基于斯特封的飛機(jī)作動器主密封有限元分析

張妙恬， 李德才， 索雙富， 時(shí)劍文

(清華大學(xué) 機(jī)械工程系， 北京 100084)

引言

往復(fù)密封屬于流體密封技術(shù)的一種，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，能有效阻止外界物質(zhì)進(jìn)入機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部，被廣泛應(yīng)用于航空航天、工程機(jī)械、礦業(yè)工程等眾多領(lǐng)域。密封件的失效會直接影響整機(jī)的效率，導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐砂踩鹿蔥1]。

飛機(jī)作動器密封屬于往復(fù)密封，是實(shí)現(xiàn)飛行控制功能的重要組成部分，在飛機(jī)的起飛和降落過程中起重要作用，其密封性能直接影響航空飛機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性。20世紀(jì)70年代美國相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，作動器往復(fù)密封件失效占飛機(jī)作動器失效原因的90%以上[2]。目前飛機(jī)上的很多關(guān)鍵系統(tǒng)及零部件都被國外公司壟斷，作動器密封圈就是其中之一。國外的先進(jìn)客機(jī)均已經(jīng)使用35 MPa的壓力體制，而國內(nèi)在密封壓力體制上一直使用21 MPa。研究表明，提高壓力體制到35 MPa可使飛機(jī)的重量和體積分別減少15%和28%[3]。因此，對高壓工況下的往復(fù)密封進(jìn)行研究具有重要的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

與單一密封件不同，組合密封通常由不同結(jié)構(gòu)和性能的密封件組合而成，因此影響其密封性能的因素較多，成為密封研究的熱點(diǎn)[4-5]。目前，研究者們在建立密封圈彈流潤滑模型評價(jià)密封圈性能[6]、研究密封圈失效機(jī)理[7-8]以及改變密封圈結(jié)構(gòu)和材料等方法，提高密封圈壽命和可靠性[9-10]等方面已經(jīng)取得一定成果。

本研究選用斯特封作為飛機(jī)作動器密封的主密封件，首先通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲得斯特封D形圈和階梯圈的材料參數(shù)，然后利用ABAQUS軟件完成斯特封在不同工況下的有限元仿真。

1 往復(fù)密封的密封機(jī)理

本研究的飛機(jī)作動器密封屬于活塞桿密封，密封圈安裝在液壓缸缸體的密封凹槽內(nèi)。往復(fù)密封系統(tǒng)運(yùn)動方式如圖1所示，假設(shè)液壓缸固定不動，活塞桿做往復(fù)運(yùn)動，圖中x表示活塞桿往復(fù)運(yùn)動的方向。

圖1 往復(fù)密封系統(tǒng)示意圖

在往復(fù)密封系統(tǒng)工作過程中，不同行程密封表現(xiàn)的特征不完全相同。根據(jù)往復(fù)密封中活塞桿的運(yùn)動方向，定義活塞桿沿水平方向向右運(yùn)動的行程為外行程，活塞桿沿水平方向向左運(yùn)動的行程為內(nèi)行程。在往復(fù)密封的外行程中，由于活塞桿的表面會殘留部分液壓缸內(nèi)的油液，此部分油液隨活塞桿運(yùn)動被帶入活塞桿和密封圈之間的界面并形成一層非常薄的油膜并將缸內(nèi)油液帶出液壓缸；而在內(nèi)行程中，被活塞桿帶出的油液又會隨活塞桿運(yùn)動方向改變而被帶入液壓缸。

2 往復(fù)密封幾何模型

本研究采用的飛機(jī)作動器密封圈為重型軸用斯特封GMSS50活塞桿用單向作用密封圈。該密封圈由D形圈和階梯圈組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中斯特封的D形圈材料為丁腈橡膠，主要為密封圈提供彈性力，可補(bǔ)償PTFE材料階梯圈的磨損；階梯圈的主體材料為聚四氟乙烯，填充約15%玻璃纖維和MoS2，該材料的摩擦系數(shù)較小且耐磨性能較高；往復(fù)密封系統(tǒng)的金屬活塞桿基體材料為不銹鋼。

圖2 斯特封結(jié)構(gòu)示意圖

3 密封圈力學(xué)性能測試及材料參數(shù)獲取

通過單軸壓縮試驗(yàn)獲得階梯圈材料玻璃纖維和MoS2填充的PTFE和D形圈材料丁腈橡膠的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測量儀器采用清華大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室的WDW3020型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示。

