馬云祥, 王振耀, 劉 頓, 吳德發(fā), 劉銀水

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心, 江蘇 無(wú)錫 214082)

引言

深海占全球海洋面積的90%以上,蘊(yùn)含著豐富的能源資源、礦產(chǎn)資源和生物資源,對(duì)實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。我國(guó)在“十四五”規(guī)劃中明確指出要加快實(shí)施深海探測(cè)戰(zhàn)略,推動(dòng)海洋工程裝備發(fā)展,建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)[2]。深海技術(shù)裝備是維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益和保障海洋資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵支撐,已經(jīng)成為國(guó)際地位和影響力的重要象征。

往復(fù)密封是工業(yè)關(guān)鍵技術(shù),能有效避免流體介質(zhì)或固體顆粒從密封運(yùn)動(dòng)偶合面間泄漏,被廣泛應(yīng)用于潛水器、浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、深海采樣器、水下機(jī)械手等深海裝備[3-4]。往復(fù)密封失效會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)作業(yè)故障,甚至可能發(fā)生壓載水艙海水倒灌,造成潛水器深海失事。深海作業(yè)時(shí),往復(fù)密封受到海深壓力和系統(tǒng)內(nèi)壓的共同作用,存在單邊或雙邊受壓的密封工況,以及單邊、雙邊受壓相互轉(zhuǎn)換的情況。此外,深海超高壓環(huán)境對(duì)往復(fù)密封的可靠性和密封性能帶來(lái)更嚴(yán)峻地挑戰(zhàn),極端海深壓差近120 MPa。

目前,國(guó)內(nèi)外已有諸多學(xué)者開(kāi)展各類密封圈的密封性能研究,包括O形密封圈[5-7]、異形密封圈[8-10]、組合密封圈[11-12]等,但密封壓力等級(jí)較低,且很少有考慮密封圈雙邊受壓工況。劉鵬等[13]研究了不同硬度的O形密封圈在60 MPa靜水壓力作用下的密封性能,得到邵氏硬度90 HA的密封圈,在設(shè)計(jì)密封安全裕度值約10 MPa時(shí),能滿足6 km深海環(huán)境下的安全密封。但并未給出不同海深時(shí)密封安全裕度的設(shè)計(jì)要求,不能滿足全海深作業(yè)范圍時(shí)密封設(shè)計(jì)的需要。

往復(fù)密封工作時(shí),密封圈與配合金屬表面間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),相比靜密封更易發(fā)生摩擦磨損、疲勞斷裂、擠出破壞等密封失效,而深海超高壓作業(yè)環(huán)境對(duì)往復(fù)密封的靜密封性能提出了更高的要求。

因此,本研究以全海深海水液壓可調(diào)壓載裝置往復(fù)密封為研究對(duì)象,考慮深海作業(yè)工況和全海深密封壓力,探究可能發(fā)生密封失效的危險(xiǎn)區(qū)域,提出往復(fù)密封靜態(tài)特性評(píng)價(jià)指標(biāo),采用平均裕度值對(duì)密封可靠性定性評(píng)估,通過(guò)試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)平均裕度值和密封壓縮量取值下限,經(jīng)萬(wàn)米海試驗(yàn)證密封可靠。

1 有限元計(jì)算模型及方法

1.1 往復(fù)密封幾何模型

根據(jù)實(shí)際用途的差異,往復(fù)液壓密封被分為活塞密封和活塞桿密封,本研究以往復(fù)活塞桿密封為例介紹,主要針對(duì)其在深海單邊和雙邊受壓工況時(shí)的靜密封性能進(jìn)行研究。

為了方便計(jì)算,通常將三維模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型,如圖1所示為建立的往復(fù)密封平面幾何模型,由活塞桿、組合式密封圈和溝槽構(gòu)成基本的往復(fù)密封結(jié)構(gòu)。在實(shí)際深海應(yīng)用時(shí),密封圈受到系統(tǒng)工作壓力和海深壓力的共同作用,因此將密封圈僅單側(cè)受壓和兩側(cè)同時(shí)受壓的密封狀態(tài)分別定義為單邊和雙邊受壓工況。

