈性模量遠大于橡膠材料,可將其視為剛體處理,其變形量相對于橡膠密封圈可忽略不計,彈性模量可取2×105MPa,泊松比取0.3.

1.2 分析模型建立

分析模型選用徑向密封中活塞桿密封溝槽形式,由于密封圈是軸對稱圓環形狀,可將其簡化為二維截面分析模型,以提高計算效率.根據GB/T 3452.1—2005選擇內徑50 mm、截面直徑5.3 mm的O型密封圈,根據GB/T 10708.1—2000選擇活塞桿直徑50 mm、截面積與O型密封圈最接近的等高唇Y型密封圈進行分析,結構尺寸如圖1所示,相應溝槽尺寸同樣參照國標建立,分析中假設密封圈、活塞桿和卡槽是完全對稱的,而且不存在安裝偏心及制造缺陷.

選擇活塞桿和溝槽接觸面邊線為剛性目標面,密封圈邊線為接觸面,建立接觸對,接觸摩擦系數設為0.2,接觸單元類型分別為TARGE169單元和CONTA172單元.選擇四面體、六面體單元分別對密封圈和溝槽進行網格劃分,由于Y型密封圈的形狀比較復雜,且在預緊壓縮中會發生較大變形,為得到更準確的結果,劃分時將相互接觸的部分進行網格細化處理,建立有限元分析模型.

圖1 O型和Y型密封圈尺寸Fig.1 O-ring and Y-ring sizes

2 相同壓縮率預緊密封性能分析

2.1 預緊邊界條件設定

分析中采用相對位移施加預緊力,保持密封圈與溝槽、活塞桿接觸,將溝槽施加固定位移約束;將活塞桿的垂直方向位移約束為0,并且給其水平方向一個向內壓縮量,對密封圈、溝槽和活塞桿截面同時施加軸對稱約束,分析O型和Y型密封圈在相同壓縮率情況下的密封性能.用位移載荷來模擬密封圈安裝時,壓縮率是18%的受力狀態,密封圈壓縮率s為

(2)

式中:b0為O型或Y型密封圈未壓縮前的截面直徑或寬度;b為壓縮后O型或Y型密封圈的截面寬度.國家標準中沒有對Y型密封圈壓縮率計算做說明,為與O型密封圈對比分析,將Y型密封圈壓縮前后唇邊最大寬度定義為b0和b.

2.2 預緊結果分析

O型和Y型密封圈在18%壓縮率下變形結果如圖2所示.由變形云圖可知:在預緊過程中,O型密封圈水平方向受擠壓力變短,垂直方向受伸展力被拉長,截面形狀趨于扁平.其中:圓弧截面中點變形量最大為0.95 mm;Y型密封圈變形部位主要出現在唇部,水平方向受到擠壓使唇部向內凹陷,唇部夾角變小,其中唇口處變形量最大為1.09 mm,稍大于O型密封圈.初始壓縮變形是密封圈產生內應力實現自密封的體現形式,通過變形量的大小可以初步判斷密封接觸區域.

圖3是O型和Y型密封圈的剪切應力、等效應力云圖.由圖3可知：O型密封圈的最大剪切應力為0.77 MPa,均遠大于Y型的0.27 MPa.由于O型密封圈最大剪切應力分布呈對角形態,其截面形狀為簡單的環狀結構,同時軸向尺寸較Y型密封圈小,導致其在溝槽內更容易發生滾動、扭曲,影響密封性能;Y型密封圈最大剪切應力發生在兩唇邊交匯處,因此，唇邊交匯處是最容易發生破壞的部位,在改進唇形結構參數過程中要著重注意兩唇交匯處的應力變化,防止應力過大而使唇邊根部發生破壞.

圖2 密封圈預緊變形結果Fig.2 Pretension deformation results of sealing ring

圖3 密封圈預緊剪切應力Fig.3 Shear stress of pretightening sealing ring

圖4是密封圈的接觸壓力圖.由圖4中可知:O型密封圈接觸壓力由接觸中心對稱向兩邊遞減;Y形密封圈接觸壓力出現在唇口邊緣與活塞桿、溝槽的接觸部位,而且其值沿唇邊向后遞減,具有一定初始接觸壓力可以保證在剛通入壓力介質時,介質不會進入密封圈與鋼壁接觸部分而發生早期泄露;在相同壓縮率條件下,O型(1.75 MPa)比Y型(0.39 MPa)密封圈具有更大的接觸壓力,說明在靜密封中O型比Y型密封圈具有更好的密封性能,但會導致O型密封圈摩擦力大,磨損較Y型密封圈多,而且容易翻滾扭轉,在動密封中使用壽命較短,所以,O型密封圈一般用于靜密封.

圖4 密封圈預緊接觸壓力Fig.4 Contact pressure of pretightening sealing ring

3 變壓縮率預緊密封性能分析

改變初始壓縮率,分析O型和Y型密封圈在12%,15%,18%,21%,24%壓縮率條件下最大接觸壓力、最大等效應力和剪切應力變化情況,分析結果如圖5和圖6所示.

