作動筒用O形圈高壓工況下動/靜密封特性研究*

唐 斌，陳銘亮，王 舒，劉 勇， 趙登輝，黃 巍

(1.國營蕪湖機械廠 航空設(shè)備測控逆向工程安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241007； 2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引 言

作動筒是航空飛行器的重要組成部件，其結(jié)構(gòu)通常由活塞、密封件、筒體等組成。由于制造成本低且性能可靠等優(yōu)點，O形圈密封在飛行器作動筒液壓系統(tǒng)中有著極其廣泛的應(yīng)用。作動筒用密封圈安裝在截面為矩形的溝槽內(nèi)，起密封作用，適用于靜密封和往復運動密封[1]。作動筒用密封圈在靜密封和動密封過程中常見故障有：介質(zhì)壓力過大使得摩擦力大于軸向力，導致O型圈在溝槽中發(fā)生滾動扭轉(zhuǎn)而發(fā)生破壞；當壓縮率超過使用極限時，O型圈由于應(yīng)力集中導致破裂等?？紤]材料壓縮量，為防止出現(xiàn)永久性塑性變形，O形密封圈在靜密封中允許的最大壓縮量約為30%，在動密封中約為20%[2]。

近年來，國內(nèi)眾多學者對O形圈密封結(jié)構(gòu)開展了大量研究工作[3]。吳廣平等[4]運用有限元方法分析了O形橡膠圈剪應(yīng)力的分布，并探討了初始壓縮量、密封槽口圓角半徑、流體壓力以及摩擦系數(shù)等參數(shù)對剪應(yīng)力的影響；吳瓊等[5]設(shè)計了往復式標準試驗臺，以內(nèi)徑190 mm的丁腈橡膠圈為研究對象，分析了不同工況下橡膠圈的摩擦性能；顧東升等[6]研制了一種靜環(huán)用O形圈性能試驗裝置，對內(nèi)徑分別為60、70、80 mm的O形丁腈橡膠圈進行靜態(tài)密封性能測試，分析了各因素對密封圈接觸應(yīng)力和泄漏量的影響。

現(xiàn)代飛行器正向著輕量化、高壓化、變壓力等方向發(fā)展，勢必對飛行器作動筒的密封性能和尺寸提出越來越高的要求[7]。為了滿足日益高壓化、輕量化的作動筒發(fā)展趨勢，筆者以某系列卡環(huán)鎖作動筒用小尺寸O形圈為研究對象，探究其在高壓工況下的動/靜密封特性。利用Ansys建立了作動筒密封結(jié)構(gòu)有限元分析模型，分析了介質(zhì)工作壓力、徑向間隙以及密封圈直徑等對動/靜密封結(jié)構(gòu)性能的影響。模擬O型圈在作動筒中的運動，探究作動筒中O型圈對密封性能的影響，以實現(xiàn)減少現(xiàn)實中作動筒泄露現(xiàn)象的發(fā)生。

1 工作原理與前處理設(shè)置

1.1 工作原理

圖1分別給出了作動筒中的O形密封圈動/靜密封結(jié)構(gòu)工作原理。O形圈密封屬于一種擠壓型密封，其密封的基本工作原理是依靠密封件發(fā)生彈性變形并在密封接觸面上形成接觸壓力實現(xiàn)的。當接觸壓力高于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓時，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。對比靜密封和動密封，兩者的主要區(qū)別在于壁面的相對運動。

圖1 動/靜密封結(jié)構(gòu)工作原理

1.2 幾何模型

考慮到O形圈密封結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，因此為了簡化計算、提高效率，文中將動/靜O形圈密封結(jié)構(gòu)簡化為二維軸對稱模型來進行分析。同時考慮到丁腈橡膠的可壓縮性，在模型網(wǎng)格劃分中對接觸部分的網(wǎng)格進行細化。文中O形圈密封結(jié)構(gòu)基本尺寸如表1所列，有限元模型網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 O形圈密封結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 O形圈密封結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 材料屬性

材料屬性上，活塞和筒體的材料采用常見的45#鋼，O形圈材料為丁腈橡膠(NBR)，其相關(guān)材料參數(shù)如表2所列。

表2 材料參數(shù)

丁腈橡膠作為超彈性體材料，在其材料特性上國內(nèi)外學者提出了多種描述橡膠材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)變能函數(shù)形式。文中選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠超彈性材料在大變形下的力學特性[8]。Mooney-Rivlin模型的2參數(shù)彈性應(yīng)變能函數(shù)表達式為：

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度；C10、C01為材料Mooney-Rivlin系數(shù)；I1、I2為第一、第二應(yīng)變張量不變量。因此應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系即為：

(2)

將Mooney-Rivlin模型的兩個參數(shù)值C10、C01分別設(shè)為1.87和0.47，將其導入Ansys進行繪制，即可得到NBR應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 NBR應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.4 邊界條件

如圖4所示，在施加油壓邊界條件后，O形圈與活塞和筒體均有接觸。因此文中以筒體和活塞面為目標面，O形圈面為接觸面，建立了兩對接觸，同時考慮安裝O形圈時的預壓縮現(xiàn)象。在分析時，對應(yīng)用于靜密封的O形圈密封結(jié)構(gòu)，文中將約束及載荷的施加分為兩個載荷步，Step1在垂直筒體壁面的方向施加1個位移來模擬O形圈的初始壓縮量，Step2在O形圈左側(cè)通過Ansys中的APDL模塊施加工作過程中的油壓；對于有往復運動的動密封則在Step1上增加平行筒體壁面方向的往復位移。