圖1 往復(fù)密封幾何模型Fig.1 Geometric model of reciprocating seal

1.2 超彈性橡膠的材料模型

組合式密封圈由抗磨密封的矩形圈和補(bǔ)償施力的D形圈組成,兩者分別為聚氨酯和丁腈橡膠材料。為了描述超彈性橡膠材料的物理特性,有眾多相關(guān)的本構(gòu)模型曾被提出,如Mooney-Rivlin、Klosne-Segal、Ogden-Tschoegl等模型[14]。其中,兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型能夠在150%的橡膠材料應(yīng)變范圍內(nèi)得到較為合理的近似,從而被廣泛應(yīng)用,其應(yīng)變能形式如式(1)所示[15]:

(1)

式中,W為應(yīng)變能函數(shù);I1,I2為第一、第二應(yīng)變張量;C10,C01為表征材料偏斜變形的Rivlin系數(shù);d為不可壓縮參數(shù)。根據(jù)邵氏A硬度(Shore A hardness,HSA)與材料彈性模型E之間的關(guān)系,可求得橡膠材料的Rivlin系數(shù)[16]:

(2)

(3)

材料的不可壓縮常數(shù)d通過(guò)式(4)計(jì)算,對(duì)于該近似不可壓縮材料,泊松比ν可取0.499:

(4)

通過(guò)邵氏硬度計(jì)測(cè)得橡膠材料硬度,根據(jù)式(2)～式(4)求得有限元計(jì)算所需基本參數(shù),如表1所示。

表1 組合式密封圈的基本材料參數(shù)Tab.1 Basic material parameters of combined seal

1.3 有限元模型及邊界條件

如圖2所示為建立的二維軸對(duì)稱有限元模型,采用四邊形單元網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)31057,對(duì)比節(jié)點(diǎn)數(shù)79146的加密網(wǎng)格,最大接觸應(yīng)力相對(duì)誤差不超過(guò)0.2%。

圖2 有限元仿真模型Fig.2 Finite element analysis model

整體網(wǎng)格為PLANE 182單元,共設(shè)置四組接觸對(duì),分別為矩形圈與活塞桿、矩形圈與D形圈、矩形圈與溝槽、D形圈與溝槽,除矩形圈與D形圈間為對(duì)稱接觸,其余均為非對(duì)稱接觸。

固定位移約束溝槽外邊緣,強(qiáng)制活塞桿向上移動(dòng)完成密封圈的預(yù)壓縮過(guò)程。根據(jù)密封受壓工況選擇流體滲透壓力起始點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的接觸單元,依次迭代完成各接觸對(duì)流體滲透壓力的施加,達(dá)到模擬海深壓力的效果。

2 靜密封性能評(píng)價(jià)方法

深海往復(fù)密封的靜態(tài)特性與海深壓力、結(jié)構(gòu)參數(shù)、密封形式等多種因素有關(guān),其靜密封性能和可靠性難以僅通過(guò)某方面特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此,采用有限元分析后處理結(jié)果中的等效應(yīng)力、應(yīng)變、最大主應(yīng)力、剪切應(yīng)力、接觸應(yīng)力等多種指標(biāo)對(duì)往復(fù)密封的靜密封性能進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)提出綜合性指標(biāo)平均裕度值評(píng)估密封可靠性:

(1) 內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變,包括等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、剪切應(yīng)力等,探究密封失效的危險(xiǎn)區(qū)域;

(2) 接觸應(yīng)力與長(zhǎng)度,密封偶合面接觸產(chǎn)生的應(yīng)力和密封長(zhǎng)度,評(píng)估密封接觸狀態(tài);

(3) 平均裕度值K,與密封區(qū)域內(nèi)接觸應(yīng)力σc、接觸長(zhǎng)度l以及密封壓力p相關(guān),可由式(5)表示:

(5)

