開口缸氣動(dòng)彈射裝置密封性能仿真分析與試驗(yàn)研究

王 恒，任 杰

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

無桿式開口缸彈射裝置是一類特殊用途的氣動(dòng)作動(dòng)器，由開口缸、傳動(dòng)活塞、密封組件等部件組成，具有安裝空間小、速度高、全行程作動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。典型的軍事應(yīng)用是美國的C-13-1和C-13-2型號蒸汽彈射器，其采用了一組對稱布置的無桿式開口缸，以壓縮蒸汽為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了艦載機(jī)的高速重載彈射。本文中無桿式開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置的結(jié)構(gòu)如圖所示，其具有內(nèi)彈道穩(wěn)定可控、發(fā)射成本低、無污染、發(fā)射后無需清潔等優(yōu)點(diǎn)，能較好的解決當(dāng)前導(dǎo)彈武器冷發(fā)射方式存在的問題，是創(chuàng)新的發(fā)射原理。

開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置實(shí)現(xiàn)高速彈射的其中一個(gè)難點(diǎn)在于彈射過程中活塞的高速動(dòng)密封性能，是制約彈射實(shí)現(xiàn)和性能提升的關(guān)鍵，因此開展開口缸氣動(dòng)彈射裝置活塞密封性能研究具有重要的意義。迪力夏提·艾海提等[1-3]通過有限元分析和臺(tái)架試驗(yàn)對氣動(dòng)往復(fù)Y型密封圈在不同工況下的密封性能進(jìn)行研究；黃樂[4]利用ANSYS對Y形圈進(jìn)行密封性能仿真,采用了一種循環(huán)迭代的方法尋找介質(zhì)壓力施加邊界，此法較為復(fù)雜。歐陽小平等[5-7]以航空作動(dòng)器的VL密封為研究對象，基于混合潤滑假設(shè)，建立了考慮微觀表面、空化效應(yīng)與潤滑油黏溫效應(yīng)的二維多物理場耦合往復(fù)密封模型，揭示了壓力、溫度、速度等因素對VL密封性能的影響規(guī)律；吳長貴等[8]基于有限元分析方法，對VL密封圈的密封性能進(jìn)行分析，研究了介質(zhì)壓力對密封唇口接觸應(yīng)力分布的影響；Yu-li Huang等[9-10]通過有限元計(jì)算獲得接觸壓力分布，將其等效為油膜壓力，通過逆向求解Reynolds方程，尋求油膜載荷與密封圈動(dòng)態(tài)接觸載荷的平衡點(diǎn)，研究了潤滑油充裕與乏油條件下的往復(fù)活塞桿的密封、潤滑特性。

本文通過有限元仿真分析，為VL型密封圈用于彈射活塞的高速、高壓動(dòng)密封提供了理論依據(jù)，并結(jié)合密封性能試驗(yàn)驗(yàn)證了密封方案的可行性和密封性能的良好性。

1 彈射裝置密封環(huán)境特點(diǎn)及密封方案

1.1 密封環(huán)境特點(diǎn)

無桿式開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置以氣動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以高壓氣體(壓縮空氣)作為動(dòng)力源及工作介質(zhì)，由高壓氣罐內(nèi)預(yù)先蓄積的高壓氣體在氣動(dòng)閥開啟時(shí)快速釋放進(jìn)入彈射氣缸內(nèi)，對活塞進(jìn)行瞬間加速，活塞通過動(dòng)力輸出臂傳遞彈射動(dòng)力。彈射活塞在高壓氣體的推動(dòng)下能在0.7s左右時(shí)間內(nèi)加速到30m/s完成彈射，彈射過程中缸內(nèi)氣壓瞬間可達(dá)到9MPa高壓。開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，彈射活塞與氣缸內(nèi)壁之間的密封不僅屬于典型的動(dòng)密封范疇，而且還具有明顯的壓力高、速度快、行程長和瞬間沖擊的特點(diǎn)，由于其密封環(huán)境十分惡劣，所以對彈射活塞密封件的選擇具有很高的要求。

圖1 開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 VL型密封圈結(jié)構(gòu)形式與密封機(jī)理

