氟硅橡膠與氟橡膠O形圈密封性能仿真

徐 璁，陸 浩，周毅博，王志堅，王法全

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

航空液壓的高壓化發(fā)展對航空液壓系統(tǒng)密封是1種嚴峻考驗，密封設(shè)計時主要依靠工程經(jīng)驗，易使產(chǎn)品發(fā)生泄漏以及磨損，有時會導(dǎo)致災(zāi)難性事故，比如1986年的挑戰(zhàn)者號就是因為O形圈玻璃化失效而爆炸。因此對于密封的研究刻不容緩。

國外對密封的研究最初的理論聚焦在對于密封材料的數(shù)學(xué)模型建立上，使用唯象法建立了一系列描述橡膠非線性特征的數(shù)學(xué)模型，學(xué)者們基于橡膠的非線性模型對密封技術(shù)進行研究，如Alexander[1]使用試驗與仿真對比方法證明了所提出的1種求解接觸面上摩擦力的方法的準確性。國內(nèi)對于橡膠密封的系統(tǒng)研究起步比國外晚，1988年李尚義等[2]針對組合式密封的保證不漏給出了最大接觸應(yīng)力準則，要求密封環(huán)與被密封表面之間的接觸應(yīng)力大于液體壓力。近十年來對于密封理論的研究越發(fā)增多[3]。宮燃[4]對車輛傳動裝置的動密封失效進行分析和試驗，提出以磨損為主導(dǎo)的失效模式；陳慶等[5]通過理論方式對于單純O形密封圈在往復(fù)運動中的易失效給出解釋；閆偉鵬[6]采用摩擦正交試驗確定了擺動馬達中各關(guān)鍵密封的最佳工況，并測定O形圈不同壓縮率的動靜態(tài)泄漏量；劉奔等[7]搭建了飛機作動筒往復(fù)密封試驗系統(tǒng)用以研究脈沖加載情況下的密封性能；陳士朋[8]通過開發(fā)密封性能測試試驗裝置研究了密封介質(zhì)壓力對O形圈往復(fù)摩擦力的影響規(guī)律；陸婷婷[9]針對基礎(chǔ)的橡膠密封圈的黏彈特性展開系統(tǒng)試驗，彌補了對于橡膠基礎(chǔ)研究的不足。除了試驗手段，很多學(xué)者還采用仿真對橡膠密封特性進行一系列研究[10]。崔曉等[11]基于ADINA的計算結(jié)果給出油膜控制方程的數(shù)值解法，可以用于不同工況下馬達泄漏量和摩擦力的計算；凌學(xué)勤[12]使用ANSYS對橡膠密封圈進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，解決了隔膜室密封結(jié)構(gòu)的早期失效問題；韓傳軍[13]則使用ABAQUS對星形密封圈與O形密封圈的密封效果進行對比，得出星形密封圈密封效果更優(yōu)的結(jié)論。

現(xiàn)今很多機械結(jié)構(gòu)中最常用的2種密封橡膠材料為氟硅橡膠和氟橡膠，常用的密封形式為O形圈直接密封、O型圈與聚四氟乙烯形成的格萊圈密封等，對于格萊圈密封中2種材料的選取多基于標準或工程經(jīng)驗，對于二者的密封性能并沒有進行深入的理論研究。本文針對其不足，采用仿真方法對于2種材料在格萊圈密封中的密封性能展開探討。

1 數(shù)值模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

對于橡膠密封的研究不涉及對橡膠應(yīng)力松弛等黏彈性特性的探討，因此橡膠的模型采用超彈本構(gòu)模型，選取Yeoh提出的3階超彈本構(gòu)模型的擬合方式，其應(yīng)變能函數(shù)W為

式中：ci0和dk為材料常數(shù)；I1為第1偏應(yīng)變不變量；J為彈性變形梯度矩陣的行列式。

氟硅橡膠材料和氟橡膠材料的單軸拉伸、等雙軸拉伸以及平面剪切的試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。從圖中可見，氟硅橡膠材料的材料因子c10=0.606、c20=-0.366、c30=0.205、d1=d2=d3=0；而氟橡膠材料的材料因子c10=1.121、c20=-0.465、c30=0.298、d1=d2=d3=0。

圖1 拉伸及剪切試驗結(jié)果

因為整體結(jié)構(gòu)、約束以及載荷都是軸對稱的，而且載荷下產(chǎn)生的位移以及應(yīng)力應(yīng)變也都是軸對稱的，因此整個仿真可以簡化為2維軸對稱的問題，以作動桿中軸線為z軸建立柱坐標系，位移、應(yīng)力應(yīng)變都是徑向坐標r和軸向坐標z的函數(shù)，與周向角度θ無關(guān)。用于求解2維軸對稱問題的平衡方程、本構(gòu)方程、幾何方程分別為[14]