由圖5可知：O型和Y型密封圈最大接觸壓力隨初始壓縮率的增大而增大,其中，O型密封圈隨壓縮率由12%增大到24%,最大接觸壓力由1.21 MPa增加到2.45 MPa,而Y型密封圈最大接觸壓力由0.26 MPa增加到0.54 MPa;同時,在不同壓縮率情況下,O型較Y型密封圈均具有更大的接觸壓力,說明在初始壓縮中,O型密封圈接觸壓力隨壓縮率變化明顯,而Y型密封圈變化較平緩,O型比Y型密封圈具有更好的預緊密封性能.

圖5 變壓縮率最大接觸壓力變化趨勢Fig.5 Variation trend of maximum contact pressure with variable compression rate

圖6 變壓縮率最大應力變化趨勢Fig.6 Maximum stress variation trend with variable compressibility

由圖6可知:O型和Y型密封圈最大等效應力、剪切應力隨初始壓縮率的增大而增大,其中，同壓縮率下等效應力值明顯大于剪切應力值,同時等效應力增量幅度比剪切應力明顯.O型密封圈最大等效應力和剪切應力值均高于同壓縮率條件下Y型密封圈,而且O型密封圈最大等效應力隨壓縮率增大變化顯著,說明同工況下O型比Y型密封圈更容易發生局部疲勞損壞.圖6中,O型和Y型密封圈最大剪切應力分別為0.88和0.37 MPa,遠小于橡膠材料許用剪切強度4.6 MPa[9],且最大剪切應力隨壓縮率增大變化趨勢不明顯,說明在預緊壓縮過程中密封圈不會發生剪切破壞.

4 施加載荷預緊密封性能分析

在O型和Y型密封圈初始壓縮率均是18%,改變不同載荷壓力情況下分析密封圈密封性能.分析中設定2個邊界條件進行:① 進行18%初始預壓縮;② 在預緊壓縮基礎上施加工作載荷,得到從1～5 MPa載荷壓力下,密封圈最大接觸壓力和最大應力變化規律,如圖7和圖8所示.

圖7 變載荷最大接觸壓力變化趨勢Fig.7 Variation trend of maximum contact pressure with variable load

圖8 變載荷最大應力變化趨勢Fig.8 Trend of maximum stress variation under variable loads

由圖7可知:O型和Y型密封圈最大接觸壓力隨工作載荷的增大均有不同程度提高,O型密封圈在載荷高于3 MPa之后,其最大接觸壓力與載荷壓力基本持平;而Y型密封圈在載荷從1 MPa增加到5 MPa過程中,其最大接觸壓力有持續增大趨勢.在載荷小于2 MPa時,O型比Y型密封圈具有更大的接觸壓力；在載荷大于3 MPa之后,Y型比O型密封圈具有更大的接觸壓力.在工作載荷比較低的情況下,O型密封圈依靠較大的接觸壓力,具有比Y型密封圈更好的密封能力,隨著工作載荷增大,Y型密封圈密封性能逐漸優于O型密封圈.存在載荷壓力時,Y型密封圈最大接觸壓力Pm滿足如下關系:

(3)

式中:P0為壓縮預緊壓力;Pi為載荷壓力.由于滿足Pm大于Pi,可以保證Y型密封圈隨載荷壓力增大實現持續密封效果.

由圖8可知：O型和Y型密封圈最大等效應力、剪切應力隨載荷壓力的增大而增大,其中同載荷壓力下等效應力值明顯大于剪切應力值,O型密封圈最大等效應力和剪切應力值分別高于同載荷壓力條件下Y型密封圈.圖8中，O型和Y型密封圈最大剪切應力分別為3.73，1.62 MPa,均小于橡膠材料許用剪切強度,且最大剪切應力隨載荷壓力增加變化比較平穩,說明在施加載荷過程中密封圈同樣不會發生剪切破壞,但在高壓動摩擦條件下,O型密封圈最大剪切和等效應力值較高,同時,其截面形狀較簡單,比Y型密封圈更容易發生扭轉破壞,進一步證明O型密封圈不適用于高壓動密封工況.

5 結論

本文運用有限元模擬軟件,對O型和Y型密封圈在不同初始壓縮率、不同工作載荷條件下,分析了其接觸壓力、變形、等效應力和剪切應力的變化規律,結論如下:

(1) 相同初始壓縮率條件下,O型比Y型密封圈具有更大的接觸壓力、剪切應力和等效應力,O型密封圈具有更好的靜密封能力;由于O型密封圈應力分布狀態,使其在溝槽內更容易發生扭轉破壞,而Y型密封圈最容易發生破壞的部位出現在兩唇邊交匯處.

(2) 改變壓縮率條件下,O型和Y型密封圈最大接觸壓力、最大等效和剪切應力隨壓縮率增大而增大,兩種密封圈在壓縮過程中均不會發生剪切破壞.

(3) Y型密封圈在載荷從1 MPa增加到5 MPa過程中,最大接觸壓力有持續增大趨勢,而O型密封圈在載荷高于3 MPa之后,最大接觸壓力與載荷壓力基本持平.Y型密封圈唇邊與鋼壁接觸面積隨載荷增大而增大,可實現密封界面的自動補償,所以Y型密封圈多用于壓力較高的動密封工況.