偏置狀態對組合密封性能影響的研究

趙 樂1， 索雙富1， 張 琦， 張妙恬

(1.清華大學 機械工程學院， 北京 100084；2.中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京 100083)

引言

近年來，組合密封以其優良性能在工程技術領域得到廣泛應用[1-4]。與單一密封件不同，組合密封通常由不同結構和性能的密封件組合而成，因此影響其密封性能因素較多，成為密封研究的熱點[5-7]。

王成剛等[8]利用有限元分析軟件建立了格萊圈有限元分析模型，并對其在不同壓縮率、壓力時密封面接觸壓力分布規律進行分析，確定格萊圈易失效位置。韓傳軍等[9]采用有限元方法建立齒形滑環密封模型，分析初始壓縮率、介質壓力和滑環齒厚對齒形滑環密封圈密封性能的影響。易攀等[10]研究了深海高壓環境下不同材料硬度對組合密封結構性能的影響， 總結了O形密封圈在不同材料硬度條件下的幾何變形情況以及主接觸面最大接觸應力與von Mises應力的分布規律。楊忠炯等[11]針對硬巖掘進機(TBM)破巖掘進作業過程中的強振動狀態對格萊圈密封性能的影響進行了仿真研究，結果表明基礎振動頻率和幅值都會使密封間隙發生變化，從而對密封性能產生影響。

由于零件加工及裝配時難以保證與設計參數完全一致，零件磨損后也導致接觸狀態發現變化，因此組合密封圈在使用中常常會處于偏置狀態。目前關于偏置狀態對組合密封性能影響的研究較少。商宏鐘[12]針對紅外光電探測器由高壓氣體旋轉密封導致的泄漏問題，對組合密封結構進行改進設計，指出當轉軸與回轉中心不同軸時會加速密封的失效，但對偏置狀態未做分析研究。

本研究利用有限元分析軟件ABAQUS對于組合密封在偏置狀態下的密封性能進行了仿真研究，基于仿真結果對旋轉組合密封使用與維護提出建議，為密封結構改進提供一定的參考。

1 問題的提出

旋轉組合密封通常由橡膠彈性體O形圈和改性聚四氟乙烯(PTFE)方圈組成，如圖1所示。其密封機理是利用O形圈的預緊力使方圈貼緊密封面，當系統壓力升高時，方圈將承受更大作用力從而達到高壓下的密封效果[13]。

圖1 旋轉組合密封結構示意圖

與唇形密封、O形圈等旋轉密封相比，組合密封接觸面大，承壓能力高。但高壓下運轉不僅方圈易發生磨損，由于組合密封圈與回轉軸接觸位置固定，且方圈材料硬度相對較高，回轉軸表面往往也容易出現磨損，進而影響密封面接觸狀態，如圖2所示。

圖2 回轉軸表面磨損狀態

仿真主要對回轉軸表面與方圈的接觸狀態進行研究。為簡化分析模型，假定密封圈及安裝溝槽無偏斜，由裝配誤差、磨損等產生的偏斜均使回轉軸接觸表面處于偏置狀態。

2 有限元建模與仿真

2.1 有限元建模

模型幾何特征參照特瑞堡外軸用格萊圈，具體型號為TG320100，工作壓力范圍0～20 MPa。方圈內徑100 mm，接觸面寬度3.93 mm，O形圈直徑3.53 mm，溝槽寬度4.2 mm，密封初始間隙0.81 mm。采用軸對稱模型對組合密封圈進行幾何建模，如圖3所示。以回轉軸參考點為中心，垂直狀態時偏置角A為0，角度變化以逆時針方向為正向。按上述偏置特征進行建模，將回轉軸接觸面設置為不同偏置狀態進行仿真。

圖3 旋轉組合密封軸對稱幾何模型

方圈彈性模量200 MPa，受壓時其變形量遠小于O形圈，采用線性模型進行分析。O形圈選用丁腈橡膠，建模時采用超彈性Mooney-Rivlin本構模型描述，參照文獻[9]設定參數C1為1.87，C2為0.47。在單元類型選擇上，方圈采用CAX4R單元，O形圈采用CAX4RH單元，以模擬橡膠材料大變形、非線性特征。回轉軸與溝槽選用45號鋼，材料彈性模量遠大于密封圈材料，采用剛體結構建模，并將溝槽參考點固定作為初始邊界條件。