式中：σ、ε分別為正應(yīng)力和正應(yīng)變；τ、γ分別為剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變；g為體積力；E為彈性模量；μ為泊松比；u、w分別為徑向和軸向的位移。

1.2 工況及邊界

本文研究對象均處于常溫25℃下，即不考慮溫度的影響。模型參數(shù)參照某作動筒密封槽尺寸，密封槽位于襯套上，基于結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性（如圖2所示），建立軸對稱模型（如圖3所示）。對稱軸為作動桿中心軸線，仿真求解使用ANSYS軟件，網(wǎng)格采用4面體網(wǎng)格（如圖4所示），并且在密封槽的接觸區(qū)域局部加密增加計算的收斂性，作動桿和襯套的彈性模量遠大于保護圈和橡膠圈，將其作為剛體處理，保護圈材料為聚四氟乙烯，作為各向同性線彈性體處理，彈性模量為280 MPa，泊松比為0.42，密封結(jié)構(gòu)尺寸見表1。仿真分2步：（1）橡膠圈的預(yù)壓縮，此時沒有油壓載荷，而為了排除直接壓縮橡膠圈導(dǎo)致橡膠圈徑向尺寸發(fā)生變化與實際不符，采用橡膠圈自身過盈恢復(fù)的方法來進行預(yù)壓縮部分的計算，如圖2所示建模，在預(yù)壓縮的時間步中，橡膠圈通過過盈恢復(fù)完成預(yù)壓縮，最終保護圈外側(cè)與密封槽底距離為D1，橡膠圈壓縮率 α=（D0-D1）/D0；（2）通過對橡膠圈以及保護圈與油接觸部分施加液體滲透壓力載荷（油的流入位置如圖3所示），壓力載荷為4 MPa，該載荷會隨著接觸的改變而改變施加位置。

圖2 作動筒結(jié)構(gòu)

圖3 密封結(jié)構(gòu)的軸對稱模型

圖4 密封結(jié)構(gòu)的計算網(wǎng)格劃分

表1 密封結(jié)構(gòu)尺寸 mm

2 結(jié)果分析

對于氟硅橡膠圈與氟橡膠圈在壓縮率為16%、20%、24%、28%下的密封進行8個工況的仿真，獲得未施加液壓載荷的預(yù)壓縮階段以及施加液壓載荷后的仿真數(shù)據(jù)。Gorelik和Feldman針對預(yù)壓縮階段密封圈與保護圈接觸段長度建立簡單模型[13]

式中：b為密封圈與保護圈接觸段的長度；d為密封圈截面直徑；C為壓縮率。

預(yù)壓縮接觸段長度與材料屬性無關(guān)，只與壓縮率以及截面半徑相關(guān)，氟硅橡膠圈與氟橡膠圈的工況之間壓縮率相同的情況下模型數(shù)據(jù)完全一致，因此在預(yù)壓縮階段其接觸段的長度也一樣。而仿真中不同壓縮率的接觸段長度與密封圈截面直徑之比與壓縮率的關(guān)系如圖5所示，其結(jié)果與Gorelik的模型結(jié)果一致[15]。

圖5 預(yù)壓縮階段接觸段仿真與模型對比

在加載液壓載荷時，橡膠圈以及保護圈將在液壓的作用下貼向密封槽的上側(cè)形成新的靜密封界面，其變形如圖6所示。從圖中可見，氟硅橡膠圈和氟橡膠圈所形成的密封形態(tài)沒有太大區(qū)別，但因為二者材料性質(zhì)不同，在圖6中紅圈所示位置可見氟硅橡膠圈在液壓的作用下基本填滿了與保護圈接觸的間隙，而氟橡膠圈在該處依然存在其圓角結(jié)構(gòu)，說明氟橡膠圈抗形變的能力要強于氟硅橡膠圈的。在28%壓縮率下的接觸應(yīng)力如圖7所示。從圖中可見，大接觸應(yīng)力區(qū)域在橡膠圈與密封槽接觸區(qū)、橡膠圈與保護圈接觸區(qū)（圖 7（a）中“2”處）以及保護圈與作動桿的接觸區(qū)（圖 7（a）中“1”處）。明顯可見“1”處為三者中數(shù)值偏小的區(qū)域，該規(guī)律在氟硅密封以及氟密封中都是一致的。在一側(cè)來油的情況下，保護圈與作動桿的接觸區(qū)域是出現(xiàn)密封失效的危險區(qū)域。

