格萊圈密封性能非線性有限元分析

王成剛，肖 健，劉 慧，劉 俊，高 興，蓋超會

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430205；2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械制造工程系，湖北 武漢430205)

0 引 言

近年來，隨著尖端科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)炔块T機(jī)械化、自動化水平的不斷提高，對密封件的性能和質(zhì)量要求也就愈來愈高[1].本文所研究的對象是缸閥一體化氣缸，此氣缸是清潔煤氣化裝置機(jī)械振打除灰系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，由于工況的復(fù)雜性，現(xiàn)有的沖擊氣缸使用壽命短，可靠性差等已越來越不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求.缸閥一體化氣缸的重要部件是密封件.所以衡量氣缸正常工作的重要指標(biāo)，就是密封件的使用年限以及其工作的可靠性.

Glyd(格萊圈)密封圈包括方型圈以及O型圈兩個部分，通常方型圈材料為含金屬粒子的聚四氟乙烯，具有耐磨、耐熱等.在運(yùn)動過程中，方型圈與運(yùn)動的部分相接觸.安裝時，方型圈與O型圈通過徑向組合安裝在同一個密封溝槽中，通過在O型圈上施加一定的壓縮量，使O型圈產(chǎn)生較大的變形而回彈，從而達(dá)到使氣體無法從O型圈和方型圈之間以及O型圈與溝槽之間流通的目的，同時通過O型圈的回彈力傳遞到方型圈與缸壁之間的接觸表面，從而防止了氣體從方型圈與缸壁接觸表面流通.隨著氣體壓力增加，氣壓把方型圈以及O型圈推向溝槽的一側(cè)，使得方型圈和O型圈與密封溝槽壁面產(chǎn)生緊密的接觸，O型圈因此發(fā)生大變形，并進(jìn)一步擠壓方型圈，使方型圈與缸壁接觸面之間的接觸壓力進(jìn)一步增加.隨著氣壓的增加，接觸壓力同時增加.

Glyd密封圈中不僅利用了O型圈自緊式密封的特性，更利用了方型圈與缸壁表面接觸低摩擦的特點(diǎn)，使得Glyd密封圈具有許多優(yōu)勢，聚四氟乙烯與金屬的摩擦系數(shù)是所有固體中最低，靜摩擦和動摩擦幾乎完全相等，因此其摩擦磨損小，使用壽命長[2].此種密封形式相對于普遍的O型圈最大的優(yōu)勢在于增加了耐磨的方形圈，而且也兼顧了O型圈的回彈性.目前國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者對密封元件的有限元研究一般都集中在最簡單的密封件(橡膠O形圈)，對組合密封結(jié)構(gòu)的研究極少.故這對以后的密封的分析具有很大意義.

1 Glyd密封圈彈性體的本構(gòu)模型

1.1 彈性體的物理非線性

對于橡膠超彈性體不可壓縮的特性[3-4].為了得到它一般性質(zhì)精確的表達(dá)式，應(yīng)借助唯象處理方法，這在國內(nèi)外有許多描述方法，而最常見的就是應(yīng)變能函數(shù).應(yīng)變能函數(shù)可表示為：

式中：Sij為Piola-kirchhoff應(yīng)力；W為應(yīng)變能函數(shù)；Eij為Green應(yīng)變張量.

本文采用基于應(yīng)變不變量表示應(yīng)變能密度函數(shù)的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型用于分析超彈性材料[5-8].其應(yīng)變能密度函數(shù)模型如下：

式中：Cij為Mooney模型常數(shù)，由材料實驗所確定；對于不可壓縮材料J=1.

其簡化后的應(yīng)變能函數(shù)，常見的有二參數(shù)、三參數(shù)、五參數(shù)以及九參Mooney-Rivlin模型，但本文采用二參數(shù)數(shù)Mooney-Rivlin模型描述，其函數(shù)描述如下：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

式中：W為應(yīng)變能密度，J/m3；C10、C01為材料的Mooney-Rivlin系數(shù)；I1、I2為第一第二張量不變量,J/m3.

本文采用此簡化的應(yīng)變函數(shù)模型，穆尼常數(shù)分別取為C10=1.87和C01=0.47[9].