圖3 WDW3020型電子萬能試驗(yàn)機(jī)

取添加玻璃纖維和MoS2的聚四氟乙烯材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，將材料加工成直徑為12 mm、高8 mm的圓柱體試樣，如圖4所示。同樣加工直徑為12 mm、高8 mm的丁腈橡膠圓柱體試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)[11]。根據(jù)GB/T 1041—1992《塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，壓縮速率設(shè)置為1 mm/min，實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

圖4 PTFE試樣

圖6所示為通過實(shí)驗(yàn)測得的兩種材料的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。由圖6a可以看出，隨著PTFE試樣被壓縮，其受力逐漸加大直至被破壞。PTFE試樣受力F在2500～3500 N呈線性變化，其他階段呈非線性變化。因此，取圖中曲線的線性段進(jìn)行彈性模量計(jì)算，3個實(shí)驗(yàn)試樣的彈性模量計(jì)算結(jié)果分別為300.36，298.6，291.52 MPa。取3個結(jié)果計(jì)算其平均值，可以得到本研究所用添加玻璃纖維和MoS2的PTFE彈性模量為296.8 MPa。由圖6b得到的數(shù)據(jù)為有限元分析中丁腈橡膠的材料參數(shù)。

圖5 單軸壓縮試驗(yàn)

圖6 試驗(yàn)測試原始數(shù)據(jù)

4 基于ABAQUS的往復(fù)密封有限元仿真模型

4.1 斯特封有限元幾何模型的建立

由于所分析材料包含超彈性非線性本構(gòu)模型，因此采用善于求解非線性問題的ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析，該軟件可有效處理高壓流體下非線性難收斂的問題。

1) 材料屬性設(shè)置

由于密封系統(tǒng)中活塞桿和密封溝槽的變形極小，因此將活塞桿和溝槽材料屬性設(shè)置為剛體。斯特封D形圈選用Mooney-Rivlin模型作為材料本構(gòu)模型，超彈性參數(shù)由單軸壓縮試驗(yàn)獲得，導(dǎo)入軟件后自動計(jì)算求得，設(shè)置泊松比為0.475。斯特封階梯圈的彈性模量由單軸壓縮試驗(yàn)計(jì)算求得為296.8 MPa，設(shè)置泊松比為0.45。

2) 網(wǎng)格劃分

設(shè)置CAX4RH作為D形圈的網(wǎng)格單元類型，設(shè)置CAX4R作為PTFE階梯圈的網(wǎng)格單元類型，并將整個斯特封劃分為14166個單元。

3) 相互作用屬性設(shè)置

采用罰函數(shù)法定義D形圈與密封溝槽、階梯圈與活塞桿、階梯圈與密封溝槽、D形圈與階梯圈等接觸對。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8，10]，在軟件中設(shè)定D形圈與密封溝槽之間、階梯圈與活塞桿之間、階梯圈與密封溝槽之間和D形圈與階梯圈之間的摩擦系數(shù)分別為0.5，0.3，0.3和0.8，建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 斯特封有限元模型

4.2 過盈安裝

斯特封與活塞桿在實(shí)際安裝過程中為過盈裝配，裝配過程中斯特封受擠壓產(chǎn)生變形，其階梯圈的唇口與活塞桿接觸產(chǎn)生接觸壓力[12]。在有限元分析中可通過改變斯特封、活塞桿和密封溝槽的位移，模擬斯特封的過盈安裝過程。

定義邊界條件，添加過盈安裝過程的分析步：首先對D形圈進(jìn)行預(yù)壓縮，將D形圈沿x方向向右移動0.3 mm；取消D形圈預(yù)壓縮，然后對密封溝槽進(jìn)行定位，將密封溝槽沿x方向向左移動0.3 mm；最后對活塞桿進(jìn)行定位，將活塞桿沿x方向水平向右移動0.375 mm，完成過盈安裝。

圖8a為斯特封在經(jīng)過過盈安裝后的Von-Mises應(yīng)力云圖，由圖可知，經(jīng)過過盈安裝過程后斯特封的最大Von-Mises應(yīng)力出現(xiàn)在階梯圈唇口附近，最大Von-Mises應(yīng)力值為36.89 MPa。由圖8b可以看出，過盈安裝后，斯特封階梯圈唇口與活塞桿的接觸由點(diǎn)變?yōu)榫€，接觸寬度增加。

