基于正交試驗(yàn)的深海Y形密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

張 毅 曹學(xué)鵬

(1.太原學(xué)院機(jī)電工程系 山西太原 030032；2.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院 陜西西安 710064)

液壓驅(qū)動具有功率密度大、易于壓力補(bǔ)償和遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各類深海裝備中。深海裝備的特點(diǎn)是所處的環(huán)境壓力非常大，深度每增加10 m、環(huán)境壓力就增大約一個大氣壓，深海5 000 m的環(huán)境壓力是50 MPa，約是大氣壓力的500倍。Y形橡膠密封圈是液壓往復(fù)密封的關(guān)鍵元件，在深海環(huán)境壓力下自身會發(fā)生一定的壓縮，而密封圈正是依靠橡膠被擠壓后發(fā)生彈性變形與接觸面產(chǎn)生接觸應(yīng)力來工作的，自身被壓縮會對密封性能產(chǎn)生影響。因此，分析并提高深海特殊環(huán)境下Y形圈密封性能非常必要[1-2]。

周博等人[1]通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了橡膠材料在深海高壓環(huán)境中自身的壓縮性，提出適當(dāng)增大O形圈直徑的建議。王聚財、WU、SONG等[2-4]分別分析了深海環(huán)境對O形圈密封性能的影響，并提出了改進(jìn)措施。王啟林、吳世海等[5-6]分別設(shè)計(jì)了適應(yīng)深海環(huán)境的以星形圈為主和以楔形塊為主的新型密封結(jié)構(gòu)，并通過仿真分析驗(yàn)證了密封性能。譚鋒等人[7]通過正交試驗(yàn)方案分析了多種因素對唇形密封圈開啟壓力和接觸寬度的影響，并選用了一種最適結(jié)構(gòu)。賈春強(qiáng)、杜家熙、張付英等[8-10]對Y形圈密封應(yīng)力分布進(jìn)行分析，基于正交試驗(yàn)對 Y 形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

目前關(guān)于Y形圈密封的研究主要側(cè)重于通過單一變量研究壓縮率、工作壓力、材料硬度等Y形圈外部參數(shù)對密封性能的影響[11-13]，對Y形圈在深海特殊環(huán)境中密封性能及自身多參數(shù)的優(yōu)化研究較少。本文作者借助于ANSYS軟件對深海特殊環(huán)境中往復(fù)動密封的Y形圈進(jìn)行仿真分析，通過正交試驗(yàn)的方法對Y形圈截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力兩方面評價密封性能，為深海裝備Y形圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 Y形圈密封模型

按照GB 10708.1—2000和GB/T 2879—2005，以規(guī)格50 mm×40 mm×6.3 mm的活塞桿密封溝槽用Y橡膠密封圈為例進(jìn)行分析，密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：唇部寬度S1=6.2 mm，根部寬度S2=4.4 mm，高度H=5.6 mm，密封間隙f=0.2 mm，槽底圓角半徑R=0.2 mm，唇底圓角半徑A=0.5 mm，唇底深度B=1.7 mm，唇間夾角C=45°，唇邊長度G=2.8 mm，根部倒角E=0.2 mm。

圖1 Y形圈密封結(jié)構(gòu)

仿真模型中，對Y形圈密封結(jié)構(gòu)限定如下：

(1)假設(shè)Y形圈和溝槽是都是軸對稱的，忽略安裝誤差，將Y形圈密封結(jié)構(gòu)簡化為二維模型；

(2)橡膠材料是均勻、連續(xù)的，忽略環(huán)境溫度、油液腐蝕、蠕變對橡膠的影響；

(3)缸體與密封圈是剛?cè)峤佑|，缸體和活塞不可壓縮、用線條替代[6-9]。

Y形圈選用耐油耐腐蝕的丁腈橡膠(NBR)，ANSYS中采用材料常數(shù)為C10、C01的兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型模擬橡膠非線性力學(xué)行為，材料硬度為邵氏85，C10=1.87 MPa、C01=0.47 MPa，屈服強(qiáng)度為9.24 MPa，抗剪強(qiáng)度為4.6 MPa[2，5]。

活塞桿Y形圈往復(fù)動密封中主要有內(nèi)、外2個行程，以壓縮率25%、油液壓力10 MPa作為工作載荷，分析深海5 000 m環(huán)境中，內(nèi)、外2個行程中密封應(yīng)力的變化。環(huán)境壓力施加到Y(jié)形圈的整個外圈，油液壓力施加到Y(jié)形圈唇部與油液接觸的區(qū)域，內(nèi)行程中Y形圈承受油液壓力、活塞桿順著Y形圈開口方向移動，外行程中Y形圈不承受油液壓力或者只承受很小的回油壓力、活塞桿逆著Y形圈開口方向移動，壓力載荷如圖2所示[14]。