旋轉組合密封模型各接觸面均采用罰函數法定義的面-面接觸類型。根據密封結構共定義4對相互作用面，其中回轉軸與方圈接觸對摩擦系數設定為0.1，方圈與O形圈接觸對摩擦系數設定為0.6，方圈與溝槽接觸對摩擦系數設定為0.1，O形圈與溝槽的接觸對摩擦系數設定為0.6。通過ABAQUS流體滲透功能自動確定密封面接觸和分離的臨界點，使計算結果更加客觀準確。本例中對旋轉組合密封圈共設置3個壓力滲透面，分別為軸-方圈(壓力滲透面I)，方圈-O形圈(壓力滲透面II)，溝槽-O形圈(壓力滲透面III)，如圖4所示。

圖4 流體壓力滲透面

2.2 分析計算步驟

分析計算主要分為2個過程進行。首先模擬組合密封圈的初始過盈安裝。按照密封手冊要求，在高壓下工作，密封間隙不應大于0.2 mm，設定過盈安裝間隙0.17 mm。仿真中主要通過前2個載荷步實現：在第1個載荷步中，回轉軸向右移動0.04 mm，使密封結構中各接觸關系平穩建立起來；在第2個載荷步中，回轉軸繼續向右移動0.6 mm，完成組合密封圈的初始過盈裝配；最后在第3個載荷步中施加流體壓力載荷，完成流體加載過程。

3 仿真結果與分析

3.1 不同偏置狀態下的應力分布

應力集中是導致材料疲勞失效的重要原因。通過仿真分析組合密封圈高應力區域，可預測易失效部位，為密封設計及應用提供參考。

設定流體壓力為20 MPa，密封間隙為0.17 mm，分別模擬密封接觸面在正向1°, 2°, 3°，以及負向-1°, -2°, -3°等不同偏置角度下進行仿真計算。組合密封圈在不同偏置狀態下的von Mises應力分布如圖5所示。

從仿真結果看，偏置狀態下組合密封圈高應力分布區域基本一致，最大von Mises應力均出現在方圈底部近空氣側。在正向偏置狀態下，隨著偏置角度的增加，最大von Mises應力均有不同程度的增大，且近空氣側應力集中更加明顯。同時方圈與回轉軸在流體側的接觸面出現分離趨勢。在負向偏置狀態下，隨著偏置角度的增加，最大von Mises應力也相應增大，但增大量小于正向偏置狀態，且空氣側應力集中狀況有所減少。

圖5 不同偏置狀態下組合密封圈von Mises應力云圖對比

圖6所示為O形圈在不同偏置狀態下的von Mises應力分布。從仿真結果看，O形圈應力集中區域均出現在各接觸面上。在正向偏置狀態下，隨著偏置角度的增加，最大von Mises應力值有所增加。在負向偏置狀態下，最大von Mises應力值隨偏置角度增加而有所減小。

圖7所示為流體加載后，組合密封圈在不同偏置狀態下的最大von Mises應力值對比圖。綜合上述仿真結果，在偏置狀態下，密封圈最大應力值都出現一定程度的增加，容易引起密封圈的疲勞損壞。正向偏置使密封圈應力增加幅度更大，而負向偏置應力增幅相對較小。相比方圈，O形圈應力分布受偏置狀態影響較小。

3.2 密封面接觸壓力分析

流體加載后將作用于密封接觸面，密封圈接觸面壓力大小是實現密封的關鍵因素。組合密封有多對密封接觸面，其中方圈與回轉軸為動密封接觸面，材料性能差異大，因此選擇此接觸面進行分析研究。