VL型密封圈是TRELLEBORG(特瑞堡)公司為航空液壓作動(dòng)器專門設(shè)計(jì)的一種適用于高壓、高速環(huán)境下的密封結(jié)構(gòu)，由聚四氟乙烯V形圈和橡膠O形圈組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，V形圈與氣缸內(nèi)壁接觸處的刃口，稱為密封圈唇口(以下簡稱唇口)。VL型密封圈安裝時(shí)需使O形圈有一定的預(yù)壓縮量，預(yù)壓縮量的存在使的唇口緊貼彈射缸內(nèi)壁形成初始接觸應(yīng)力，在壓縮氣體開始瞬間作用時(shí)起初始密封作用；當(dāng)氣體壓力增大時(shí)，O形圈被擠壓，與密封槽壁緊密接觸，發(fā)生彈性變形，施加更大的力擠壓V形圈，使唇口更加緊貼氣缸內(nèi)壁，氣體壓力越大，唇口與氣缸內(nèi)壁之間的接觸應(yīng)力也越大，從而實(shí)現(xiàn)自緊型密封。在工作介質(zhì)壓力作用后VL型密封圈共有三個(gè)密封接觸面分別為密封接觸面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中密封接觸面Ⅰ也即為唇口處密封接觸面，三個(gè)密封面接觸應(yīng)力分布狀況決定著密封圈整體的密封性能。

圖2 VL型密封圈結(jié)構(gòu)與密封接觸面示意圖

對于幾乎所有類型動(dòng)密封來說，密封件的潤滑對于其密封性能與壽命均起非常重要的作用。當(dāng)密封接觸面以工作速度作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在密封件與滑移面之間形成一層油膜，油膜的存在可改善密封圈的摩擦條件，減小磨損。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，油膜不是穩(wěn)定不變的，油膜厚度隨摩擦面的相對速度、流體粘度、接觸面壓力等許多因素影響而改變[11]。

唇口密封接觸面油膜厚度分布如圖3所示。

圖3 唇口密封接觸面油膜厚度分布

唇口密封接觸面油膜厚度的求解可以用流體力學(xué)逆解法，根據(jù)密封接觸面的油膜壓力，逆向求解Reynolds方程(雷諾方程)得出油膜厚度分布。油膜與壓力關(guān)系的雷諾方程式為：

(1)

式中，v為彈射速度；h為油膜厚度；h*為最大壓力點(diǎn)dP/dx=0處的油膜厚度，x為方向坐標(biāo)；μ為流體粘度；P為油膜壓力。由流體動(dòng)壓潤滑理論的基本假設(shè)可認(rèn)為油膜壓力P(x)與唇口密封接觸面的接觸應(yīng)力相等，另外由于潤滑油膜厚度僅為幾毫米，故可假設(shè)沿油膜厚度方向油膜壓力不變。接觸應(yīng)力可從密封圈的仿真結(jié)果中提取，所以油膜壓力分布P(x)是已知量。

對式(1)求導(dǎo)，可得：

(2)

將高壓氣體側(cè)油膜最大壓力梯度d2P/dx2=0處的點(diǎn)定義為A點(diǎn)，A點(diǎn)處的油膜厚度為hA，如圖所示，則在A點(diǎn)處式(2)變?yōu)?/p>

(3)

A點(diǎn)處的油膜厚度梯度dh/dx≠0，于是A點(diǎn)處的油膜厚度為：

(4)

進(jìn)一步可得最大油膜壓力點(diǎn)厚度為：

(5)

將式(4)和式(5)代入式(1)中得：

(6)

通過求解上述三次方程可得出唇口密封處接觸面油膜厚度分布h(x)。

2 VL型密封圈密封性能仿真分析

2.1 有限元仿真模型的構(gòu)建

本文中選用的為PEL402000M12N型活塞用VL型密封圈，為有效的對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真求解，可對密封模型做適當(dāng)?shù)暮喕?，在建立有限元模型時(shí)做以下假設(shè)：

1) 由于密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀、接觸邊界條件和載荷都是關(guān)于活塞中心軸對稱的，可將密封結(jié)構(gòu)看作理想的完全軸對稱模型；

2) 活塞和彈射缸體均為金屬鋼，其彈性模量遠(yuǎn)高于密封件材料的彈性模量，且工作過程中相對于密封件受力很小，于是在建模時(shí)可將溝槽與彈射缸設(shè)置為解析剛體；

