軸用VL形組合密封件裝配工藝仿真研究及驗證

王躍明，呂曉仁，項沖，黃樂，郭飛

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽 110870；2.清華大學高端裝備界面科學與技術全國重點實驗室，北京 100084；3.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510535)

隨著機械工業的發展，機械產品越來越復雜，有些機械設備甚至需要成百上千個零件來組成，機械設備的性能會受到裝配工藝的直接影響。密封結構是現代工業中至關重要的一部分，組合密封因其優異的減摩耐磨性而廣泛應用于各類液壓系統中[1-2]。組合密封由一個橡膠O形圈和一個塑料密封環組成，裝配過程中塑料密封環會產生塑性變形，影響密封環截面形狀和密封面接觸壓力分布，進而影響密封性能。錯誤的裝配工藝甚至會導致密封失效，造成嚴重的泄漏事故和經濟損失。特別是軸用VL形密封的唇口接觸寬度小(見圖1)，更容易受到裝配工藝的影響，因此密封件的裝配工藝不容忽視。

圖1 軸用VL形密封截面

軸用密封圈安裝在孔或缸筒內，密封溝槽多采用整體式結構，這對密封件的有效裝配帶來一定的困難。郭飛[3]搭建了可視化裝配臺架用于測量旋轉密封圈裝配后的唇口接觸寬度，將密封圈安裝到透明軸上基于顯微鏡、單反相機以及 45°傾斜的平面鏡等光學設備實現了密封唇口接觸寬度的測量。郭飛等人[4]研究了橢圓金屬O形環裝配預緊過程的變形特征，根據O形環與法蘭壁面的接觸關系，確定了預緊過程中關鍵截面的位移和運動軌跡變化。但是，相對于橢圓金屬O形環，橡塑組合密封在安裝過程中的變形更加復雜且裝配過程對密封性能的影響更加顯著。姚碎全[5]介紹了工程實踐中密封件的常用安裝方法，軸用密封件可采用手動U形法和基于專用工裝壓縮的方法進行安裝，同時可采用高溫油浴、溫箱加熱等方法輔助安裝。目前密封件的安裝工藝流程多通過工程實踐總結得到，存在經驗化隨機化的問題，缺少在密封機制層面研究安裝工藝與密封性能之間的內在聯系。

本文作者針對軸用VL形密封的裝配工藝進行了分析，對裝配過程進行有限元仿真，開展了密封裝配試驗，并搭建可視化裝配臺架測量裝配后密封面關鍵參數，驗證模擬仿真的準確性。同時建立了裝配工藝與密封性能之間的聯系，改善了密封件裝配存在的經驗化隨機化的問題，優化了裝配工藝。研究成果具有一定的工程指導價值。

1 有限元仿真

采用商用軟件 ABAQUS對密封件裝配過程進行有限元仿真，建立三維密封仿真模型。密封結構包括軸、缸筒、橡膠環、密封環4個部分，各部件尺寸如圖2所示。

圖2 各部件尺寸

在有限元分析中，軸及缸筒為不銹鋼，材料模型選用線彈性模型，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.2。密封環為PTFE材料，材料模型選用彈塑性模型，泊松比為0.45，常溫下彈性模量為540 MPa，100 ℃加溫后彈性模量為100 MPa。文中分別測量了常溫及加溫下PTFE材料的應力應變數據用于有限元仿真。O形圈材料為丁腈橡膠，材料模型選用超彈性模型，通過擬合實測單軸名義應力應變曲線，選取Mooney-Rivlin模型[6]模擬其超彈性力學性能。其函數表達式為

擬合得到各參數：C10=-0.586 239 738 MPa，C01=2.187 421 32 MPa，D1=6.266 275 453×10-3。為保證分析結果的準確性，對接觸邊界進行網格加密處理。接觸算法采用增強的拉格朗日算法，接觸類型為“面-面”接觸。流體壓力的施加采用直接加壓法，對暴露于流體部分的O形圈和密封環的表面加壓[7-10]。

1.1 有限元仿真過程

在有限元中還原裝配過程，在不影響計算結果的前提下，對實際裝配過程適當簡化。密封環為PTFE材料，裝配過程中會產生塑性變形進而影響密封性能，所以把密封環作為主要分析對象[11]。裝配過程如圖3所示，先裝配O形圈，然后將密封環扭成U形安裝到溝槽中，最后將密封圈矯正并安裝透明軸[12-14]。

圖3 裝配過程

1.2 有限元仿真結果分析

對常溫安裝和100 ℃加溫安裝分別進行有限元仿真，在接觸壓力云圖中測量圖4所示的4個位置的接觸寬度，其中位置1為裝配時密封圈最大彎曲處。仿真結果如圖5、圖6所示。

圖4 有限元仿真接觸寬度測量位置

圖5 常溫仿真裝配接觸寬度

圖6 加溫仿真裝配接觸寬度

通過仿真結果可以發現，由于安裝時密封圈位置1處變形較大，導致了位置1處接觸寬度明顯大于其他位置。對比表1所示的常溫安裝和100 ℃加溫安裝的有限元仿真結果發現，加溫安裝時密封面接觸寬度整體大于常溫安裝。

表1 有限元仿真裝配接觸寬度

2 密封圈裝配試驗

2.1 搭建可視化裝配臺架

可視化裝配臺架是驗證裝配質量的重要手段，可對有限元仿真過程結果進行驗證，并觀測密封組件安裝及矯正過程中的變形狀態、密封唇面接觸寬度等關鍵參數。可視化裝配臺架結構組成如圖7—9所示，包括與計算機連接的單反相機、顯微鏡、透明空心軸、透明缸筒、強光源以及45°傾斜的平面鏡。

