低壓鑄造中O形密封圈密封特性分析

冉 迪， 鄭 鵬， 王 寧， 卞思文， 韓 志， 王 丹， 王曉鳳

(1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110167； 2.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

引言

低壓鑄造是在裝有金屬液的密閉鋼包中施加一定的氣體壓力，金屬液通過升液管被壓入模具型腔內(nèi)，保壓一定時間后凝固以形成鑄件的一種方法。在鑄造過程中為確保鑄件組織致密，具有較高的力學(xué)性能，需要保證包體與包蓋間的密封性，而密封性主要取決于密封件的性能。由于低壓鑄造循環(huán)工作周期內(nèi)， 鋼包蓋需頻繁開啟與關(guān)閉，鑄造設(shè)備的密封件基本上采用結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，密封可靠， 造價低廉的橡膠O形密封圈[1]，而橡膠O形密封圈受材料的限制，溫度會對其耐用性、密封可靠性產(chǎn)生極大的影響。根據(jù)低壓鑄造鋼包的熱分析研究可知，包沿密封處可控溫度在163 ℃之下[2]，低壓鑄造所需氣體介質(zhì)壓力在2 MPa內(nèi)，密封件需在高溫極端工況下工作，常出現(xiàn)密封件破損失效問題，最終影響密封性。目前國內(nèi)外學(xué)者對影響橡膠O形密封圈密封性能的各個因素進(jìn)行了分析[3-8]，但大部分只研究了常溫條件下橡膠O形密封圈的磨損、疲勞、應(yīng)力應(yīng)變等規(guī)律，其中，文獻(xiàn)[9]研究了由于氣缸與O形圈摩擦生熱，O形圈在不同壓縮率、滑動速度、介質(zhì)壓力條件下的溫度場分布，并未分析在最高摩擦溫度50 ℃條件下易失效位置和應(yīng)力應(yīng)變等規(guī)律。綜上，對于160 ℃高溫條件下O形密封圈的密封特性的研究很少，因此，本研究采用ANSYS有限元分析軟件，對不同溫度、壓縮率、介質(zhì)壓力條件下的密封性能及密封失效位置進(jìn)行分析，得出了不同條件下最大Vons Mises應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力的分布現(xiàn)象及規(guī)律，為提高密封件的密封性能，降低密封件的破損提供理論與數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 O形密封圈計(jì)算模型

1.1 O形密封圈材料的本構(gòu)模型

橡膠材料屬于超彈性體，具有高變形度、高彈性、小壓縮性，且存在著復(fù)雜邊界條件和接觸非線性等特性，其材料和幾何特性均呈非線性變化，所以，對O形圈的有限元分析屬于非線性有限元范疇[10]。本研究O形圈材料采用氟橡膠(KFM)，產(chǎn)品的規(guī)格為6.99 mm×2160 mm，24 ℃時硬度為75 HB，150 ℃時硬度為65 HB，線性膨脹系數(shù)為2.5×10-4℃-1，彈性模量為8.75 MPa，泊松比為0.499，該材料可承受275 ℃ 的高溫，具有優(yōu)越的耐熱性和耐腐蝕性。

對于氟橡膠材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，需要使用應(yīng)變能密度函數(shù)來描述，Mooney-Rivlin模型可用來計(jì)算不可壓縮超彈性橡膠材料在大變形下的力學(xué)問題，能夠很好地描述變形小于35%的橡膠材料的力學(xué)行為[11]，其應(yīng)變能密度函數(shù)為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，W—— 應(yīng)變能

C1，C2—— 材料Mooney-Rivlin系數(shù)

I1，I2，I3—— 應(yīng)變不變量，彈性體在長度、表面積、體積上的相對變化

λ1，λ2，λ3—— 主拉伸率

α—— 體積彈性模量

對于不可壓縮的超彈性體，I3=1，簡化后的應(yīng)變能函數(shù)為：

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(5)

材料硬度H、彈性模量E與C1，C2的關(guān)系為：

(6)

lgE=0.0198H-0.5432

(7)

(8)

計(jì)算得出，24 ℃時C1，C2分別為1.166，0.292；150 ℃時C1，C2分別為0.739，0.185。

1.2 有限元模型的建立

1) 模型建立的基本假設(shè)