圖6 有液壓載荷時橡膠圈變形（28%壓縮率下）

圖7 有液壓載荷時橡膠圈接觸應(yīng)力（28%壓縮率下）

由于圖7中接觸應(yīng)力為負時僅表明接觸位置所受的力為壓應(yīng)力，且下述討論位置的接觸應(yīng)力均為負，因此下列圖中只取接觸應(yīng)力的數(shù)值進行比較。無液壓載荷時不同壓縮率下“1”處接觸應(yīng)力的對比如圖8所示。從圖中可見，與其他研究結(jié)果相同，接觸應(yīng)力隨著壓縮率的增大而增大，其分布呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的形態(tài)。對2種密封的結(jié)果進行對比可見，氟密封提供的接觸應(yīng)力大于氟硅密封所能提供的，16%壓縮率下的氟橡膠圈提供的接觸應(yīng)力與28%壓縮率下的氟硅橡膠圈提供的接觸應(yīng)力相當(dāng)。

圖8 無液壓載荷時橡膠圈不同壓縮率下接觸應(yīng)力對比

而在一側(cè)來油的情況下，其密封形式以及密封壓力會發(fā)生改變，在加載液壓載荷后，2種密封在不同壓縮率下“1”處接觸應(yīng)力的對比如圖9所示。通過與圖8對比，其接觸壓力曲線的峰值向來油的反向移動，并且來油壓力通過橡膠圈及聚四氟乙烯傳遞到接觸表面，使得其接觸壓力值急劇升高，但是二者密封性能有明顯區(qū)別。從圖9（a）中可見，隨著壓縮率的增大，在“1”處密封壓力的變化不明顯，說明在4 MPa油壓下，壓縮率相應(yīng)增大并不會明顯改變其密封效果；而從圖9（b）中可見，隨著壓縮量的增大，氟橡膠圈在“1”處的密封壓力隨之增大，在4 MPa油壓下，增大壓縮率會提高其密封性能。

圖9 有液壓載荷時不同壓縮率下“1”處接觸應(yīng)力對比

對組合式密封而言，“1”處雖然是密封最危險的區(qū)域，但是“1”處應(yīng)力并不全來自于橡膠圈，當(dāng)研究氟硅和氟橡膠圈密封性能差異原因時，需要根據(jù)橡膠圈與聚四氟乙烯圈接觸位置的應(yīng)力曲線對比來討論。有液壓載荷時在不同壓縮率下“2”處接觸應(yīng)力對比如圖10所示。從圖10（a）中可見，在承受4 MPa液壓載荷的情況下，氟硅橡膠圈所輸出的應(yīng)力對于壓縮率的變化變得不敏感，隨著壓縮率的變化，雖然接觸面變大，但是其應(yīng)力值變化不大，而氟橡膠圈的輸出應(yīng)力依然隨著壓縮率的增大而增大，說明在4 MPa的液壓量級上，氟硅橡膠圈已經(jīng)喪失了通過改變壓縮率來增強密封的能力，而氟橡膠圈依然可以通過調(diào)整壓縮率來提高密封能力。有液壓載荷、相同壓縮率下氟硅密封與氟密封接觸應(yīng)力的對比如圖11所示。從圖中可見，氟橡膠圈的密封能力要優(yōu)于氟硅橡膠圈的，隨著壓縮率的增大，其密封性能差距也相應(yīng)增大。

圖10 有液壓載荷時不同壓縮率下“2”處接觸應(yīng)力對比

圖11 有液壓載荷時相同壓縮率下二者接觸應(yīng)力對比

3 結(jié)論

針對某作動筒密封槽內(nèi)2種不同材料橡膠圈的格萊圈密封的密封性能進行有限元仿真，仿真結(jié)果顯示密封接觸段長度與前人模型保持一致，對不同壓縮率下有無液壓載荷下保護圈與作動桿之間的接觸應(yīng)力變化進行分析，得到如下結(jié)論：

（1）在無液壓的情況下，隨著壓縮率的增大，接觸應(yīng)力隨之增大，而且接觸應(yīng)力的分布呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的形態(tài)。在相同壓縮率下氟橡膠圈提供的接觸應(yīng)力要大于氟硅橡膠圈所提供的接觸應(yīng)力。

（2）在一側(cè)4 MPa液壓的情況下，壓縮率從16%增至28%，氟硅橡膠圈的密封性能變化不大，而氟橡膠圈的密封性能會相應(yīng)提高，說明氟橡膠圈的密封性能對壓縮率的改變更敏感。

根據(jù)仿真結(jié)論可知，在高壓密封的情況下，16%壓縮率的氟硅橡膠圈如果能達到密封要求，則無需通過增大壓縮率去追求更好的密封效果；如果設(shè)計點的氟硅橡膠圈無法滿足密封要求，通過調(diào)節(jié)壓縮率也很難達到要求，在沒有其他方面（比如溫度等）的考慮下，可以通過更換為對壓縮率更為敏感的氟橡膠圈來滿足要求。