圖2 壓力載荷

2 密封性能分析

Y形圈正常工作時不僅要產(chǎn)生足夠大接觸應(yīng)力，也要確保密封自身不發(fā)生損壞，主要從兩個方面判定它的密封性能[2，5]：

(1)Y形圈與接觸面之間的最大接觸應(yīng)力要大于油液的工作壓力；

(2)最大等效應(yīng)力要小于材料的屈服強(qiáng)度。

根據(jù)密封性能判定依據(jù)，Y形圈往復(fù)動密封過程中主要考慮接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力以及它們的最大值。文中最大接觸應(yīng)力用pjcmax表示、最大等效應(yīng)力用pdxmax表示。Y形圈內(nèi)行程中密封應(yīng)力分布如圖3所示，外行程中密封應(yīng)力分布如圖4所示。

圖3 內(nèi)行程密封應(yīng)力

圖4 外行程密封應(yīng)力

從圖3和圖4可知，工作狀態(tài)的Y形圈形狀發(fā)生明顯變化，唇邊被壓縮至與底部平齊，在油液壓力作用下Y形圈的接觸應(yīng)力與外行程相比發(fā)生明顯變化。接觸應(yīng)力沿中心線對稱分布，內(nèi)行程中pjcmax在Y形圈唇邊外側(cè)凸起的區(qū)域，Y形圈整個外側(cè)與密封槽、活塞都存在接觸應(yīng)力，pjcmax=12.5 MPa；外行程中pjcmax也在Y形圈唇邊外側(cè)凸起的區(qū)域，接觸長度較短，pjcmax=3.32 MPa，總體的接觸應(yīng)力較內(nèi)行程中的低。等效應(yīng)力沿中心線呈對稱分布，內(nèi)行程中pdxmax在Y形圈底部與活塞接觸的密封間隙處，pdxmax=6.78 MPa，Y形圈唇底圓角處的等效應(yīng)力也比較大；外行程中pdxmax在Y形圈唇底圓角處，pdxmax=3.07 MPa，總體的等效應(yīng)力較內(nèi)行程中的低。內(nèi)、外行程中的pjcmax大于油液壓力、pdxmax小于材料的屈服強(qiáng)度，Y形圈在深海環(huán)境中滿足密封要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究Y形圈的截面參數(shù)對應(yīng)力的影響及其重要程度，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[15]。各參數(shù)相互獨(dú)立，不存在交互作用。Y形圈內(nèi)行程中的工況較外行程更復(fù)雜，接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力在內(nèi)行程中均大于外行程，Y形圈在內(nèi)行程更容易破壞，因此在Y形圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化中將內(nèi)行程中的應(yīng)力作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。以唇底圓角半徑A、唇底深度B、唇間夾角C、唇邊長度G、根部倒角E等參數(shù)作為試驗(yàn)因素，各因子水平范圍結(jié)合實(shí)物測量和文獻(xiàn)[8]確定，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因子與水平

根據(jù)因素和水平數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)5因素5水平的正交試驗(yàn)方案，選用正交表L25(56)，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2 極差分析

工程實(shí)際中通常采用極差來分析正交試驗(yàn)的結(jié)果，極差用R表示，是某因子不同水平試驗(yàn)結(jié)果均值的最大值與最小值的差值；Ki表示i水平的試驗(yàn)結(jié)果的均值。根據(jù)各因子極差的大小可以判斷該因子的重要程度，極差越大，該因子越重要[16]。

3.2.1 最大接觸應(yīng)力分析

pjcmax極差分析如表3所示，各因子對pjcmax影響的重要程度依次為E(0.78)>C(0.56)>B(0.46)>G(0.44)>A(0.40)。pjcmax越大，它與工作壓力差值越大，密封越可靠，因此pjcmax越大越好，優(yōu)化結(jié)果為E5C5B4G3A1/A3。

表3 最大接觸應(yīng)力極差分析

3.2.2 最大等效應(yīng)力分析

pdxmax極差分析如表4所示，各因子對pdxmax影響的重要程度依次為E(0.86)>A(0.64)>B(0.61)>C(0.48)>G(0.45)。pdxmax越大，橡膠越容易屈服，密封效果越差，因此pdxmax越小越好，優(yōu)化結(jié)果為E2A5B2C3G4。

表4 最大等效應(yīng)力極差分析

3.3 綜合優(yōu)化分析

3.3.1 影響因子分析

通過極差分析可知不同目標(biāo)下的優(yōu)化組合不同，為了更準(zhǔn)確分析不同因子對密封應(yīng)力的影響程度，進(jìn)一步分析不同目標(biāo)下極差占比(極差占總極差的百分?jǐn)?shù))，接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力同等重要，通過極差占比平均值的大小確定各因子的重要程度，極差占比如表5所示，各因子對密封性能影響的重要程度依次為E>B/C>A>G，Y形圈截面5個參數(shù)中，根部倒角對密封影響最大，唇底深度、唇間夾角、唇底圓角半徑次之，唇間夾角影響最小。