圖6 不同偏置狀態下O形圈von Mises應力云圖對比

圖7 偏置狀態下組合密封圈最大von Mises應力值對比

1) 過盈安裝

密封圈完成過盈安裝后，通過創建路徑方式，提取方圈與回轉軸接觸面壓力值。圖8為完成過盈安裝后不同傾角下密封面接觸壓力曲線。圖中橫坐標為方圈與回轉軸密封接觸寬度l，坐標原點對應密封圈在流體側與回轉軸接觸起點，縱坐標為方圈與回轉軸密封接觸壓力p。

圖8 過盈安裝時方圈與回轉軸接觸壓力曲線

由仿真結果可以看出，在過盈狀態下，未偏置時，接觸壓力曲線沿接觸寬度方向呈雙峰值形態，峰值分別出現在密封面靠近流體側和空氣側，且空氣側峰值大于流體側峰值。峰值附近有較大的壓力梯度變化，峰值間壓力分布相對平緩。此壓力分布可在動密封接觸面上形成流體動壓潤滑區域，對于改善高壓下密封接觸面的潤滑狀況十分有利[14]。

在正向偏置狀態下，隨著偏置角度增大，兩側壓力峰值呈現相反的變化趨勢，流體側峰值隨偏置角度增大而減小，空氣側峰值隨偏置角度增大而增大，峰值間壓力也出現一定梯度變化。當正向偏置角度達到3°時，接觸長度出現一定的減小，空氣側接觸壓力出現了大幅增長。在負向偏置狀態下，方圈與回轉軸密封面接觸寬度基本恒定，接觸壓力曲線形態相似，變化趨勢具有一致性。當偏置角度增大時，接觸壓力曲線形態基本保持不變，兩側壓力峰值也呈現相反的變化趨勢，但其變化趨勢與正向偏置不同。流體側峰值隨偏置角度增大而增大，空氣側峰值隨偏置角度增大而減小。

2) 流體加載

流體壓力加載完成后，通過創建路徑方式，提取方圈與回轉軸接觸面壓力值。圖9為流體壓力加載后，不同傾角下密封面接觸壓力曲線。

圖9 流體加載后方圈與回轉軸接觸壓力曲線

由仿真結果可以看出，在流體壓力作用下，密封面各節點接觸壓力大幅增加，不同偏置狀態下接觸壓力呈現較大差異。未偏置狀態下，接觸壓力曲線沿接觸寬度方向呈現單峰值形態， 峰值出現在密封面靠近空氣側，峰值附近有較大的壓力梯度變化，流體側接觸面到峰值間壓力相對平緩。正向偏置狀態下，當偏置角度增大時，接觸壓力曲線形態基本不變，峰值隨偏置角度增大而增大，接觸長度隨偏置角度增大而減小。負向偏置狀態下，當偏置角度增大時，接觸壓力曲線形態基本保持不變，空氣側峰值隨偏置角度增大而減小，流體側接觸壓力出現隨偏置角度增大而增大的趨勢。

綜合仿真結果可知，在偏置狀態下，密封面接觸壓力都有一定的增加，從一定程度上增強了接觸面上的密封能力。但由于方圈與回轉軸接觸面為動密封面，過高的接觸壓力會產生較大的摩擦損耗，特別是正向偏置狀態下，容易引起密封圈過早損壞和回轉軸的磨損。

4 結論

(1) 密封接觸面的偏置狀態對組合密封性能影響較大，特別是在高壓下使用時，不同偏置狀態下密封性能所受影響有較大差異;

(2) 組合密封圈應力分布受偏置狀態影響較為明顯。偏置狀態下，方圈最大von Mises應力均出現不同程度的增大，負向偏置應力增幅相對較小。相比方圈，O形圈應力分布受偏置狀態影響較小。在密封結構設計中可采用適當的負向偏置，有利于改善組合密封圈應力集中作用；

(3) 不同偏置狀態對密封面接觸壓力有著不同影響。正向偏置狀態下，接觸壓力峰值以及接觸寬度受偏置角度影響較大，使用中應盡量避免出現正向偏置。而負向偏置狀態下，接觸壓力曲線形態相似，變化趨勢相對一致。