密封弧面半徑對(duì)C形組合密封圈密封性能的影響

李海寧， 陳柳青， 曾佑奎， 曹春玲

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710054)

橡膠密封圈是密封裝備的一種通用型基礎(chǔ)元件，在密封和泄露這一對(duì)沖突中扮演十分必要的角色。密封雖然不屬于頂尖的技術(shù)，但卻也發(fā)揮著必不可少的作用。密封圈工作中所用的設(shè)備和工作的環(huán)境決定了其工作介質(zhì)，譬如某些船只或在海上的機(jī)械大多數(shù)密封圈的工作介質(zhì)都是海水。海水介質(zhì)特殊的理化特性，造成了更加嚴(yán)峻的損傷、漏液及侵蝕等技術(shù)難題，因此，對(duì)工作介質(zhì)為海水的密封元件密封性能的研究意義重大。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前利用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行密封圈密封性能的相關(guān)研究較多[1-6]，肖彬[2]通過(guò)Newton-Raphson非線(xiàn)性算法，研究橡膠密封圈在剛性力作用下的應(yīng)力與變形，通過(guò)分析指出橡膠材料在應(yīng)變過(guò)程中產(chǎn)生疲勞和老化的區(qū)域，為橡膠材料可靠設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了一定的指導(dǎo)意義。鐘亮等[7]在建立O形密封圈有限元模型的基礎(chǔ)上，分析了預(yù)壓縮量、流體壓力、摩擦系數(shù)以及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)O形密封圈密封性能的影響，得到流體壓力和摩擦系數(shù)是影響O形密封圈密封性能主要因素的結(jié)論。李紅振等[8]分析了不同流體壓力和預(yù)壓縮率對(duì)X形密封圈力學(xué)性能的影響，得到X形密封圈在較低的流體壓力和預(yù)壓縮率下發(fā)生應(yīng)力集中。趙敏敏等[9]對(duì)O形密封圈的二維軸對(duì)稱(chēng)模型在不同徑向間隙和不同油壓下的密封性能進(jìn)行了分析，得到徑向間隙以及油壓對(duì)O形密封圈密封性能的影響。以往的有限元仿真技術(shù)對(duì)密封原件的相關(guān)研究中，所研究的密封結(jié)構(gòu)及工作形式都相對(duì)簡(jiǎn)單，如針對(duì)O形密封圈[10]或者矩形密封圈的靜密封形式的分析。很少有學(xué)者對(duì)組合密封圈的動(dòng)密封形式特別是旋轉(zhuǎn)密封形式進(jìn)行相關(guān)研究[11]。

現(xiàn)以海上機(jī)械上使用的C形組合密封圈為研究對(duì)象，采用有限元仿真軟件ANSYS建立其模型，分析密封弧面半徑對(duì)其密封性能的影響。

1 有限元仿真

C形組合密封圈實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 C形組合密封圈實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Physical picture and structure diagram of C-type combined sealing ring

弧面半徑的變化將會(huì)引起C形組合密封圈密封性能的改變，如圖2所示為密封弧面半徑大小不一的C形組合密封圈。

圖2 不同弧面半徑的密封圈Fig.2 Sealing rings with different arc radius

1.1 有限元分析模型

將某海上設(shè)備中回環(huán)往復(fù)處使用的C形組合密封圈作為探究對(duì)象。密封圈安裝于溝槽內(nèi)，憑借C形圈弧面對(duì)回轉(zhuǎn)軸的外圓面進(jìn)行密封。該組合密封圈外部的C形密封環(huán)由氫化丁腈橡膠構(gòu)成，內(nèi)部的O形密封圈由三元乙丙橡膠制成，且外部的C形密封環(huán)密封弧面均勻貼附一層厚度為0.2 mm的聚四氟乙烯薄膜。

由氫化丁腈及三元乙丙材料組成的C形組合密封圈都屬于超彈性材料[12]，具備高度的非線(xiàn)性，即幾何、材料以及接觸非線(xiàn)性。在ANSYS軟件中用近似不可壓縮的Mooney-Rivlin模型來(lái)描述這類(lèi)橡膠材料，應(yīng)變能方程為

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

(1)

式(1)中：I1、I2為應(yīng)變張量的兩個(gè)主不變量；C10、C01為Mooney-Rivlin的材料常數(shù)。其中氫化丁腈橡膠C01=18.54,C10=-5.928；三元乙丙橡膠C01=5.046 67,C10=-1.096 7。

在分析中，為了能清晰地展示密封圈內(nèi)外結(jié)構(gòu)及與端蓋之間的裝配狀態(tài)，建立實(shí)體模型如圖3所示為模型中的1/2。在數(shù)值模擬經(jīng)計(jì)算過(guò)程中，為縮小計(jì)算量，在ANSYS中取密封結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行分析，選取單元類(lèi)型為20節(jié)點(diǎn)的SOLID186單元，選六面體掃略劃分，把回轉(zhuǎn)軸和溝槽隱藏，有限元模型如圖4所示。

