高壓星形密封圈的密封性能分析

王冰清，余三成，孟祥鎧，李 勇，李紀(jì)云

（1.浙江工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州 310032；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海伺服系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，上海 201109）

1 前言

星形密封圈由O形密封圈演變而來(lái)，是一種具有四唇密封截面的密封元件，因形狀類似字母“X”又稱為X形密封圈。與O形圈相比，星形密封圈的摩擦系數(shù)低、抗扭轉(zhuǎn)效果好，密封唇間形成了潤(rùn)滑容腔，適合應(yīng)用于流體機(jī)械的動(dòng)密封場(chǎng)合［1,2］。

在高壓（＞10 MPa）條件下，為避免星形密封圈因流體壓力作用被擠入溝槽間隙而引發(fā)密封失效的危險(xiǎn)，可通過(guò)加矩形擋圈來(lái)緩和密封圈的應(yīng)力集中。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)往復(fù)密封系統(tǒng)用星形圈的研究主要集中在無(wú)擋圈方面，而關(guān)于帶擋圈的星形密封圈的研究較少［3～11］。雖然在工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)施加擋圈提高了星形密封圈在高壓條件下的密封使用壽命，但由于缺乏對(duì)加擋圈密封結(jié)構(gòu)的密封機(jī)理等方面的準(zhǔn)確了解，在一些極端工況下密封圈依然存在著撕裂破壞和磨損失效的現(xiàn)象。

本文利用ANSYS軟件研究不同流體壓力、預(yù)壓縮率和摩擦系數(shù)下，帶聚四氟乙烯擋圈的丁腈橡膠星形密封圈的靜、動(dòng)態(tài)密封性能及其演變規(guī)律。從而揭示加擋圈的星形密封圈的密封機(jī)理和密封性能，并判定其易發(fā)生失效的部位，以期為往復(fù)機(jī)器用密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2 有限元模型

2.1 幾何模型

圖1所示為帶擋圈的星形密封圈的結(jié)構(gòu)及其有限元二維軸對(duì)稱仿真模型，主要由擋圈、星形圈和活塞桿3部分組成；密封圈結(jié)構(gòu)尺寸為Ф 37.7 mm × 2.62 mm，溝槽形式為矩形槽，溝槽底圓弧倒角為0.1 mm，溝槽口圓弧倒角為0.2 mm，槽深為2.3 mm，寬度為4.5 mm；擋圈和活塞桿密封間隙為0 mm。虛線Ⅰ為星形圈截面中心線，是內(nèi)側(cè)和外側(cè)的分界線；虛線Ⅱ?yàn)閴毫?cè)和非壓力側(cè)的分界線。規(guī)定活塞桿運(yùn)動(dòng)方向與星形圈受油壓方向一致的過(guò)程定義為上行過(guò)程（或外行程），反之為下行過(guò)程（或內(nèi)行程）；星形密封圈與活塞桿接觸的配副界面為主密封面，與溝槽接觸的配副界面為副密封面。

圖1 帶擋圈星形密封圈結(jié)構(gòu)及其仿真模型

2.2 有限元前處理

擋圈材料為聚四氟乙烯復(fù)合材料，彈性模量E=1000 MPa，泊松比ν=0.3［12］；星形密封圈材料為丁腈橡膠，彈性模量為7.8 MPa，泊松比為0.498；活塞桿材料為鋁合金材料。在有限元分析中，由于鋁合金材料的彈性模量遠(yuǎn)大于橡膠材料的彈性模量，因此可以將活塞桿視為剛體材料。

橡膠密封圈的材料是一種超彈性材料，具有高度的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性三重非線性特性［6］。本文采用目前廣泛采用的Mooney- Rivlin模型來(lái)描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)，其二參數(shù)應(yīng)變能函數(shù)式為：

式中 I1，I2——Green應(yīng)變不變分量

C10，C01—— Mooney-Rivlin常數(shù)，其值分別為1.9641 和 0.4691［13］

星形橡膠密封圈和矩形擋圈均選用超彈體平面四節(jié)點(diǎn)單元PLANE182，密封副接觸方式均為面-面接觸，接觸類型為剛-柔接觸，接觸單元類型為CONTA172，目標(biāo)單元類型為TARCE169。接觸算法采用加強(qiáng)的拉格朗日法。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 靜壓工作狀態(tài)