1.2 彈性體的幾何非線性

Glyd密封圈是由O型圈和方型圈組合而成.O型圈是一種超彈性體，在實際工作過程中，O型圈被擠壓后產(chǎn)生回彈力，經(jīng)由方型圈將壓力傳遞給密封接觸面，Glyd密封圈因此而達(dá)到密封目的.橡膠材料的分析已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了線性理論的范疇.

2 Glyd密封圈有限元分析

2.1 Glyd密封圈有限元模型建立

由于該整體結(jié)構(gòu)具有對稱性，故只取一個截面來作分析對象，以便簡化且真實地反應(yīng)實際幾何結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)，圖1為簡化的Glyd密封圈實體模型.丁腈橡膠O形圈和聚四氟乙烯滑環(huán)采用二維實體單元PLANE182；不銹鋼缸筒、密封槽采用4節(jié)點(diǎn)二維實體單元PLANE42，圖2為Glyd密封圈有限元模型.

圖1 Glyd密封圈實體模型Fig.1 Solid model of Glyd Seal

圖2 Glyd密封圈有限元模型Fig.2 Finite element of Glyd Seal

各種材料的性能參數(shù)如表1所示.

表1 各種材料參數(shù)表Table 1 Material parameter

2.2 Glyd密封圈接觸分析

Glyd密封圈分析的邊界條件非常復(fù)雜，其中包含了接觸計算，此為彈性體的邊界非線性.而接觸問題是一種高度的非線性行為，由于在整個分析中，接觸狀態(tài)在改變，故對整個的分析造成很大的困難.

方型圈與O型圈的接觸問題是非線性行為.對于它們之間的接觸問題必須滿足無穿透約束條件.因此必須建立一種關(guān)系防止接觸表面相互穿過.在當(dāng)今力學(xué)理論、計算數(shù)學(xué)以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上，各國學(xué)者提出了很多關(guān)于接觸問題的有限元算法，其中最具有代表性的有拉格朗日乘子法、罰單元法以及直接約束法[10-11].

本文在運(yùn)用ANSYS軟件分析接觸問題時，則采用罰單元法進(jìn)行描述.從變分角度看，罰單元法可以用下式表示.

π=W+We+Q

式中：π為結(jié)構(gòu)總勢能；W為應(yīng)變勢能；We為外力勢能；Q為接觸力勢能.

接觸面不被穿透的問題可以采用以上表達(dá)式解決.建立的接觸單元如圖3所示，模型中含有多個接觸對，接觸類型為“面面接觸”，其中接觸單元和目標(biāo)單元分別為CONTA172和TARGET169.

圖3 接觸單元示意圖Fig.3 Schematic diagram of the contact unit

3 計算結(jié)果及分析

Glyd密封圈主要是依靠O型圈受擠壓后變形產(chǎn)生的回彈力，擠壓方型圈與不銹鋼缸套相接觸，形成較大的接觸壓力，從而達(dá)到密封流體的效果，采用Glyd密封圈主要是為了防止流體壓力過大導(dǎo)致將O型圈擠入間隙之中從而將O型圈破壞，如此將達(dá)不到密封的效果，故加入方型圈能有效的防止此類情況發(fā)生.

3.1 “安裝”狀態(tài)下的模型約束

在實際情況中，Glyd密封圈安裝在活塞桿密封槽中，再由缸套加上一定的配合擠壓方型圈進(jìn)而使O型圈產(chǎn)生變形，從而達(dá)到密封的效果.因此在ANSYS分析中，可以簡化為，給定密封槽全約束，給定缸套一定的Y向位移，使Glyd密封圈達(dá)到“安裝”的狀態(tài)，之后再給定一定的氣體壓力，模擬在實際情況中，密封結(jié)構(gòu)的實際變化.

圖4(a)～(d)就是Glyd密封圈在壓縮率分別為8%、10%、12%、14%時所受到的位移分布圖.

圖4 “安裝”狀態(tài)下的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of installation condition

3.2 密封面間最大接觸壓力

密封面的最大接觸壓力是衡量密封結(jié)構(gòu)的密封性能的重要指標(biāo)，只有接觸壓力大于流體壓力時，密封件才能有效的防止密封介質(zhì)泄露.