圖3 實(shí)體模型Fig.3 Solid model

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

1.2 接觸問(wèn)題分析

在此實(shí)體模型下，所有零件互相構(gòu)成面與面的接觸，氫化丁腈[13]和三元乙丙橡膠構(gòu)成柔體與柔體的接觸，密封圈與頂部端蓋、底部工作軸之間均構(gòu)成柔體與剛體的接觸，具體如圖5所示。

整體密封結(jié)構(gòu)中四個(gè)接觸對(duì)如下所述：

(1)三元乙丙橡膠與氫化丁腈橡膠間的接觸：即圖5中所示面9、8、7和面13、12。

(2)C形圈和端蓋溝槽的接觸：即圖5所示第二個(gè)接觸對(duì)為面11、10、6、5和面3、2、1。

(3)三元乙丙橡膠和溝槽剛體的接觸：即面12與面2。

(4)底部C形圈圓弧面以及回轉(zhuǎn)軸外圓表面的接觸：即圖5所示第四個(gè)接觸對(duì)為面4和面14。

1為端蓋溝槽；2為端蓋溝槽；3為端蓋溝槽；4為U形圈弧面；5為U形圈；6為U形圈；7為U形圈內(nèi)表面；8為U形圈內(nèi)表面；9為U形圈內(nèi)表面；10為U形圈；11為U形圈；12為U形圈內(nèi)表面；13為O形圈內(nèi)表面；14為回轉(zhuǎn)軸外圓面

1.3 施加邊界條件及載荷

進(jìn)行前處理之后對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的定義如下：

(1)仿真時(shí)只取模型的1/4來(lái)計(jì)算，所以要在其實(shí)體模型端面上添加一個(gè)對(duì)稱(chēng)束縛。

(2)依據(jù)動(dòng)靜密封的分析條件，對(duì)溝槽的全部自由度進(jìn)行約束。

(3)向密封弧面方向給工作軸外圓面添加一個(gè)偏移值，施加效果為密封圈受工作軸的擠壓，這時(shí)會(huì)比較接近裝配的狀態(tài)。

(4)作靜密封分析時(shí)，給密封弧面半徑1/2處添加一定介質(zhì)壓力，并將回轉(zhuǎn)軸全部自由度限制。

(5)作動(dòng)密封分析時(shí)，則在靜密封條件基礎(chǔ)上，刪除工作軸上的所有約束然后把它上面的全部節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)到新的柱坐標(biāo)系中，首先給全部節(jié)點(diǎn)添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)約束進(jìn)而將其他5個(gè)自由度限制。

2 仿真結(jié)果及分析

要探討控制不同密封弧半徑大小可能給密封圈的密封性能[14-15]帶來(lái)的作用，現(xiàn)取下列參數(shù)即密封弧半徑12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16 mm 的密封圈作數(shù)值仿真，設(shè)定其他分析參數(shù)，分別為介質(zhì)壓力6 MPa，O形圈半徑5 mm，密封弧摩擦系數(shù)0.1，壓縮量13%。計(jì)算結(jié)束后會(huì)分別獲得對(duì)應(yīng)狀態(tài)下各個(gè)弧面半徑Von Mises應(yīng)力、剪切應(yīng)力及接觸壓力云圖。

2.1 Von Mises應(yīng)力

從眾數(shù)值模擬圖中選弧面半徑等于12、16 mm時(shí)，動(dòng)密封狀態(tài)下的密封圈Von Mises應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von Mises stress

表1所示為基于以上條件下整理的動(dòng)靜密封情況下的最大Von Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)。

將表1中的數(shù)據(jù)即動(dòng)靜密封狀態(tài)下密封圈相應(yīng)的最大Von Mises應(yīng)力繪成了弧面半徑x-最大Von Mises應(yīng)力yv折線(xiàn)圖如圖7所示。

表1 不同弧面半徑下最大Von Mises應(yīng)力

圖7 最大Von Mises應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.7 Change curve of maximum Von Mises stress

據(jù)圖6可得，O形圈和C形圈的接觸單元周邊以及工作軸和C形圈接觸單元周邊的Von Mises應(yīng)力都相應(yīng)比較小，最大應(yīng)力發(fā)生在C形圈中間，在O形圈與密封弧面位置中部。

據(jù)表1中數(shù)據(jù)以及圖7折線(xiàn)圖走向結(jié)合可以得出，靜密封中折線(xiàn)大致走向趨勢(shì)為：當(dāng)x增加，yv變小。yv的峰值12.395 MPa出現(xiàn)在x=12 mm的時(shí)候，隨著x增加至12.5 mm時(shí)，yv非常快地減至11.105 MPa，yv在x為12.5～16 mm進(jìn)一步減小，但減小速率比12～12.5 mm區(qū)段要小很多。