3) 因開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置彈射過程瞬間完成，可忽略缸內(nèi)溫度變化對密封件材料力學(xué)性能的影響。

因此基于以上假設(shè)，可在即能保持計(jì)算精度又能減少計(jì)算時(shí)間的情況下將三維的VL型密封圈結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為二維軸對稱模型進(jìn)行仿真分析。在網(wǎng)格劃分時(shí)單元類型均采用四邊形單元，O形圈選用四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱雜交減縮單元CAX4RH，該單元可以模擬橡膠材料的大變形等非線性特性，V形圈選用四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱減縮單元CAX4R。密封性能分析時(shí)著重分析密封模型中接觸面應(yīng)力值分布情況，將V形圈、O形圈密封接觸面的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，于是即能在保證計(jì)算結(jié)果的精確可靠性的情況下，不會(huì)使得密封模型的單元總數(shù)很大，進(jìn)而又可以提高仿真計(jì)算的速度。

模擬VL型密封圈在開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置中的工作狀態(tài)可在ABAQUS通過設(shè)置不同的分析步實(shí)現(xiàn)，本文中總設(shè)置了三個(gè)分析步用以分別模擬密封圈的預(yù)壓縮安裝、靜壓工作狀態(tài)、彈射滑動(dòng)工作狀態(tài)。

2.2 氣體壓力加載模擬

在VL型密封圈預(yù)壓縮安裝完成后模擬高壓氣體的加載時(shí)，尋找出所施加載荷表面的邊界點(diǎn)至關(guān)重要，如圖4左圖所示預(yù)壓縮后V形圈與O形圈緊密接觸，在氣壓載荷作用下密封接觸面邊界點(diǎn)的位置會(huì)發(fā)生變化如右圖所示，因此在施加氣壓載荷時(shí)應(yīng)在先尋找密封接觸面邊界點(diǎn)之后才能把氣壓載荷施加到邊界點(diǎn)處。文獻(xiàn)[12]中對于流體壓力的加載給出了兩種方法，一種是指定邊界法，通過事先指定受力的節(jié)點(diǎn)確定流體施加的邊界點(diǎn)，這種施加方法顯然與實(shí)際情況不符合，但依然被普遍采用。另一種是流體壓力滲透載荷法，載荷從滲透起始點(diǎn)對接觸面開始加載，如果計(jì)算中某些節(jié)點(diǎn)的接觸壓力值小于流體壓力時(shí)，這些點(diǎn)被認(rèn)定為滲透加載點(diǎn)，反之如果大于流體滲透壓力載荷，流體滲透就會(huì)終止。文獻(xiàn)中作者對比兩種加載方法發(fā)現(xiàn)采用流體壓力滲透法得到的計(jì)算結(jié)果更加客觀。

圖4 密封接觸面邊界點(diǎn)變化示意圖

所以本文采用ABAQUS/Standard接觸模塊中的pressure penetration loading(流體壓力滲透載荷)方法來模擬高壓氣體在密封圈一側(cè)對密封件和對密封接觸面的作用，pressure penetration loading是基于接觸對定義的，可以模擬仿真計(jì)算周圍的液體或者空氣滲透到接觸面的影響。利用流體壓力滲透載荷的方式加載自動(dòng)尋找密封接觸面邊界點(diǎn)，可在更加接近真實(shí)情況下展現(xiàn)高壓氣體作用時(shí)VL型密封圈的變形過程和各密封接觸面接觸壓力值的變化規(guī)律。

2.3 仿真結(jié)果分析

1) 氣壓變化對密封性能的影響

開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置彈射行程中缸內(nèi)工作氣體壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，由后續(xù)的密封試驗(yàn)測試可知缸內(nèi)氣壓在彈射起始時(shí)瞬間達(dá)到9 MPa左右，彈射過程中的缸內(nèi)壓強(qiáng)基本保持在7 MPa以上。不同氣壓下密封狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，分析VL型密封圈密封性能隨氣壓大小變化的情況，可更好的用以指導(dǎo)彈射活塞的高速、高壓動(dòng)密封的設(shè)計(jì)。