在建立有限元模型時，首先進(jìn)行了如下假設(shè)：

(1) 由于構(gòu)成密封槽與鋼包蓋的金屬材料泊松比為0.3，彈性模量為206 GPa，遠(yuǎn)大于橡膠材料的彈性模量，所以不考慮金屬變形，即將密封槽與鋼包蓋視為剛性體；

(2) O形圈及其接觸邊界按軸對稱問題處理，實(shí)際上，由于存在加工和裝配誤差，其結(jié)構(gòu)和受力是不完全軸對稱的；

(3) O形圈的泊松比μ=0.499，可視為不可壓縮的材料；

(4) 橡膠材料是均勻連續(xù)的，沒有任何缺陷。

2) 二維有限元模型

采用ANSYS有限元分析軟件建立O形圈的二維模型，如圖1所示，橡膠單元采用4節(jié)點(diǎn)二維實(shí)體PLANE182單元，模型中的接觸對為面面的剛?cè)峤佑|，接觸對由目標(biāo)單元TARGE169和接觸單元CONTA172組成，按照有限元分析中接觸對的定義，將鋼包蓋、密封槽的底面與側(cè)面作為目標(biāo)面，O形圈作為接觸面，摩擦因數(shù)為0.2，采用自由網(wǎng)格劃分后，模型共包含1574個節(jié)點(diǎn)，1636個單元。本研究采用接觸表面法中的增強(qiáng)的拉格朗日法來進(jìn)行模擬，即為了找到精確的拉格朗日乘子(即接觸力)，對罰函數(shù)進(jìn)行一系列的修正迭代，在方程平衡迭代的過程中增大接觸附著力(壓力和摩擦應(yīng)力)，以便最終穿透值小于允許的容差值。

圖1 O形密封圈的有限元模型Fig.1 O-ring finite element model

1.3 定義邊界與施加載荷

由于O形圈的彈性模量僅為8.75 MPa，密封槽及鋼包蓋的彈性模量是206 GPa，所以，可以忽略密封槽及鋼包蓋的變形，將其作為橡膠O形圈的約束邊界。

按實(shí)際加載順序，模型中定義了3個載荷步：

(1) 定義節(jié)點(diǎn)溫度載荷，模擬鋼水加入鋼包內(nèi)密封槽溫度由24 ℃上升到150 ℃時的溫度變化；

(2) 對鋼包蓋施加向下的位移載荷，數(shù)值等于O形圈壓縮預(yù)緊值，模擬O形圈過盈裝配時的壓縮率；

(3) 在O形圈右側(cè)邊界上施加均布的壓力載荷，模擬O形圈所受到的側(cè)向介質(zhì)壓力。

2 工況順序下的結(jié)果與分析

2.1 升溫產(chǎn)生的應(yīng)力分布

Von Mises應(yīng)力σv反映了3個方向的主應(yīng)力差值，差值越大的區(qū)域不僅容易產(chǎn)生裂紋，還會加速O形圈的應(yīng)力松弛，降低彈性，使材料產(chǎn)生永久變形，最終導(dǎo)致密封失效；接觸應(yīng)力σc反應(yīng)了O形圈的密封能力，接觸應(yīng)力越大，密封性能越好，O形圈保證密封的必要條件是密封界面上的最大接觸應(yīng)力大于或等于介質(zhì)壓力[12]。

低壓鑄造高溫鋼水使包沿密封處溫度升高，經(jīng)對鋼包熱分析得出，包沿密封處的溫度變化范圍為24～163 ℃。如圖2所示為無壓縮過盈量，無介質(zhì)壓力條件下，僅升溫150 ℃后的Vons Mises應(yīng)力與接觸應(yīng)力。由圖2可知，由于包蓋約束，O形圈受熱膨脹產(chǎn)生了較小形變，溫升引起的最大Vons Mises應(yīng)力σvmax與最大接觸應(yīng)力σcmax分別為0.475 MPa與0.697 MPa，都位于豎向?qū)ΨQ軸上，其中，最大Vons Mises應(yīng)力處于O形圈邊緣內(nèi)側(cè)。

圖2 溫度為150 ℃條件下的應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution at 150 ℃