圖8 斯特封過盈安裝后Von-Mises應(yīng)力云圖

4.3 流體壓力加載

在往復(fù)密封工作過程中，高壓油液對密封圈產(chǎn)生力的作用，并最終轉(zhuǎn)化為密封唇口的接觸壓力。在有限元分析中，一般可通過兩種方法對流體壓力進(jìn)行壓力加載：第一種是指定邊界法，即在壓力加載前設(shè)定好密封圈的受力節(jié)點(diǎn)和加載流體壓力的邊界點(diǎn)；第二種是壓力滲透法，即設(shè)置流體滲透的接觸對、加載起點(diǎn)和壓力值的方法來施加流體壓力。由于高壓油液會試圖穿過密封接觸面，ABAQUS軟件可以通過設(shè)定“主從面”來定義接觸對，并模擬流體穿過兩個相互接觸的表面。由于壓力滲透法可動態(tài)的找到流體加載臨界點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果客觀準(zhǔn)確，因此本研究采用壓力滲透法進(jìn)行高壓油液的流體壓力加載。

4.4 往復(fù)密封過程設(shè)置

如圖9所示，定義活塞桿向外帶出密封流體的方向?yàn)橥庑谐谭较?，其相反的方向則為內(nèi)行程方向。由于活塞桿會導(dǎo)致階梯圈唇口與活塞桿接觸區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生變化，因此需添加內(nèi)外行程分析步來模擬整個往復(fù)密封過程。在模擬往復(fù)密封內(nèi)外行程分析步中，給活塞桿的參考點(diǎn)添加y方向±2 mm的位移。

圖9 內(nèi)外行程示意圖

5 往復(fù)密封的有限元仿真結(jié)果及分析

5.1 應(yīng)力分析

分別施加10， 20， 30， 35 MPa的流體壓力p，得到斯特封在往復(fù)密封過程中的應(yīng)力云圖。如圖10～圖12所示，為斯特封在不同流體壓力和不同工況狀態(tài)下的Von-Mises應(yīng)力云圖。

圖10 不同壓力下斯特封過盈安裝后Von-Mises 應(yīng)力云圖

由圖10可知，由于過盈安裝，斯特封最大應(yīng)力區(qū)域主要集中在階梯圈唇口附近，隨著油壓增加，應(yīng)力向周圍擴(kuò)散，但最大應(yīng)力區(qū)域仍集中在唇口附近。由圖11和圖12可知，內(nèi)外行程時(shí)斯特封的Von-Mises應(yīng)力變化趨勢相同，應(yīng)力與油壓成正比，且其最大應(yīng)力值發(fā)生在階梯圈唇口與活塞桿的接觸區(qū)域。隨著流體壓力增大，應(yīng)力增大加速。當(dāng)油壓達(dá)到飛機(jī)作動器油壓35 MPa 時(shí)，過盈安裝后、內(nèi)行程時(shí)和外行程時(shí)的最大Von-Mises應(yīng)力分別為55.00， 55.22， 59.07 MPa。

圖11 不同壓力下斯特封內(nèi)行程Von-Mises 應(yīng)力云圖

圖12 不同壓力下斯特封外行程Von-Mises 應(yīng)力云圖

比較可知，階梯圈的Von-Mises應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于D形圈。流體壓力增大后，斯特封的最大應(yīng)力增大，且其階梯圈與活塞桿的接觸寬度增加。同一油液壓力下，斯特封運(yùn)動狀態(tài)下的應(yīng)力值大于靜止加壓狀態(tài)，且外行程時(shí)的最大應(yīng)力大于內(nèi)行程。

5.2 應(yīng)變分析

如圖13和圖14所示，為不同流體壓力下斯特封內(nèi)外行程的應(yīng)變云圖。

由圖可知，斯特封的最大應(yīng)變量與油壓成正比。由于丁腈橡膠的彈性模量大于玻璃纖維和MoS2填充的PTFE，因此D形圈的應(yīng)變量大于階梯圈，其較大應(yīng)變量主要出現(xiàn)在D形圈左上端靠近與階梯圈、密封溝槽的接觸區(qū)域。由圖13和圖14比較可知，同一油壓時(shí)，斯特封內(nèi)行程的最大應(yīng)變量大于外行程。當(dāng)油壓達(dá)到飛機(jī)作動器油壓35 MPa時(shí)，內(nèi)行程時(shí)和外行程時(shí)的最大應(yīng)變分別為0.5447 mm和0.5027 mm。