圖5中列出了預(yù)壓縮率設(shè)定為17%時(shí)VL型密封圈在工作氣壓分別為0 MPa、7 MPa、8 MPa、9 MPa下密封接觸面Ⅱ和Ⅲ處的接觸應(yīng)力云圖，隨著氣壓的增大O形圈逐漸被壓縮，密封接觸面Ⅱ、Ⅲ處的接觸應(yīng)力最大值均隨氣壓增大逐漸增大；圖6中唇口處密封接觸面隨工作氣壓的增大而逐漸變寬，接觸應(yīng)力最大值隨工作氣壓的增大逐漸變小。可見通過O形圈的彈性補(bǔ)償將氣壓為轉(zhuǎn)化為接觸應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)自緊密封，在不同氣壓下密封區(qū)最大接觸應(yīng)力值均大于工作壓力能實(shí)現(xiàn)良好密封。

圖5 氣壓變化對接觸應(yīng)力的影響

圖6 唇口處(接觸面Ⅰ)接觸應(yīng)力隨氣壓變化曲線

2) 彈射工作狀態(tài)下密封性能仿真分析

在開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置活塞運(yùn)動(dòng)行程中密封圈與氣缸內(nèi)壁之間的摩擦主要集中在唇口接觸面處，在彈射狀態(tài)下對VL型密封圈進(jìn)行密封性能仿真分析，研究唇口接觸面的摩擦力和動(dòng)壓潤滑油膜厚度在不同彈射速度和氣壓下變化規(guī)律。

彈射速度分別選取為10 m/s、20 m/s、30 m/s，工作氣壓分別為7 MPa、8 MPa、9 MPa條件下的唇口處動(dòng)壓潤滑油膜厚度分布情況如圖7、圖8、圖9所示。從上述圖中可以看出，相同氣壓力條件下唇口潤滑油膜厚度隨彈射速度增大而增加，這是因?yàn)榛瑒?dòng)速度越大，唇口處流體動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)從而導(dǎo)致油膜厚度增大；在相同彈射速度下隨著氣壓的增大唇口處潤滑油膜厚度逐漸減小。

圖7 氣壓為7 MPa時(shí)唇口處油膜厚度分布曲線

圖8 氣壓為8 MPa時(shí)唇口處油膜厚度分布曲線

圖9 氣壓為9 MPa時(shí)唇口處油膜厚度分布曲線

唇口處摩擦力的大小是通過下式計(jì)算得出的：

(7)

式中:F為唇口所受摩擦力；f(s)為s處的摩擦系數(shù)；R為氣缸內(nèi)壁半徑；P(s)為s處的接觸應(yīng)力；s為接觸區(qū)寬度。

本文中摩擦因數(shù)f取為常數(shù)0.1，接觸應(yīng)力值在接觸區(qū)上的分布可仿真計(jì)算結(jié)果中通過路徑輸出得到。于是由式(7)得出唇口處摩擦力的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，同一彈射速度下唇口處摩擦力隨著工作氣壓的增大而增大，盡管在之前唇口處接觸應(yīng)力最大值隨工作氣壓增大而減小但是由于接觸寬度的增加從而使得摩擦力是呈現(xiàn)增大的趨勢；在較低彈射速度時(shí)油膜潤滑形成，同一氣壓下摩擦力隨速度的增大不斷減小，隨著彈射速度進(jìn)一步的增大，摩擦力趨于穩(wěn)定并略微有所減少。綜上所述彈射速度越高越有利于唇口接觸面的潤滑，從而減少摩擦力延長使用壽命，低速彈射時(shí)潤滑油膜厚度較薄且摩擦阻力大，VL型密封圈的磨損主要發(fā)生在彈射起始加速階段和末尾減速階段。

圖10 唇口處摩擦力隨彈射速度和工作氣壓變化曲線

3 開口缸彈射裝置密封性能驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 彈射裝置密封性能試驗(yàn)系統(tǒng)

開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置如圖11所示，其密封性能試驗(yàn)原理如圖12所示，試驗(yàn)時(shí)空氣壓縮機(jī)將壓縮空氣注入高壓氣罐中，通過氣動(dòng)閥控制高壓氣體進(jìn)入彈射氣缸內(nèi)，活塞在高壓氣體介質(zhì)壓力推動(dòng)下加速運(yùn)動(dòng)完成彈射，實(shí)時(shí)監(jiān)測活塞前后兩端的氣壓變化情況，用以分析彈射活塞VL型密封圈的密封性能。其主要組成部分開口缸、空氣壓縮機(jī)、高壓氣罐、氣動(dòng)閥等如圖13。