2.2 升溫條件下預(yù)緊壓縮產(chǎn)生的應(yīng)力分布

圖3為當(dāng)溫度T穩(wěn)定在150 ℃，壓縮率ε為15%時的Vons Mises應(yīng)力與接觸應(yīng)力分布，其中最大Vons Mises應(yīng)力與最大接觸應(yīng)力分別為1.70 MPa與2.02 MPa，在逐漸施加壓縮載荷過程中，O形圈變形量增大，原豎向啞鈴狀最大Vons Mises應(yīng)力由密封圈邊緣內(nèi)側(cè)逐漸向中心區(qū)貫穿擴(kuò)展，最后形成規(guī)則的矩形；接觸應(yīng)力呈對稱拋物線分布，在接觸線中點(diǎn)達(dá)到最大值，與Hertz接觸曲線的分布規(guī)律相似。

圖3 溫度150 ℃壓縮率15%條件下的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution at 150 ℃ and 15% compression

2.3 升溫預(yù)緊后介質(zhì)壓力產(chǎn)生的應(yīng)力分布

圖4為在溫度150 ℃，壓縮率為15%條件下，介質(zhì)壓力p為2 MPa時的Vons Mises應(yīng)力與接觸應(yīng)力分布，其中最大Vons Mises應(yīng)力與接觸應(yīng)力分別為2.14 MPa 與4.57 MPa。在施加介質(zhì)壓力的過程中，由于邊界約束與側(cè)向介質(zhì)壓力的共同作用，最大Vons Mises應(yīng)力由原規(guī)則矩形逐漸分離，并向未加載介質(zhì)壓力方向移動，最終位于O形圈邊緣內(nèi)側(cè)靠近密封槽過渡圓角處，此時O形圈易破損失效位置為邊緣內(nèi)側(cè)密封槽過渡圓附近；上下面最大接觸應(yīng)力由原對稱拋物線變?yōu)榉菍ΨQ拋物線，密封槽側(cè)壁接觸應(yīng)力呈現(xiàn)準(zhǔn)拋物線分布，這是因?yàn)榻橘|(zhì)壓力對O形圈有橫向擠壓，同時介質(zhì)壓力沿上、下密封縫隙滲透，對O形圈豎向有擠壓力，導(dǎo)致O形圈上下表面右半側(cè)接觸壓力減小，左半側(cè)接觸應(yīng)力增加，此時，O形圈的主要密封面為上下接觸面左側(cè)，根據(jù)密封的必要條件，接觸面上的最大接觸壓力大于或等于介質(zhì)壓力，O形圈具有較好的密封效果。

圖4 溫度150 ℃、壓縮率15%、介質(zhì)壓力2 MPa條件下的應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution at 150 ℃, 15% compression and 2 MPa pressure

3 不同加載參數(shù)下的密封特性

3.1 不同溫度下密封特性

為了更好的說明溫度變化對O形圈密封特性的影響，圖5為壓縮率15%、介質(zhì)壓力2 MPa、不同溫度條件下O形圈的最大Von Mises應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力曲線。如圖5所示，隨著溫度上升，最大應(yīng)力均有一定增加，其中，當(dāng)溫度高于180 ℃時，最大Von Mises應(yīng)力與最大接觸應(yīng)力明顯增加，最大Von Mises應(yīng)力位置和形狀也有一定改變。

圖5 不同溫度條件下應(yīng)力變化趨勢Fig.5 Stress variation trend at different temperature

圖6為壓縮率15%、介質(zhì)壓力2 MPa條件下，溫度在20， 140， 260 ℃時最大Von Mises應(yīng)力變化，隨著溫度升高，最大Von Mises應(yīng)力由O形圈豎向?qū)ΨQ軸位置逐漸向左上角移動，且區(qū)域面積逐漸減小，數(shù)值逐漸增大。通過分析不同壓縮率、不同介質(zhì)壓力條件下，溫度升高對最大Von Mises應(yīng)力的影響， 得出了相同結(jié)論。 此現(xiàn)象是由于工作溫度升高，O形圈體積膨脹， 上、下接觸面壓力增加， 上、下接觸面所產(chǎn)生的摩擦力增加，接觸面區(qū)域更不容易產(chǎn)生側(cè)向位移，同時，溫度上升使O形圈材料硬度下降，內(nèi)部抵抗變形的能力降低，在受到側(cè)向介質(zhì)壓力的作用下，使內(nèi)部最大Von Mises應(yīng)力逐漸向密封槽圓角處移動，且應(yīng)力逐漸增大并集中在更小區(qū)域內(nèi)。

圖6 不同溫度條件下Von Mises應(yīng)力分布規(guī)律Fig.6 Von Mises stress distribution at different temperature