動(dòng)密封中當(dāng)x=12 ～14 mm時(shí)，yv由 14.721 MPa 減小到13.502 MPa。在14～15 mm時(shí)yv大致維持穩(wěn)定不變。當(dāng)x于15～16 mm區(qū)間其最大Von Mises應(yīng)力又呈現(xiàn)逐漸變小的趨向。由表1及圖7可得靜密封中的最大Von Mises應(yīng)力全部小于動(dòng)密封，這是由于當(dāng)回轉(zhuǎn)軸工作時(shí)會(huì)令組合密封圈產(chǎn)生擠壓，發(fā)生形變，該形變的方向與旋轉(zhuǎn)軸方向相同。動(dòng)靜密封中不同參數(shù)條件下最大Von Mises應(yīng)力都比許用值18.3 MPa小。

因Von Mises應(yīng)力愈大，材料產(chǎn)生損壞的可能性愈大，故依據(jù)上面的分析，密封弧面半徑的選取不能太小。

2.2 剪切應(yīng)力

圖8所示為弧面半徑R=12 mm及R=16 mm 密封圈在動(dòng)密封情況下的剪切應(yīng)力云圖。

表2所示是基于以上條件下整理的動(dòng)靜密封情況下的最大剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)。

將表2中的數(shù)據(jù)即動(dòng)靜密封狀態(tài)下密封圈相應(yīng)的最大剪切應(yīng)力繪成了折線(xiàn)圖，如圖9所示。

據(jù)圖8可得，最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)的位置在以密封圈的對(duì)稱(chēng)軸為參照并與此對(duì)稱(chēng)軸夾角為45°方向上的對(duì)稱(chēng)。由于其方向相反，故正值與負(fù)值相對(duì)應(yīng)。

圖8 剪切應(yīng)力云圖Fig.8 Shear stress

在此，ys表示最大剪切應(yīng)力，x同上。結(jié)合表2和圖9可得，在靜密封分析中，其ys起初隨x的增加有個(gè)小范圍的變小，當(dāng)x>13 mm以后，ys開(kāi)始逐漸增大為最大值4.12 MPa。

圖9 最大剪切應(yīng)力變化曲線(xiàn)Fig.9 Change curve of maximum shear stress

表2 不同弧面半徑下最大剪切應(yīng)力

在動(dòng)密封情況中，最大剪切應(yīng)力起初同樣也有一個(gè)小范圍的變小，在x>13 mm以后開(kāi)始逐漸增大，但增加的速率在x=14～16 mm時(shí)要小于13～14 mm。x=16 mm時(shí)，其ys為5.22 MPa，比氫化丁腈橡膠許用值8.6 MPa要小，故該組合密封圈可以正常工作，保證其密封效果。同上，在各參數(shù)組合下工作軸旋轉(zhuǎn)引起的密封圈形變使靜密封下的最大剪切應(yīng)力值均小于動(dòng)密封狀態(tài)下的值。

因剪切應(yīng)力愈大，材料愈容易產(chǎn)生剪切破壞，故必須把握剪切應(yīng)力的大小。

2.3 接觸壓力

圖10所示為弧面半徑R=12 mm及R=16 mm 時(shí)，密封圈在動(dòng)密封狀態(tài)下的接觸壓力云圖。

圖10 接觸壓力云圖Fig.10 Contact pressure

表3所示是基于以上條件下整理的動(dòng)靜密封情況下的最大接觸壓力數(shù)據(jù)。

將表3中的數(shù)據(jù)即動(dòng)靜密封狀態(tài)下密封圈相應(yīng)的最大接觸壓力繪成了弧面半徑x-最大接觸壓力yc折線(xiàn)圖，如圖11所示。

在動(dòng)密封情況中，最大接觸壓力在密封弧面半徑為12～13 mm內(nèi)有個(gè)迅速減小的趨勢(shì)，由 34.82 MPa 減到24.3 MPa，之后在24.3 MPa附近趨于穩(wěn)定。由表3及圖11可以發(fā)現(xiàn)，在x最小的時(shí)候yc最大，這是在x最小時(shí)，壓力散步較為密集，密封圈與回轉(zhuǎn)軸之間的觸及面積最小。

表3 不同弧面半徑下最大接觸壓力

圖11 最大接觸壓力變化曲線(xiàn)Fig.11 Change curve of maximum contact pressure

盡管密封副處的接觸壓力值會(huì)確定密封圈不失效時(shí)最大介質(zhì)壓力，然而在此C形組合密封圈的工作介質(zhì)壓力不超過(guò)6 MPa，太大的接觸壓力不僅不可以提升密封性能，還能增大密封弧面磨損速度，使得密封圈使用壽命減小。

3 結(jié)論

(1)在不同弧面半徑的參數(shù)下，密封圈都可以達(dá)到密封效果。

(2)在弧面半徑較大時(shí)，由于Von Mises應(yīng)力以及剪切應(yīng)力都較大，增加了密封失效可能性。

(3)在弧面半徑較小時(shí)，密封副處接觸壓力比較大，增大了密封圈的磨損率，減短其使用壽命。

(4)當(dāng)密封弧面半徑選擇13 mm時(shí)，最大Von Mises應(yīng)力和剪切應(yīng)力比較小，密封副處的接觸壓力適中，此值較為合理。