圖11 開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置

圖12 開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置密封性能試驗(yàn)原理圖

氣壓監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析處理軟件以及高精度壓力傳感器等。彈射時(shí)高壓氣體由進(jìn)去口瞬間進(jìn)入缸內(nèi)，因此要求壓力傳感器具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，并且對數(shù)據(jù)采集器和壓力傳感器的響應(yīng)速度和采樣精度均有較高的要求。數(shù)據(jù)采集器選用的為專注于集成化物理量測試測量的德國imc公司的CS-5008型采集器，壓力傳感器選用的為遠(yuǎn)東儀器儀表公司的YD131壓力變送器，參見圖14。

圖13 空氣壓縮機(jī)、高壓氣罐、氣動(dòng)閥

圖14 CS-5008型數(shù)據(jù)采集器與壓力傳感器

3.2 彈射裝置密封性能試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證VL型密封圈用于彈射活塞的密封性能，分別開展了靜態(tài)和彈射動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)，在缸體上安裝有壓力傳感器，監(jiān)測點(diǎn)的位置參見圖15，試驗(yàn)結(jié)束后提取各監(jiān)測點(diǎn)氣壓數(shù)據(jù)如圖16所示。

圖15 壓力監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

從圖16中的靜態(tài)進(jìn)氣口處壓強(qiáng)變化曲線可以看出氣缸內(nèi)壓強(qiáng)隨著氣動(dòng)閥的開啟迅速上升，因開口缸彈射裝置的特點(diǎn)在鋼帶密封條對開口處的密封會(huì)有微量的泄露，所以氣缸內(nèi)壓強(qiáng)會(huì)有所降低；彈射活塞低壓端監(jiān)測到的氣壓數(shù)據(jù)為零，說明VL型密封圈密封對彈射活塞與氣缸內(nèi)壁之間的靜態(tài)密封具有很好的效果，或許也有可能存在非常微弱的氣體泄漏，泄漏量遠(yuǎn)低于壓力傳感器的測量精度，但這也表明了VL型密封圈的密封效果很好。為減小試驗(yàn)誤差，經(jīng)多次試驗(yàn)后彈射活塞低壓端監(jiān)測到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)變化仍為零。

圖16 彈射過程中各監(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)變化曲線

從圖16可以看出隨著彈射活塞的運(yùn)動(dòng)各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測氣壓的變化情況，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢較為明顯，原因是彈射活塞向前運(yùn)動(dòng)氣缸容積增大氣動(dòng)閥進(jìn)氣量無法補(bǔ)充迅速增大的容腔。各監(jiān)測點(diǎn)均在彈射活塞過后時(shí)刻采集到氣壓瞬時(shí)迅速爬升，在經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)之前監(jiān)測到缸內(nèi)氣壓沒有發(fā)生變化，由此表明VL型密封圈在開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置的彈射行程中具有非常好的動(dòng)態(tài)密封效果。

4 結(jié)論

1) VL型密封圈中各密封接觸面的接觸應(yīng)力最大值隨工作氣壓的增大而增大，并且唇口處的接觸應(yīng)力最大值均大于其他密封接觸面的接觸應(yīng)力的最大值，在不同工作氣壓下各密封接觸面最大接觸應(yīng)力值均大于最大工作氣壓值，能實(shí)現(xiàn)彈射活塞良好的密封。

2) 在彈射狀態(tài)時(shí)，相同氣壓條件下唇口動(dòng)壓潤滑油膜厚度隨彈射速度增大而增加，這和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律比較吻合；在相同彈射速度下，隨著氣壓的增大唇口處潤滑油膜厚度逐漸減小，VL型密封圈的磨損主要發(fā)生在彈射起始加速階段和末尾減速階段。

3) 在開口缸高壓氣動(dòng)彈射裝置中VL型密封圈對于彈射活塞和氣缸內(nèi)壁之間具有很好的靜態(tài)和彈射動(dòng)態(tài)密封效果，驗(yàn)證了VL型密封圈用于氣動(dòng)彈射活塞的高壓、高速動(dòng)密封的方案可行性，同時(shí)也驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性，為彈射裝置密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。