圖2 靜壓狀態(tài)下星形密封圈的Von Mises應(yīng)力和平面剪切應(yīng)力云圖

圖2 和圖3所示為星形圈在預(yù)壓縮率為12%、流體壓力為24 MPa、主密封面摩擦系數(shù)為0.25的工況下所受各種應(yīng)力的分布云圖。從圖2看出，星形圈的Von Mises應(yīng)力和平面剪切應(yīng)力均按截面中心線呈對(duì)稱分布；最大Von Mises應(yīng)力值9.937 MPa，最大剪切力值-3.791 MPa，都發(fā)生在非壓力側(cè)凹圓處。其中，剪切力負(fù)值表示方向與xy平面規(guī)定的正方向相反，當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)橡膠材料允許的剪切強(qiáng)度時(shí)，星形密封圈會(huì)發(fā)生剪切撕裂破壞失效。從圖3可以看出，星形圈的主、副密封面上的接觸壓力按截面中心線基本呈對(duì)稱分布，主密封面最大接觸壓力值為29.533 MPa，發(fā)生在壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓處，保證了足夠長(zhǎng)的密封區(qū)域。摩擦應(yīng)力表征了密封圈表面所受摩擦力大小，在一定程度上反映表面是否存在磨損失效的危險(xiǎn)。星形圈的主、副密封面上的接觸摩擦應(yīng)力按截面中心線基本呈對(duì)稱分布，其數(shù)值分布范圍為-2.949～3.555 MPa，最大摩擦應(yīng)力發(fā)生在非壓力側(cè)的外側(cè)凹圓處，最大值為3.555 MPa。

圖3 靜壓狀態(tài)下星形圈的接觸壓力和摩擦應(yīng)力云圖

3.1.1 流體壓力

取星形密封圈的壓縮率為12%，主密封面的摩擦系數(shù)為0.25，分析流體壓力在12～24 MPa范圍變化時(shí)星形圈的各應(yīng)力分布情況。

在預(yù)壓縮率及流體壓力作用下，靜止星形圈的最大Von Mises應(yīng)力都出現(xiàn)在非壓力側(cè)凹圓弧處，且隨著流體壓力的增加呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，如圖4所示。這是由于隨著流體壓力的增加，擋圈的最大Von Mises應(yīng)力呈線性增加的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在擋圈與溝槽口倒角接觸處；隨著流體壓力的增大，星形圈和擋圈貼合越緊密，其接觸面上的應(yīng)力分布越均勻，從而有效緩和了星形圈的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同樣，隨著流體壓力的增加，擋圈的最大平面剪切應(yīng)力逐漸增加，而星形圈卻基本保持不變。由此可知，在高壓條件下，擋圈的安裝可有效地緩和星形圈的應(yīng)力集中，降低橡膠材料的剪切破壞幾率。

圖4 各應(yīng)力與流體壓力的關(guān)系曲線

由圖4可知，隨著流體壓力的增加，星形圈主密封面最大接觸壓力呈線性增加趨勢(shì)；且最大接觸壓力恒大于流體壓力，滿足密封要求。

圖5所示為在不同流體壓力下星形圈主密封面上的接觸壓力分布曲線，對(duì)主密封面上的節(jié)點(diǎn)重新編號(hào)，由非壓力側(cè)1#至壓力側(cè)30#，節(jié)點(diǎn)16#為非壓力側(cè)和壓力側(cè)分界點(diǎn)。星形圈主密封面上的接觸壓力含有兩個(gè)大小接近的峰值，且最大接觸壓力在各流體壓力作用下均大于其流體壓力，能保證密封圈具有良好的密封性能。在12～24 MPa高壓條件下，星形密封圈的非壓力側(cè)和壓力側(cè)間凹圓部位的空隙將不復(fù)存在，最大接觸壓力出現(xiàn)在靠近壓力側(cè)的凸圓處。