式中,a和b分別表示密封接觸區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo);pl和pr為密封圈兩側(cè)的流體壓力。將接觸應(yīng)力在密封區(qū)域內(nèi)的積分與接觸長(zhǎng)度之比定義為平均接觸應(yīng)力,平均裕度值則表示平均接觸應(yīng)力相對(duì)密封壓力的安全冗余量。當(dāng)密封圈橡膠材料不發(fā)生破壞失效時(shí),在一定程度上可認(rèn)為平均裕度值越大,密封可靠性越高。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分析

初始載荷步時(shí),活塞桿向上移動(dòng)擠壓密封圈完成預(yù)壓縮,此時(shí)密封圈的等效應(yīng)力分布如圖3a所示,最大等效應(yīng)力主要分布在矩形圈與活塞桿接觸的區(qū)域,矩形圈內(nèi)部等效應(yīng)力值逐漸向內(nèi)遞減。由于D形圈硬度遠(yuǎn)小于矩形圈,故其等效應(yīng)力處于較低區(qū)間范圍。矩形圈與活塞桿接觸的角點(diǎn)位置存在應(yīng)力集中,是發(fā)生擠壓失效的危險(xiǎn)區(qū)域。密封圈預(yù)壓縮過(guò)程中,與活塞桿的摩擦作用使得中間部位產(chǎn)生拉伸,也處于最大等效應(yīng)力區(qū)域。

圖3 單邊受壓工況時(shí)密封圈內(nèi)部等效應(yīng)力分布云圖Fig.3 Von Mises stress distribution of seal under single sealing condition

隨著海深壓力的增加,最大等效應(yīng)力區(qū)域逐漸向矩形圈的左上方轉(zhuǎn)移,形成了應(yīng)力峰值,高壓時(shí)該現(xiàn)象尤為顯著,如圖3所示?；钊麠U與溝槽之間間隙的存在,使得密封圈在海深壓力的作用下逐漸向間隙內(nèi)填充,造成了等效應(yīng)力峰值和橡膠材料的擠入。在海深壓力120 MPa時(shí),密封圈被擠入間隙部分的應(yīng)力分布情況,如圖4所示。被擠入間隙的材料受到明顯拉伸,而其邊緣存在更為嚴(yán)重的壓縮,最大壓應(yīng)力超過(guò)140 MPa。此外,過(guò)高的剪切應(yīng)力將造成密封圈剪切斷裂,該區(qū)域是可能發(fā)生密封圈橡膠材料失效的最危險(xiǎn)區(qū)域。

圖4 密封圈被擠入間隙部分的應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress distribution of seal being squeezed into gap section

雙邊密封受壓工況時(shí)的等效應(yīng)力云圖,如圖5所示,隨著海深壓力的增加,密封圈內(nèi)部等效應(yīng)力分布基本無(wú)明顯變化,最大等效應(yīng)力變化不大。由于在雙邊海深壓力作用下密封圈內(nèi)部受壓均勻,各向主應(yīng)力隨海深增加而增大,但等效應(yīng)力變化不大,無(wú)明顯材料失效危險(xiǎn)區(qū)域。

圖5 雙邊受壓工況時(shí)密封圈內(nèi)部等效應(yīng)力分布云圖Fig.5 Von Mises stress distribution of seal under bilateral sealing condition

3.2 接觸狀態(tài)分析

往復(fù)密封偶合面的接觸狀態(tài)是保障流體壓力密封的關(guān)鍵, 也是評(píng)估靜密封性能的重要指標(biāo)。進(jìn)一步分析深海單、雙邊受壓工況時(shí)的密封區(qū)域接觸狀態(tài),對(duì)研究超高壓密封失效形式和評(píng)估靜密封可靠性具有重要意義。

往復(fù)密封單邊受壓工況時(shí),不同海深壓力下的接觸應(yīng)力分布如圖6所示。密封區(qū)域內(nèi)的接觸應(yīng)力分布均呈現(xiàn)出邊緣峰值的特征,且靠近擠入間隙位置的接觸應(yīng)力峰值明顯大于另一側(cè)。此外,隨著海深壓力的增加,接觸應(yīng)力大致呈比例增加趨勢(shì),同時(shí)接觸長(zhǎng)度也不斷擴(kuò)展。因此,在密封圈橡膠材料不發(fā)生破壞的情況下,其擠入間隙現(xiàn)象對(duì)高壓密封是有利的。