3.2 不同壓縮率、不同溫度條件下密封特性

為了更好的說明壓縮率與溫度變化對O形圈密封特性的影響，分析了介質(zhì)壓力為2 MPa，不同壓縮率、不同溫度條件下O形圈最大接觸應(yīng)力，如圖7所示。當(dāng)壓縮率較小時，溫度對最大接觸應(yīng)力影響較小，而當(dāng)壓縮率較大時，溫度對最大接觸應(yīng)力影響較大，這是因?yàn)楫?dāng)壓縮率較小時，上下接觸面所產(chǎn)生的摩擦力較小，摩擦力不足以抵抗側(cè)向介質(zhì)壓力，O形圈被嚴(yán)重?cái)D壓在側(cè)向密封槽壁上，此時，最大接觸應(yīng)力在側(cè)向，溫度升高使O形圈膨脹，膨脹所產(chǎn)生的側(cè)面接觸應(yīng)力較小，此時溫度對最大接觸應(yīng)力影響較小；而當(dāng)壓縮率增大至一定程度，最大接觸應(yīng)力已轉(zhuǎn)移至上下接觸面，溫度上升使O形圈膨脹，膨脹對上下面接觸應(yīng)力影響較大，此時溫度對最大接觸應(yīng)力影響較大。

圖7 不同壓縮率、不同溫度條件下最大接觸應(yīng)力Fig.7 Maximum contact stress at different compression and temperature

在溫度恒定的條件下，隨著壓縮率增大，最大接觸應(yīng)力均先有所降低，而后又明顯增加，因?yàn)閴嚎s率增大使上下接觸表面壓力增加，上下面接觸應(yīng)力有所增加，同時，壓力所產(chǎn)生抵抗側(cè)向介質(zhì)壓力的摩擦力增大，從而使側(cè)向接觸應(yīng)力減小，在最大接觸應(yīng)力由側(cè)向逐漸向上下面轉(zhuǎn)移的過程中，最大接觸應(yīng)力是逐漸降低的；

當(dāng)壓縮率達(dá)到一定時，溫度升高先使最大接觸應(yīng)力下降，之后使最大接觸應(yīng)力增加，因?yàn)闇囟鹊纳仙共牧嫌捕冉档?，上下面的接觸應(yīng)力有所降低，但當(dāng)硬度降低至一定程度時，材料膨脹又使最大接觸應(yīng)力有所增加。

圖8可證明上述解釋的正確性，在溫度為150 ℃，介質(zhì)壓力為2 MPa條件下，當(dāng)壓縮率等于0%時，最大接觸應(yīng)力3.59 MPa位于O形圈側(cè)面，而上下接觸面應(yīng)力僅為2.39 MPa，此時，上下表面存在一定泄漏風(fēng)險(xiǎn)；而當(dāng)壓縮率增加至10 %時，側(cè)向接觸應(yīng)力逐漸減小至3.08 MPa，而上下接觸面應(yīng)力增加至3.97 MPa，已超過側(cè)面接觸壓力。

圖8 不同壓縮率條件下接觸應(yīng)力分布規(guī)律Fig.8 Contact stress distribution at different compression

圖9為介質(zhì)壓力為2 MPa，不同壓縮率、不同溫度條件下O形圈最大Von Mises應(yīng)力分布。如圖9所示，當(dāng)壓縮率在0%～10%內(nèi)增加時，最大Von Mises應(yīng)力有所減小，在壓縮率為10%處降至最低，而當(dāng)壓縮率繼續(xù)增加時，最大Von Mises應(yīng)力開始增加。因?yàn)檩^小的壓縮率所產(chǎn)生抵抗側(cè)向介質(zhì)壓力的摩擦力較小，O形圈被擠壓至密封槽過渡圓角處，由于圓角較小，所產(chǎn)生的最大Von Mises應(yīng)力較大，而隨著壓縮率增大，抵抗側(cè)向介質(zhì)壓力的能力增強(qiáng)，最大Von Mises應(yīng)力逐漸減小并向O形圈內(nèi)部移動，而當(dāng)壓縮率超過10%且繼續(xù)增加時，最大Von Mises應(yīng)力有向中心擴(kuò)展并形成規(guī)則矩形的趨勢。圖10可證明上述解釋的正確性，當(dāng)溫度為150 ℃、介質(zhì)壓力為2 MPa時，隨著壓縮率的增大，最大Von Mises應(yīng)力位置由密封槽圓角處逐漸向O形圈內(nèi)部擴(kuò)展，經(jīng)分析，不同溫度與不同介質(zhì)壓力條件下，壓縮率增加仍有相同趨勢。

