王冰清，余三成，孟祥鎧，李 勇，李紀云

（1.浙江工業(yè)大學過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，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，密封唇間形成了潤滑容腔，適合應用于流體機械的動密封場合［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，可通過加矩形擋圈來緩和密封圈的應力集中。目前國內(nèi)外學者對往復密封系統(tǒng)用星形圈的研究主要集中在無擋圈方面，而關(guān)于帶擋圈的星形密封圈的研究較少［3～11］。雖然在工程實際應用過程中通過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，但由于缺乏對加擋圈密封結(jié)構(gòu)的密封機理等方面的準確了解，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理和密封性能，并判定其易發(fā)生失效的部位，以期為往復機器用密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導。

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為壓力側(cè)和非壓力側(cè)的分界線。規(guī)定活塞桿運動方向與星形圈受油壓方向一致的過程定義為上行過程（或外行程），反之為下行過程（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模型來描述橡膠材料的應變能函數(shù)，其二參數(shù)應變能函數(shù)式為：

式中 I1，I2——Green應變不變分量

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，目標單元類型為TARCE169。接觸算法采用加強的拉格朗日法。

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應力和平面剪切應力云圖

圖2 和圖3所示為星形圈在預壓縮率為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力的分布云圖。從圖2看出，星形圈的Von Mises應力和平面剪切應力均按截面中心線呈對稱分布；最大Von Mises應力值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，剪切力負值表示方向與xy平面規(guī)定的正方向相反，當剪切應力超過橡膠材料允許的剪切強度時，星形密封圈會發(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，保證了足夠長的密封區(qū)域。摩擦應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。星形圈的主、副密封面上的接觸摩擦應力按截面中心線基本呈對稱分布，其數(shù)值分布范圍為-2.949～3.555 MPa，最大摩擦應力發(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范圍變化時星形圈的各應力分布情況。

在預壓縮率及流體壓力作用下，靜止星形圈的最大Von Mises應力都出現(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，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應力呈線性增加的趨勢，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，其接觸面上的應力分布越均勻，從而有效緩和了星形圈的應力集中現(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力集中，降低橡膠材料的剪切破壞幾率。

圖4 各應力與流體壓力的關(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；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，對主密封面上的節(jié)點重新編號，由非壓力側(cè)1#至壓力側(cè)30#，節(jié)點16#為非壓力側(cè)和壓力側(cè)分界點。星形圈主密封面上的接觸壓力含有兩個大小接近的峰值，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，分析預壓縮率在8%～10%時密封圈的各應力分布情況。

在流體壓力恒定的情況下，星形圈的最大Von Mises應力隨預壓縮率的增大而增大，而最大剪切應力基本保持不變；最大Von Mises應力和最大剪切應力均出現(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應力值呈整體下降的趨勢。但是當壓縮率為12%時，擋圈的最大Von Mises應力值卻突然增大，原因是擋圈和星形圈接觸面上接觸應力的等效集中力作用點最接近溝槽口附近所致。當壓縮率大于10%時，擋圈的最大剪切應力基本無變化，說明最大平面剪切應力主要與流體壓力大小相關(guān)。

圖6 各應力與預壓縮率的關(guān)系曲線

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

圖7所示為幾種典型預壓縮率下星形圈主密封面接觸壓力分布曲線。

圖7 不同預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時星形密封圈各應力的變化情況如圖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應力和最大平面剪切應力均逐漸增加，而擋圈的最大Von Mises應力和最大平面剪切應力均呈逐漸下降的趨勢。這是由于當流體壓力一定時，主密封面摩擦系數(shù)的增加會阻礙因流體壓力對星形圈的壓縮而導致其變形產(chǎn)生的應力向擋圈傳遞。

圖8 各應力與摩擦系數(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，但幅度不大，說明在一定摩擦系數(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?？梢钥闯觯钊麠U與星形圈接觸區(qū)域上摩擦系數(shù)的改變并不會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)生遠離活塞桿的趨勢越明顯，并導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星形圈的Von Mises應力云圖

3.2 往復工作狀態(tài)

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

由圖10可知，當活塞桿上行時，星形密封圈的Von Mises應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；當活塞桿下行時，最大Von Mises應力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星形圈的剪切應力云圖

當活塞桿上行時，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，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；上行時最大接觸壓力為31.386 MPa大于下行時最大接觸壓力為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，在往復密封工作狀態(tài)過程中星形密封圈并不存在被擠入密封間隙的危險。

圖12 活塞桿上行和下行時星形圈的接觸壓力云圖

上行和下行時星形圈的最大滑動摩擦應力均位于主密封面上非壓力側(cè)凸圓處，上行時最大值為 -7.63 MPa，下行時最大值為 7.469 MPa，如圖13所示。星形圈主密封面上的應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)域在上行和下行過程中，滑動摩擦應力值變化幅度最大，從一定程度上反映了該區(qū)域存在磨損失效的危險。

圖13 活塞桿上行和下行時星形圈的接觸摩擦應力云圖

從上述往復運動的分析可知，在高壓條件下，加擋圈的星形密封圈的高應力區(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)部應力分布表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)的應力值明顯大于外側(cè)。結(jié)合四種典型應力分布圖可知，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，內(nèi)側(cè)凹圓處存在撕裂破壞的危險。上行過程中各應力值大小均大于下行過程，這是由橡膠材料有類似與流體的性質(zhì)決定的，上行時活塞桿運動方向與流體壓力一致，促進了密封圈材料向上的流動及其對擋圈的擠壓變形；相反，下行時減緩了密封圈材料向上的流動，減緩了密封圈或擋圈的應力集中［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應力隨著流體壓力的增大呈現(xiàn)略微下降的趨勢，但隨預壓縮率、摩擦系數(shù)的增大而增大；隨著流體壓力、預壓縮率和摩擦系數(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接觸壓力的影響最為明顯。

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

（3）通過對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)以及往復工作狀態(tài)下進行有限元模擬，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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