如圖7所示為雙邊受壓工況時(shí),最大接觸應(yīng)力σmax和接觸長(zhǎng)度l隨海深壓力ps的變化情況。隨著海深壓力的增加,最大接觸應(yīng)力近似線性增加,接觸長(zhǎng)度略有減小,但雙邊受壓時(shí)各壓力點(diǎn)的最大接觸應(yīng)力均小于單邊受壓。仿真結(jié)果顯示接觸單元數(shù)幾乎未發(fā)生改變,密封圈與活塞桿之間產(chǎn)生了更強(qiáng)的抱緊力,以抵抗外界海深壓力的變化。

3.3 密封可靠性分析

密封可靠性的評(píng)估是一個(gè)涉及多學(xué)科且極為復(fù)雜的問(wèn)題,難以僅通過(guò)單純的仿真或數(shù)學(xué)計(jì)算量化。因此,本研究從密封接觸狀態(tài)的角度出發(fā),采用綜合性指標(biāo)平均裕度值對(duì)密封可靠性作定性分析。

單邊受壓工況時(shí),平均接觸壓力σe隨海深壓力ps增加近似呈線性增長(zhǎng),平均裕度值K呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),如圖8所示。在海深壓力40 MPa時(shí),平均裕度值達(dá)到峰值8.7 MPa,相對(duì)其他壓力點(diǎn)密封可靠性更高。海深壓力會(huì)使密封圈體積縮小,密封安全裕度下降,而密封圈材料擠入間隙有利于增強(qiáng)密封接觸,從而使得低壓時(shí)平均裕度值存在上升趨勢(shì)。

圖8 單邊受壓工況的平均裕度值隨海深壓力的變化

在雙邊受壓工況時(shí),隨著海深壓力增加,平均接觸應(yīng)力近似線性增加,而平均裕度值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),如圖9所示。雙邊受壓時(shí)平均裕度值并未出現(xiàn)單邊受壓時(shí)的峰值情況,表明海深壓力會(huì)使密封安全裕度下降,與前述分析吻合。兩種工況均在最高海深壓力120 MPa時(shí)的平均裕度值最低,表示在該壓力點(diǎn)時(shí)的密封可靠性最低,最易發(fā)生密封接觸失效。

圖9 雙邊受壓工況時(shí)平均裕度值隨海深壓力的變化Fig.9 Variation of average margin with sea pressure under bilateral sealing condition

針對(duì)兩種工況在海深壓力120 MPa時(shí),平均裕度值隨壓縮量x的變化情況作進(jìn)一步分析。如圖10所示,壓縮量增加會(huì)使密封圈的自緊性更好,平均裕度值隨之提高,密封可靠性更高。雙邊受壓工況下的平均裕度值隨壓縮量的增加速率大于單邊受壓工況,但在低壓縮量0.3 mm時(shí)單邊受壓工況的平均裕度值更高,這與單邊受壓時(shí)的橡膠材料擠入間隙和雙邊受壓時(shí)密封圈均勻壓縮有關(guān)。

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)上述研究結(jié)果,密封壓縮量直接影響到平均裕度值的大小,壓縮量越大則平均裕度值越大,密封可靠性越高。然而,設(shè)計(jì)的平均裕度值也不能過(guò)大,這會(huì)產(chǎn)生額外的往復(fù)摩擦力,影響到系統(tǒng)的作業(yè)性能和密封壽命。因此,需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步探究平均裕度值與密封可靠性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,找到平均裕度值的設(shè)計(jì)臨界值。

實(shí)際深海作業(yè)時(shí),往復(fù)密封存在單邊和雙邊受壓工況轉(zhuǎn)換的情況。試驗(yàn)中考慮該情況,并將壓縮量作為評(píng)價(jià)密封可靠性的變量,測(cè)試單邊、雙邊受壓時(shí)以及密封工況轉(zhuǎn)變后的密封狀態(tài)。