圖9 不同壓縮率、不同溫度條件下最大Von Mises應(yīng)力Fig.9 Maximum Von Mises stress at different compression and temperature

圖10 不同壓縮率條件下應(yīng)力分布規(guī)律Fig.10 Stress distribution at different compression

綜上所述，當(dāng)介質(zhì)壓力為2 MPa時，為使O形圈有較好的密封性，主要密封面應(yīng)為上下接觸面，且越大的接觸應(yīng)力密封效果越好，此時，壓縮率應(yīng)大于10%，但結(jié)合壓縮率對最大Von Mises應(yīng)力的影響，考慮材料疲勞破壞，合理的壓縮率應(yīng)在10%～15%之間。同時為了防止嚴(yán)重疲勞破壞，應(yīng)盡量避免同時滿足溫度高于200 ℃，壓縮率高于20%的條件。

3.3 不同介質(zhì)壓力、不同壓縮率條件下密封特性

圖11、圖12為溫度150 ℃，不同介質(zhì)壓力、不同壓縮率時O形圈最大接觸應(yīng)力、最大Von Mises應(yīng)力曲面圖。如圖11所示，最大接觸應(yīng)力隨介質(zhì)壓力與壓縮率的增加呈準(zhǔn)線性分布；如圖12所示，最大Von Mises應(yīng)力隨介質(zhì)壓力和壓縮率的增加均有增加，當(dāng)壓縮率較小時，最大Von Mises應(yīng)力隨著介質(zhì)壓力升高明顯增加，因?yàn)檩^小的壓縮率所產(chǎn)生的摩擦力不足以抵抗側(cè)向介質(zhì)壓力， O形圈被嚴(yán)重?cái)D壓在密封槽圓角處，使最大Von Mises應(yīng)力明顯增加。

圖11 不同介質(zhì)壓力、不同壓縮率條件下最大接觸應(yīng)力Fig.11 Maximum contact stress at different pressure and compression

圖12 不同介質(zhì)壓力、不同壓縮率下最大Von Mises應(yīng)力Fig.12 Maximum Von Mises stress at different pressure and compression

圖13為溫度150 ℃， 壓縮率15%，介質(zhì)壓力為0， 1， 3 MPa時的Von Mises應(yīng)力變化，隨著介質(zhì)壓力的增大，最大Von Mises應(yīng)力由O形圈內(nèi)部向密封槽圓角處移動，當(dāng)介質(zhì)壓力為3 MPa時，已到達(dá)密封槽過渡圓角處。

圖13 不同介質(zhì)壓力條件下Vons Mises應(yīng)力分布規(guī)律Fig.13 Von Mises stress distribution at different pressure

而當(dāng)介質(zhì)壓力較高時(3 MPa)，最大Von Mises應(yīng)力隨著壓縮率的增大明顯減小。這是因?yàn)楫?dāng)壓縮率增大時，O形圈抵抗側(cè)向介質(zhì)壓力的能力增強(qiáng)，使最大Von Mises應(yīng)力由密封槽圓角處向O形圈內(nèi)部轉(zhuǎn)移，且數(shù)值有所降低。這些現(xiàn)象都是由介質(zhì)壓力與壓縮率平衡決定的。

4 結(jié)論

本研究采用ANSYS有限元分析軟件，研究了低壓鑄造中O形圈實(shí)際工作順序下的Von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，對不同溫度、壓縮率、介質(zhì)壓力條件下的Von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析，并給出相應(yīng)解釋，結(jié)論如下：

(1) O形圈易疲勞破損位置隨著工作溫度的升高、壓縮率的減小、介質(zhì)壓力的升高，均由O形圈內(nèi)部逐漸向密封槽過渡圓角處移動；

(2) 當(dāng)介質(zhì)壓力為2 MPa時，合理的壓縮率應(yīng)在10%～15%內(nèi)；當(dāng)溫度高于200 ℃，且壓縮率高于20%時，破損風(fēng)險(xiǎn)明顯增加；

(3) 當(dāng)溫度為150 ℃時，介質(zhì)壓力高于2.5 MPa且壓縮率小于5%時，破損風(fēng)險(xiǎn)明顯增加；

(4) 不同溫度、介質(zhì)壓力的條件下，較小的壓縮率不僅會使密封性能降低，而且還會使破損機(jī)率增加。