圖7 可視化裝配臺架原理

圖8 可視化裝配臺架

圖9 透明空心軸、透明缸筒、45°傾角平面鏡

測試時將密封組件安裝到缸筒的溝槽中，為了準確地測量接觸寬度，在透明軸上粘貼刻度尺，最小刻度為0.1 mm。測試過程，利用45°傾斜的平面鏡將水平放置的密封圈轉化為垂直方向的密封圈，調節單反相機和顯微鏡的焦距進行拍照，在計算機上對照片進行后處理獲得接觸寬度。

2.2 裝配方法及裝配工具

軸用橡塑組合密封件的安裝可采取手動安裝和專用工具安裝2種方法。如圖10所示，手動安裝法時，首先將密封圈扭成腎形，然后將密封環安裝到透明缸筒的溝槽中并回正，最后安裝透明空心軸。如圖11所示，采用專用工具安裝時，首先將密封環放入錐筒中，然后利用推進器將密封環沿著錐筒推進至透明缸筒的溝槽中，密封環在推進過程中會產生塑性變形，所以需要將校準錐插入透明缸筒中用于矯正密封環，最后安裝透明空心軸。圖12所示為聚酰胺材料的專用裝配工具，共包括3個部件，分別為錐筒、推進工具、校準錐。

圖10 手動安裝

圖11 專用工具安裝安裝

圖12 專用裝配工具

2.3 裝配試驗方案

擬定開展裝配試驗方案，共設置4組裝配試驗，分別為常溫手動安裝、常溫專用工具安裝、100 ℃加溫后手動安裝、100 ℃加溫后專用工具安裝，觀察密封件安裝及矯正過程中密封圈的塑性變形并測量裝配后密封唇接觸寬度。

試驗發現由于軸用VL形密封圈截面形狀特殊，采用專用工具安裝時會使密封圈損壞，如圖13所示，所以軸用VL形密封圈只能采用手動安裝法。

圖13 專用工具導致密封圈損壞

如圖14所示，安裝時，先將O形圈和擋環安裝到缸筒的溝槽中，然后手動將密封環扭成腎形后安裝到溝槽中。如果是加溫安裝，需要在安裝密封環之前將密封環置于溫度箱中100 ℃下加熱0.5 h，最后安裝透明空心軸。

圖14 手動安裝過程

2.4 關鍵參數測量

基于可視化裝配臺架，觀察了密封環在裝配過程中的變形情況，測量了裝配后密封唇接觸寬度。將45°傾角的平面鏡放置到空心軸內，選取圖14所示的4個位置測量接觸寬度，利用顯微鏡和單反相機對指定位置進行拍照，其中位置1為裝配時密封圈最大彎曲處。放大圖片后測量沿軸向方向的像素點個數并與刻度尺上1 mm內的像素點個數進行對比，計算得到密封面接觸寬度的準確數值。具體數據如表2所示。

表2 常溫安裝密封唇接觸寬度

常溫裝配密封唇接觸寬度如圖15所示，位置1處接觸寬度區域共有82個像素點，刻度尺上1 mm內有58個像素點，計算得到位置1接觸寬度為1.4 mm；位置2處接觸寬度區域共有32個像素點，刻度尺上1 mm內有60個像素點，計算得到位置2接觸寬度為0.53 mm；位置3處接觸寬度區域共有36個像素點，刻度尺上1 mm內有64個像素點，計算得到位置3接觸寬度為0.56 mm；位置4處接觸寬度區域共有36個像素點，刻度尺上1 mm內有60個像素點，計算得到位置4接觸寬度為0.6 mm。

圖15 常溫裝配密封唇接觸寬度

溫度對PTFE材料力學性能的影響很大，將密封圈放到溫箱中設置溫度為100 ℃保溫0.5 h后再進行安裝，裝配完成待密封圈冷卻后測量各個位置接觸寬度，其中位置1為安裝時密封圈最大彎曲處。測量結果如表3所示。

表3 加溫安裝密封唇接觸寬度

加溫裝配密封唇接觸寬度如圖16所示，位置1 處接觸寬度區域共有238個像素點，刻度尺上1 mm內有78個像素點，計算得到位置1接觸寬度為3.1 mm；位置2處接觸寬度區域共有51個像素點，刻度尺上1 mm內有67個像素點，計算得到位置2接觸寬度為0.67 mm；位置3處接觸寬度區域共有53個像素點，刻度尺上1 mm內有69個像素點，計算得到位置3接觸寬度為0.77 mm；位置4處接觸寬度區域共有41個像素點，刻度尺上1 mm內有60個像素點，計算得到位置4接觸寬度為0.68 mm。

圖16 加溫裝配密封唇接觸寬度

提取裝配試驗結果如表4所示。通過裝配試驗發現，位置1處的接觸寬度要大于其他位置，加溫裝配時密封唇的接觸寬度要大于常溫安裝，在位置1處尤為明顯。一般情況下對于軸用VL形密封，在相同的壓力條件下，接觸寬度越小則接觸壓力越大密封性能越好[15]。從試驗結果可以看出常溫裝配密封性能更優。

表4 不同安裝工況下接觸寬度對比

3 結論

基于有限元仿真、密封件裝配試驗以及可視化密封裝配臺架建立了裝配工藝與密封性能之間的聯系，為優化裝配工藝提供了方法和依據。主要結論如下：

(1)有限元仿真結果與實際裝配結果較吻合，驗證了基于三維模型對裝配過程進行有限元仿真的可行性。

(2)軸用VL形組合密封件采用裝用工具進行安裝時易被破壞，建議采用手動安裝。

(3)常溫安裝時密封面接觸寬度要小于加溫安裝；對于軸用VL型組合密封在相同介質壓力條件下接觸寬度越小則密封面接觸壓力越大，從而密封性能越好。因此可以得出常溫裝配時密封性能更優。