圖13 不同壓力下斯特封內(nèi)行程應(yīng)變云圖

由以上應(yīng)力應(yīng)變分析可以得出：在高壓流體作用下，斯特封的階梯圈唇口為易發(fā)生失效部位，D形圈的左上端與階梯圈接觸區(qū)域也是易出現(xiàn)失效部位。此外，階梯圈底部與密封溝槽接觸區(qū)域在外行程時(shí)發(fā)生失效的可能性較大。

5.3 唇口接觸壓力及接觸寬度分析

由往復(fù)密封機(jī)理可知，當(dāng)密封圈唇口的接觸壓力達(dá)到一定數(shù)值，才能保證其密封不泄漏。

通過ABAQUS軟件后處理模塊，創(chuàng)建斯特封唇口接觸區(qū)域路徑,如圖15所示，設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)為密封圈高壓油側(cè)，然后可通過路徑提取出唇口接觸區(qū)域的接觸壓力分布。運(yùn)用MATLAB軟件，根據(jù)所提取的接觸壓力值繪制斯特封唇口在不同壓力、不同工作狀態(tài)下的接觸壓力分布曲線，如圖16所示，圖中實(shí)線表示內(nèi)行程的接觸壓力σ，虛線表示外行程的接觸壓力σ。

圖15 ABAQUS后處理模塊創(chuàng)建唇口路徑

由圖16可知，階梯圈唇口的接觸壓力σ與油壓p成正比，且同一油壓時(shí)外行程的唇口最大接觸壓力大于內(nèi)行程。當(dāng)p增至20 MPa后，唇口接觸區(qū)空氣側(cè)區(qū)域σ會發(fā)生突變。當(dāng)油壓達(dá)到飛機(jī)作動器油壓35 MPa 時(shí)，唇口內(nèi)行程時(shí)和外行程時(shí)的最大接觸壓力分別為149.97 MPa和112.86 MPa。根據(jù)分析可知，唇口σ在高壓油側(cè)的壓力梯度比空氣側(cè)大，這樣σ和壓力梯度分布可減小往復(fù)密封泄漏量。

在往復(fù)密封中，斯特封密封圈唇口的接觸寬度d同樣對密封系統(tǒng)的密封性能起著重要作用。圖17所示為斯特封唇口內(nèi)外行程時(shí)的接觸寬度d，由圖可知，階梯圈唇口d與p成正比，且當(dāng)p達(dá)到20 MPa后，其接觸寬度增長速度緩慢。唇口在內(nèi)行程時(shí)d比外行程大，當(dāng)油壓達(dá)到飛機(jī)作動器油壓35 MPa時(shí)，兩者差值約為0.15 mm。這是由于階梯圈唇口σ在內(nèi)行程時(shí)較小，而較大的接觸寬度能增強(qiáng)斯特封的往復(fù)密封性能。

圖18為斯特封在同一行程時(shí)不同油壓下的階梯圈唇口σ分布圖，由分析結(jié)果可知，加載流體壓力后，唇口的接觸寬度d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過盈安裝后的接觸寬度d，由此可知對唇口接觸寬度d產(chǎn)生影響的主要因素是流體壓力p的變化。

5.4 階梯圈底部接觸壓力及接觸寬度分析

斯特封階梯圈底部的接觸壓力σ也是影響密封圈往復(fù)密封性能的重要條件之一。階梯圈底部的接觸壓力σ是由階梯圈與密封溝槽擠壓產(chǎn)生，只有底部接觸壓力σ足夠大，才能支撐住階梯圈。

圖16 不同壓力下斯特封唇口接觸壓力分布圖

同樣創(chuàng)建斯特封階梯圈底部接觸區(qū)域路徑(如圖19所示)，設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)為斯特封階梯圈底部靠近D形圈一側(cè)，然后通過創(chuàng)建的路徑從右到左提取出階梯圈底部接觸區(qū)域的接觸壓力σ分布值。根據(jù)所提取的接觸壓力值繪制階梯圈底部在不同壓力、不同工作狀態(tài)下的接觸壓力σ分布曲線，結(jié)果如圖20所示。