3.2.1 氣壓對接觸壓力的影響 圖5為在相同壓縮率，不同流體壓力的情況下，Glyd密封圈的接觸壓力及變形云圖.這里僅僅引用了在實際壓縮率(8%)的情況下的接觸壓力及變形云圖.

圖5 8%壓縮率條件下接觸壓力及變形云圖Fig.5 Contact pressure and deformation nephogram under the conditions of 8% compression ratio

從圖5中可以看出，方型圈與缸套之間的接觸壓力和方型圈與O型圈的接觸壓力都明顯高于氣體的壓力，且驗證了在通入氣體之后，方型圈和O型圈沒有擠入間隙之中，從而很好的保護(hù)了Glyd密封圈，故在實際工況中，Glyd密封圈能達(dá)到良好的密封效果.從以上的圖中可以比較得出最大的接觸壓力與流體壓力之間的關(guān)系圖，如圖6所示.

從圖6中可以看出，在不同壓縮率的情況下，密封面的最大接觸壓力隨著氣壓的增加而增加，且與流體的壓力成正比，從而驗證了彈性體在密封的結(jié)構(gòu)中起到的自緊作用.當(dāng)通入不同氣壓的時候，密封面的最大接觸壓力始終大于通入氣壓，故此密封件能滿足密封的要求.

3.2.2 壓縮率對接觸壓力的影響 圖7為在相同壓力，不同壓縮率的情況下，Glyd密封圈的接觸壓力及變形云圖.這里僅僅引用了在實際工作壓力(0.4 MPa)的情況下的接觸壓力及變形云圖.

圖6 最大接觸壓力與氣體壓力關(guān)系圖Fig.6 Diagram of the maximum contact pressure and gas pressure

圖7 0.4 MPa工作壓力下接觸壓力及變形云圖Fig.7 Contact pressure and deformation nephogram under 0.4MPa working pressure

從圖7可以看出接觸壓力隨著壓縮率的增加而增加，因此壓縮率可以選擇的盡量大一些；但是壓縮率也不宜過大，當(dāng)壓縮率過大時，將會增加接觸面的接觸壓力，從而使得接觸面的摩擦阻力變大，產(chǎn)生摩擦熱，這樣會使得方型圈發(fā)熱老化，進(jìn)而失效.因此應(yīng)控制好安裝時的壓縮率[12].

從圖7中可以比較得出最大的接觸壓力與壓縮率之間的關(guān)系圖，其關(guān)系圖如8所示.

圖8 最大接觸壓力與壓縮率關(guān)系圖Fig.8 Diagram of the maximum contact pressure and compression ratio

從圖8可以看出，在不同壓縮率的情況下，隨著壓縮率的不斷增加，密封結(jié)構(gòu)處的最大接觸壓力也在增加，而且與壓縮率成正比，從而驗證了彈性體在密封結(jié)構(gòu)中起到的自緊作用.在對比不同壓縮率情況下密封面的最大接觸壓力時，發(fā)現(xiàn)其壓力始終大于氣體的壓力，故此密封件能滿足密封的要求.

4 結(jié) 語

(1)在預(yù)緊壓縮率的情況下，最容易出現(xiàn)失效的地方為Glyd密封圈的方型圈與缸套接觸的地方，此處的接觸壓力最大.而此方型圈的材料是耐磨材質(zhì)，能很好的提高其使用壽命.

(2)施加氣壓后，在一定的壓縮率的情況下，Glyd密封圈向氣壓低的一方擠壓，方型圈與密封槽接觸的地方接觸壓力很小，此接觸力大于氣體壓力.能保證不泄漏，且組合圈也不會被被擠壓到間隙中，這樣避免了溝槽對O型圈的剪切，很好的提高了密封的性能.

(3)Glyd密封圈密封面的最大接觸壓力隨著氣壓和壓縮率的增加而增加.在氣壓一定時，適當(dāng)?shù)脑黾訅嚎s率能提高密封圈的密封性能；但同時必須得保證密封圈的良好性能.故密封圈的壓縮率須控制在一定的范圍之內(nèi).

致 謝

感謝國家自然科學(xué)基金委員會、武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金對本研究工作的支持和資助，同時感謝周寧波對本文在理論上做出的提示.

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