表5 極差占比

3.3.2 水平分析

不同水平下各因子對密封應(yīng)力的影響如圖5所示。

圖5 各因子不同水平下的密封應(yīng)力

對于因子E，結(jié)合圖5(a)，水平2和5的pdxmax較小，水平5具備pdxmax較小的條件下pjcmax較大的特點(diǎn)，優(yōu)選結(jié)果為E5。對于因子B，主要考慮2、4兩個水平，結(jié)合圖5(b)，水平4相較水平2的pjcmax增大0.95%，pdxmax增大3.60%，綜合來看水平2更優(yōu)，優(yōu)選結(jié)果為B2。對于因子C，主要考慮3、5兩個水平，結(jié)合圖5(c)，水平5相較水平3的pjcmax增大3.7%，pdxmax增大6.8%，優(yōu)選結(jié)果為C3。對于因子A，結(jié)合圖5(d)，主要考慮3、5兩個水平，水平5相較水平3的pjcmax降低2.2%，pdxmax降低10.1%，綜合來看水平5更優(yōu)，優(yōu)選結(jié)果為A5。對于因子G，主要考慮2、4兩個水平，結(jié)合圖5(e)，pjcmax相同的情況下水平4的pdxmax小，綜合來看水平4更優(yōu)，優(yōu)選結(jié)果為G4。

綜上，最優(yōu)組合為E5B2C3A5G4，根部倒角E=0.3 mm、唇底深度B=1.6 mm、唇間夾角C=45°、唇底圓角半徑A=0.60 mm、唇邊長度G=2.90 mm。優(yōu)化后Y形圈內(nèi)行程的pjcmax=13.0 MPa，pdxmax=5.39 MPa。與正交試驗(yàn)中的25組數(shù)據(jù)相比，雖然優(yōu)化后的pjcmax雖不是最大，但也屬于較大值，優(yōu)化后的pjcmax大于正交試驗(yàn)均值(12.5 MPa)、pdxmax小于正交試驗(yàn)均值(6.09 MPa)。第14組試驗(yàn)結(jié)果比優(yōu)化后的pjcmax提高5.38%，但pdxmax也增大了10.58%，提高pjcmax的同時pdxmax也大幅提高，不可取。綜合對比優(yōu)化后的性能優(yōu)于正交試驗(yàn)的結(jié)果，與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的pjcmax提高3.99%，pdxmax降低20.50%，提高了Y形圈密封的可靠性。

優(yōu)化前后Y形圈密封應(yīng)力隨深度的變化如圖6所示?？芍?，從海面到深海5 km的過程中，pjcmax和pdxmax都略有增大，增幅小于5%；環(huán)境壓力對最大密封應(yīng)力是有益的，對最大等效應(yīng)力的影響也很小，優(yōu)化后的pjcmax都比原結(jié)構(gòu)的大，pdxmax都比原結(jié)構(gòu)的小，能夠確保Y形圈在深海密封的性能。

圖6 密封應(yīng)力隨海水深度變化

4 結(jié)論

以壓縮率25%、油液壓力10 MPa、丁腈橡膠硬度85的活塞桿用Y形圈為例，討論了深海5 km范圍內(nèi)環(huán)境壓力變化對Y形密封圈最大接觸壓力、最大等效應(yīng)力的影響。主要結(jié)論如下：

(1)通過正交試驗(yàn)表明，Y形圈截面5個主要參數(shù)中，根部倒角對Y形圈的最大接觸應(yīng)力影響最大，唇間夾角的影響最小，其余3個參數(shù)對最大接觸應(yīng)力影響較小且差異不大；根部倒角對Y形圈的最大等效應(yīng)力影響最大，唇底圓角半徑和唇底深度次之，唇間夾角和唇邊長度影響較小。通過極差占比綜合分析，根部倒角對密封影響最大，唇底深度和唇間夾角影響次之，唇底圓角半徑的影響再次之，唇間夾角對密封影響最小。

(2)通過各參數(shù)對密封應(yīng)力影響趨勢的分析，得到了Y形圈的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)：根部倒角E=0.3 mm，唇底深度B=1.6 mm，唇間夾角C=45°，唇底圓角半徑A=0.6 mm，唇邊長度G=2.9 mm，優(yōu)化后的最大接觸應(yīng)力提高3.99%，最大等效應(yīng)力降低20.50%，提高了密封性能及密封圈的可靠性。

(3)優(yōu)化后Y形圈從海面到深海5 km的過程中，最大接觸應(yīng)力和最大等效應(yīng)力都略有增大，但增幅小于5%，最大接觸應(yīng)力和最大等效應(yīng)力優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，能夠確保在深海環(huán)境中的密封性能。