圖5 不同流體壓力下主密封面接觸壓力曲線

3.1.2 預(yù)壓縮率

取星形圈的流體壓力為24 MPa，摩擦系數(shù)為0.25，分析預(yù)壓縮率在8%～10%時(shí)密封圈的各應(yīng)力分布情況。

在流體壓力恒定的情況下，星形圈的最大Von Mises應(yīng)力隨預(yù)壓縮率的增大而增大，而最大剪切應(yīng)力基本保持不變；最大Von Mises應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均出現(xiàn)在非壓力側(cè)凹圓處，如圖6所示。擋圈的最大Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在其與溝槽口倒角接觸處；由于隨著壓縮率的增加，活塞桿與溝槽口間擋圈的高度逐漸減小，從而引起擋圈的Von Mises應(yīng)力值呈整體下降的趨勢(shì)。但是當(dāng)壓縮率為12%時(shí)，擋圈的最大Von Mises應(yīng)力值卻突然增大，原因是擋圈和星形圈接觸面上接觸應(yīng)力的等效集中力作用點(diǎn)最接近溝槽口附近所致。當(dāng)壓縮率大于10%時(shí)，擋圈的最大剪切應(yīng)力基本無(wú)變化，說(shuō)明最大平面剪切應(yīng)力主要與流體壓力大小相關(guān)。

圖6 各應(yīng)力與預(yù)壓縮率的關(guān)系曲線

由圖6可知，隨著密封圈預(yù)壓縮率的增加，星形圈主密封面上的最大接觸壓力逐漸增加。

圖7所示為幾種典型預(yù)壓縮率下星形圈主密封面接觸壓力分布曲線。

圖7 不同預(yù)壓縮率下主密封面接觸壓力曲線

由圖可知，密封圈壓縮率的改變并不會(huì)影響星形圈主密封面上接觸壓力分布曲線的形狀，最大接觸壓力位于靠近介質(zhì)側(cè)的凸圓處，且均大于流體壓力，滿足靜密封要求。

3.1.3 摩擦系數(shù)

取流體壓力為24 MPa、密封圈壓縮率為12%，在摩擦系數(shù)為0.1～0.5時(shí)星形密封圈各應(yīng)力的變化情況如圖8所示。

可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，星形圈的最大Von Mises應(yīng)力和最大平面剪切應(yīng)力均逐漸增加，而擋圈的最大Von Mises應(yīng)力和最大平面剪切應(yīng)力均呈逐漸下降的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)流體壓力一定時(shí)，主密封面摩擦系數(shù)的增加會(huì)阻礙因流體壓力對(duì)星形圈的壓縮而導(dǎo)致其變形產(chǎn)生的應(yīng)力向擋圈傳遞。

圖8 各應(yīng)力與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線

此外，隨著摩擦系數(shù)的增加，星形圈主密封面上的最大接觸壓力有緩慢增加的趨勢(shì)，但幅度不大，說(shuō)明在一定摩擦系數(shù)范圍內(nèi)，增大摩擦系數(shù)值可以增加星形圈的靜密封能力，卻越容易導(dǎo)致密封圈發(fā)生磨損失效。

圖9所示為5種典型摩擦系數(shù)下星形圈主密封面上接觸壓力分布曲線?？梢钥闯?，活塞桿與星形圈接觸區(qū)域上摩擦系數(shù)的改變并不會(huì)影響主密封面上接觸壓力曲線分布的形狀。摩擦系數(shù)增大，星形圈主密封面上分界線Ⅱ處凹圓的接觸應(yīng)力反而減小。這是由于壓力側(cè)橡膠材料受流體壓力擠壓作用基本不受摩擦系數(shù)影響；而摩擦系數(shù)越大，非壓力側(cè)橡膠材料受摩擦力阻礙作用越明顯，從而引起內(nèi)側(cè)凹圓區(qū)域產(chǎn)生遠(yuǎn)離活塞桿的趨勢(shì)越明顯，并導(dǎo)致該處接觸壓力有所減小。

圖9 不同摩擦系數(shù)下主密封面接觸壓力曲線

圖10 活塞桿上行和下行時(shí)星形圈的Von Mises應(yīng)力云圖

3.2 往復(fù)工作狀態(tài)

當(dāng)流體壓力為24 MPa、密封圈預(yù)壓縮率為12%、密封副界面摩擦系數(shù)為0.25且活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期性振幅值為0.5 mm時(shí)，活塞桿上行（沿y軸正方向運(yùn)動(dòng)）或下行（沿y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)）狀態(tài)下的各種工作應(yīng)力狀態(tài)分別如圖10，11所示。

由圖10可知，當(dāng)活塞桿上行時(shí)，星形密封圈的Von Mises應(yīng)力分布變得不再均勻，其最大值31.669 MPa發(fā)生在星形圈非壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓45°分界線處；當(dāng)活塞桿下行時(shí)，最大Von Mises應(yīng)力20.732 MPa發(fā)生在非壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓45°分界線偏擋圈側(cè)。