圖4 工作油壓28 MPa時的邊界條件

2 結(jié)果分析

2.1 靜密封結(jié)果分析

通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈靜密封進行分析，得到了如圖5所示的O形圈靜密封的最大變形、接觸應(yīng)力及Von-mises應(yīng)力云圖。從圖5(a)不難看出，在高油壓工況下，兩種壓縮率的O形圈都出現(xiàn)了較大的變形，其中5%壓縮率的O形圈的變形比20%壓縮率的O形圈的變形小了10%左右；并且在5%壓縮率時，O形圈在垂直油壓方向和低壓側(cè)變形較大，最大變形量達到了0.91 mm，發(fā)生了擠隙現(xiàn)象。當壓縮率為20%時，最大變形量為0.82 mm，主要發(fā)生在低壓側(cè)內(nèi)壁處。得益于較高的壓縮率，此時并未出現(xiàn)擠隙現(xiàn)象。

圖5 O形圈靜密封最大變形、接觸應(yīng)力及Von-mises應(yīng)力云圖

由O形圈密封原理可知，要實現(xiàn)密封功能，其接觸處的應(yīng)力須高于所受的介質(zhì)壓力。接觸應(yīng)力是衡量O形圈密封性能的一個重要指標，圖5(b)、(c)給出了O形圈靜密封的接觸應(yīng)力及Von-mises應(yīng)力云圖。從圖中不難看出，在不同壓縮率下接觸應(yīng)力的分布情況類似，最大接觸應(yīng)力位置均出現(xiàn)在密封圈和溝槽壁面接觸處。當壓縮率為20%時，密封結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力最大為65.5 MPa，比5%壓縮率下的最大接觸應(yīng)力低了4%左右。而在Von-mises應(yīng)力分布上，5%壓縮率下由于O形圈擠隙現(xiàn)象較嚴重，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大Von-mises應(yīng)力(45.7 MPa)在O形圈與溝槽壁面轉(zhuǎn)角接觸處。

2.2 動密封結(jié)果分析

同樣，通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈動密封進行分析，得到了如圖6所示的O形圈動密封的最大變形、接觸應(yīng)力及Von-mises應(yīng)力云圖。從圖6(a)可以看出，在O形圈動密封情況下，隨著壓縮率的減小，最大變形同樣逐漸增大；并且在8%壓縮率時O形圈最大變形量達到0.84 mm，同時發(fā)生了擠隙現(xiàn)象。

圖6 O形圈動密封最大變形、接觸應(yīng)力及Von-mises應(yīng)力云圖

從圖6(b)和6(c)同樣可以看出，O形圈動密封和靜密封一樣，在較低壓縮率時出現(xiàn)了擠隙和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在8%壓縮率下，O形圈動密封在擠隙現(xiàn)象發(fā)生處也產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大Von-mises應(yīng)力達到了38 MPa，并且此壓縮率下的O形圈具有較高的最大接觸應(yīng)力(45.9 MPa)。

3 典型參數(shù)對密封性能的影響

3.1 工作油壓的影響

為了進一步探究工作油壓對O形圈密封的影響，文中針對不同壓縮率下的相同尺寸O形圈靜密封施加了從0～28 MPa的油液壓力，得到了如圖7所示的油壓-最大接觸應(yīng)力變化曲線。由圖可以看出，在10 MPa油壓以下，最大接觸應(yīng)力均隨O形圈工作油壓的增加而線性升高；而當工作油壓高于10 MPa后，壓縮率對O形圈靜密封的接觸應(yīng)力起到顯著的影響，表現(xiàn)為較低壓縮率的O形圈靜密封的接觸應(yīng)力會較大。

圖7 最大接觸應(yīng)力隨油壓的變化曲線

3.2 直徑的影響

除了工作油壓外，O形密封圈直徑對密封性能也具有一定影響。圖8為工作油壓為28 MPa、安裝間隙0.1 mm條件下不同直徑O形圈在20%壓縮率時的動/靜密封分析結(jié)果。由圖可見，隨著O形圈直徑的增大， 最大Von-mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力均在減小，即：在高壓工況下，當壓縮率相同時，O形圈的直徑越大，最大接觸應(yīng)力和Von-mises應(yīng)力越小，兩者和直徑大小呈負相關(guān)。

圖8 直徑-最大Von-mises應(yīng)力、直徑-最大接觸應(yīng)力變化圖

4 結(jié) 論

針對高壓工況下O型密封圈的泄露條件需求，文中重點對影響作動筒中O型圈密封性能的典型因素進行了分析，得出以下結(jié)論。

(1) 通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈動/靜密封的有限元分析發(fā)現(xiàn)，在高壓工況下，較高的O形圈壓縮率能預防擠隙現(xiàn)象，避免應(yīng)力集中。

(2) O形圈靜密封研究表明，工作油壓對密封圈最大接觸應(yīng)力的影響近似呈線性變化；并且在較高油壓下，壓縮率越高的O形圈密封的最大接觸應(yīng)力越小。

(3) 在高壓工況下，當壓縮率相同時，無論是動密封還是靜密封，O形圈的直徑越大，最大接觸應(yīng)力和Von-mises應(yīng)力均越小，兩者和直徑大小呈負相關(guān)。

此次研究分析了介質(zhì)工作壓力、徑向間隙以及密封圈直徑對O型圈密封效果的影響，為O形圈密封在飛行器作動筒液壓系統(tǒng)的應(yīng)用提供了依據(jù)參考，對于作動筒用O型圈的選用具有重要意義。