圖17 唇口接觸寬度

圖18 不同工況下斯特封唇口接觸壓力分布圖

圖19 ABAQUS后處理模塊創(chuàng)建底部路徑

圖20 不同壓力下斯特封底部接觸壓力分布圖

由圖20可以看出，在往復(fù)密封過程中，階梯圈底部σ與p成正比，且同一油壓工況下，外行程的階梯圈底部最大接觸壓力σ大于內(nèi)行程。在內(nèi)行程中，最大接觸壓力始終出現(xiàn)在階梯圈底部靠近D形圈的區(qū)域，當(dāng)p為10 MPa時(shí)，由于油液壓力較小、活塞桿向上運(yùn)動對斯特封產(chǎn)生向上的摩擦力，導(dǎo)致底部靠近空氣側(cè)區(qū)域σ、d迅速減小。隨著油液壓力增大，油液壓力開始占主導(dǎo)作用，階梯圈底部靠近空氣側(cè)區(qū)域σ也隨之增大。在外行程中，當(dāng)p為10 MPa和20 MPa時(shí)，階梯圈底部的最大接觸壓力出現(xiàn)在靠近D形圈的位置，而當(dāng)油壓達(dá)到30 MPa和35 MPa時(shí)，階梯圈底部的最大接觸壓力出現(xiàn)在階梯圈底部靠近空氣側(cè)的位置。當(dāng)油壓達(dá)到飛機(jī)作動器油壓35 MPa時(shí)，底部內(nèi)行程時(shí)和外行程時(shí)的最大接觸壓力分別為149.97 MPa和112.86 MPa。根據(jù)階梯圈底部σ分布曲線可知，階梯圈底部σ在底邊兩側(cè)都具有較大的壓力梯度，這樣的接觸壓力分布可減小密封泄漏量。

圖21所示為斯特封階梯圈底部內(nèi)外行程d，由圖可知，底部d與油壓p成正比，當(dāng)油壓達(dá)到20 MPa后，階梯圈底部的接觸寬度增長速度緩慢。斯特封階梯圈底部在外行程時(shí)d始終大于內(nèi)行程，當(dāng)油壓達(dá)到飛機(jī)作動器油壓35 MPa時(shí)，兩者差值約為0.11 mm。這是由于在往復(fù)密封外行程時(shí)，階梯圈除了受到高壓流體作用，還會受到活塞桿向下運(yùn)動對其產(chǎn)生垂直向下的摩擦力，相比內(nèi)行程時(shí)階梯圈底部受力增大，擠壓變形變大，d增加。

圖21 階梯圈底部接觸寬度

圖22為同一行程內(nèi)不同油液壓力下階梯圈底部接觸壓力σ分布圖，由分析結(jié)果可知，除了內(nèi)行程10 MPa工況外，階梯圈底部的接觸寬度d與油壓p成正比，當(dāng)油壓達(dá)到20 MPa后，階梯圈底部的接觸寬度增長速度緩慢。

6 結(jié)論

本研究選用斯特封作為飛機(jī)作動器往復(fù)密封的主密封件進(jìn)行有限元分析，得到了斯特封在過盈安裝和不同流體壓力10， 20， 30， 35 MPa時(shí)內(nèi)外行程的應(yīng)力應(yīng)變云圖、階梯圈唇口和階梯圈底部的接觸壓力和接觸寬度分布。通過上述分析，得到以下結(jié)論：

圖22 不同工況下斯特封底部接觸壓力分布圖

(1) 往復(fù)密封在不同行程密封表現(xiàn)的特征不完全相同；

(2) Von-Mises應(yīng)力與流體壓力成正比，階梯圈工作狀態(tài)時(shí)的Von-Mises應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于D形圈，運(yùn)動狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力值大于靜止加壓狀態(tài)，且外行程的最大應(yīng)力大于內(nèi)行程；

(3) 應(yīng)變量與流體壓力成正比，工作狀態(tài)時(shí)斯特封D形圈的應(yīng)變量大于階梯圈。在高壓流體的作用下，斯特封的階梯圈唇口為易發(fā)生失效部位，D形圈的左上端與階梯圈接觸區(qū)域也是易出現(xiàn)失效部位。此外，階梯圈底部與密封溝槽接觸區(qū)域在外行程時(shí)發(fā)生失效的可能性較大；

(4) 階梯圈唇口、底部的接觸壓力與流體壓力成正比，且外行程時(shí)的最大接觸壓力比內(nèi)行程大；階梯圈唇口、底部的接觸寬度與流體壓力成正比，且內(nèi)行程時(shí)的唇口接觸寬度大于外行程，外行程時(shí)的底部接觸寬度大于內(nèi)行程；在高壓流體作用下，唇口的接觸寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過盈安裝后，說明影響唇口接觸寬度的主要因素是流體壓力。