圖11 活塞桿上行和下行時(shí)星形圈的剪切應(yīng)力云圖

當(dāng)活塞桿上行時(shí)，星形圈非壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓處受到的剪切作用最大，數(shù)值為-9.684 MPa；下行時(shí)，最大值10.05 MPa出現(xiàn)在星形圈內(nèi)側(cè)凹圓處，如圖11所示。由圖12可知，在活塞桿上行或下行過(guò)程中，星形圈的最大接觸壓力均發(fā)生在主密封面上，位于非壓力側(cè)的凸圓處；上行時(shí)最大接觸壓力為31.386 MPa大于下行時(shí)最大接觸壓力為29.877 MPa，且均大于密封流體壓力24 MPa，密封性能可靠。由于PTFE擋圈的存在，在往復(fù)密封工作狀態(tài)過(guò)程中星形密封圈并不存在被擠入密封間隙的危險(xiǎn)。

圖12 活塞桿上行和下行時(shí)星形圈的接觸壓力云圖

上行和下行時(shí)星形圈的最大滑動(dòng)摩擦應(yīng)力均位于主密封面上非壓力側(cè)凸圓處，上行時(shí)最大值為 -7.63 MPa，下行時(shí)最大值為 7.469 MPa，如圖13所示。星形圈主密封面上的應(yīng)力值明顯大于副密封面，非壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓與擋圈接觸的圓弧段區(qū)域在上行和下行過(guò)程中，滑動(dòng)摩擦應(yīng)力值變化幅度最大，從一定程度上反映了該區(qū)域存在磨損失效的危險(xiǎn)。

圖13 活塞桿上行和下行時(shí)星形圈的接觸摩擦應(yīng)力云圖

從上述往復(fù)運(yùn)動(dòng)的分析可知，在高壓條件下，加擋圈的星形密封圈的高應(yīng)力區(qū)域主要集中在非壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓靠近擋圈處以及內(nèi)側(cè)凹圓處，且密封圈的內(nèi)部應(yīng)力分布表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值明顯大于外側(cè)。結(jié)合四種典型應(yīng)力分布圖可知，星形圈非壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓靠近擋圈區(qū)域存在著易磨損失效的趨勢(shì)，內(nèi)側(cè)凹圓處存在撕裂破壞的危險(xiǎn)。上行過(guò)程中各應(yīng)力值大小均大于下行過(guò)程，這是由橡膠材料有類似與流體的性質(zhì)決定的，上行時(shí)活塞桿運(yùn)動(dòng)方向與流體壓力一致，促進(jìn)了密封圈材料向上的流動(dòng)及其對(duì)擋圈的擠壓變形；相反，下行時(shí)減緩了密封圈材料向上的流動(dòng)，減緩了密封圈或擋圈的應(yīng)力集中［4］。

4 結(jié)論

（1）在靜壓工作狀態(tài)下，帶擋圈的星形密封圈的最大Von Mises應(yīng)力隨著流體壓力的增大呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，但隨預(yù)壓縮率、摩擦系數(shù)的增大而增大；隨著流體壓力、預(yù)壓縮率和摩擦系數(shù)的增大，星形圈主密封面上的最大接觸壓力均增大，且流體壓力的變化對(duì)接觸壓力的影響最為明顯。

（2）在往復(fù)工作狀態(tài)下，當(dāng)流體壓力為24MPa、預(yù)壓縮率為12%、活塞桿和密封圈接觸的配副界面摩擦系數(shù)為0.25時(shí)，星形密封圈的內(nèi)部應(yīng)力值比靜態(tài)時(shí)明顯增大，且上行時(shí)的應(yīng)力值大于下行，內(nèi)側(cè)應(yīng)力值大于外側(cè)，且分布十分不均勻。

（3）通過(guò)對(duì)帶聚四氟乙烯擋圈的丁腈橡膠星形密封圈在靜壓工作狀態(tài)以及往復(fù)工作狀態(tài)下進(jìn)行有限元模擬，分析得出：在高壓條件下，星形密封圈的非壓力側(cè)的內(nèi)側(cè)凸圓靠近擋圈區(qū)域易發(fā)生磨損失效；內(nèi)側(cè)的凹圓弧部位易發(fā)生撕裂失效。

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