如圖11所示為超高壓密封可靠性試驗(yàn)原理圖,測(cè)試密封件被安裝在試驗(yàn)閥塊內(nèi),通過(guò)水液壓動(dòng)力源向壓力口1或壓力口2提供高壓水以模擬深海環(huán)境。試驗(yàn)時(shí)推桿不發(fā)生移動(dòng),試驗(yàn)閥塊內(nèi)各部件均處于靜止?fàn)顟B(tài),部分零件表面加工有引流槽利于壓力傳遞,海水泵出口壓力通過(guò)溢流閥調(diào)節(jié),通過(guò)高壓截止閥實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間壓力密封, 液壓萬(wàn)用表實(shí)時(shí)顯示密封壓力變化。

圖11 超高壓密封可靠性試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)溢流閥將海水泵出口壓力調(diào)至被測(cè)壓力點(diǎn),壓力穩(wěn)定后手動(dòng)關(guān)閉截止閥,并停止海水泵工作,觀察液壓萬(wàn)用表顯示的密封壓力是否下降,保持試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原狀態(tài)至指定測(cè)試時(shí)間。

密封工況轉(zhuǎn)變的試驗(yàn)流程如下:

(1) 雙邊受壓—單邊受壓:壓力口1和壓力口2同時(shí)加壓,保壓指定時(shí)間,泄壓后向壓力口1加壓測(cè)試。

(2) 單邊受壓—反向加壓:僅向壓力口1加壓,保壓指定時(shí)間,泄壓后向壓力口2加壓測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,密封圈壓縮量0.3 mm時(shí)在保壓結(jié)束后反向加壓時(shí)發(fā)生泄漏,其余壓縮量均未發(fā)生泄漏。因此,對(duì)應(yīng)密封圈的單邊受壓設(shè)計(jì)平均裕度值最低不應(yīng)小于4.38 MPa,密封圈壓縮量不應(yīng)小于0.4 mm。最終,實(shí)際往復(fù)密封圈取壓縮量0.5 mm,安裝于可調(diào)壓載裝置控制閥內(nèi)部,經(jīng)萬(wàn)米海試驗(yàn)證密封可靠,試驗(yàn)裝置如圖12所示。

表2 密封可靠性試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of seal reliability test

圖12 “奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器可調(diào)壓載裝置Fig.12 Variable ballast system of “struggle” manned submersible

5 結(jié)論

考慮深海單邊、雙邊受壓工況,研究了全海深壓力和密封壓縮量對(duì)往復(fù)密封靜態(tài)特性的影響,探究可能發(fā)生密封失效的危險(xiǎn)區(qū)域,采用綜合性指標(biāo)平均裕度值對(duì)密封可靠性定性分析,并開(kāi)展了超高壓靜密封可靠性試驗(yàn),得到的主要結(jié)論如下:

(1) 單邊受壓工況時(shí),海深壓力使密封圈橡膠材料被擠入間隙,易造成密封材料破壞失效,但形成的接觸應(yīng)力峰值和接觸長(zhǎng)度擴(kuò)展利于高壓密封;

(2) 雙邊受壓工況時(shí),密封圈內(nèi)部等效應(yīng)力隨海深壓力變化很小,無(wú)材料失效危險(xiǎn)區(qū)域,但高壓使密封接觸長(zhǎng)度和安全裕度下降,相比單邊受壓更易造成密封接觸失效;

(3) 單邊受壓時(shí),密封圈的平均裕度值隨海深壓力先增加后減小,在壓力點(diǎn)40 MPa左右達(dá)到峰值,而雙邊受壓時(shí)平均裕度值與海深壓力呈負(fù)相關(guān),兩種工況的平均裕度值均在最高海深壓力120 MPa時(shí)最低,且與密封壓縮量呈正相關(guān);

(4) 結(jié)合試驗(yàn)研究深海工況轉(zhuǎn)變時(shí)不同壓縮量對(duì)密封可靠性的影響,得到滿足全海深作業(yè)要求的單邊受壓設(shè)計(jì)平均裕度值不低于4.38 MPa,密封壓縮量不小于0.4 mm。該往復(fù)密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器可調(diào)壓載裝置,經(jīng)萬(wàn)米海試驗(yàn)證密封性能可靠。