水液壓O形圈錐面密封特性分析

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)試驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

O形密封圈具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用范圍廣、便于安裝及更換等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、機(jī)械及流體傳動機(jī)械等領(lǐng)域[1]，對液壓機(jī)械產(chǎn)品防止漏液、提高能源利用率、保護(hù)環(huán)境等方面具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者對O形圈密封結(jié)構(gòu)及密封性能進(jìn)行了大量研究。吳川等[2]對O形圈密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計與測試，得出了密封溝槽的優(yōu)化方案；宋宇航等[3-4]對O形圈密封的應(yīng)用進(jìn)行了較詳細(xì)闡述與說明；劉鵬等[5]運(yùn)用有限元仿真軟件對O形圈平面密封進(jìn)行了應(yīng)力與接觸壓力的有限元分析，獲得了平面密封中O形圈可能出現(xiàn)裂紋的位置以及壓縮率對密封效果的影響。CZESLAW K等[6]對靜態(tài)和滑動條件下平面O形密封圈的粘彈性機(jī)理進(jìn)行了分析，得出不同條件下密封件的松弛特性，并進(jìn)行了實驗驗證；JUNICHIR Y等[7]使用耐久性測試儀對O形圈在高壓氫氣下的O形圈的斷裂行為進(jìn)行研究，總結(jié)出O形圈在高壓氣體環(huán)境下的裂紋損傷因素；ALEXANDER W等[8]通過物理模擬方法模擬計算出動態(tài)應(yīng)用中O形密封件油潤滑觸點(diǎn)的摩擦力。

綜上所述，前期研究主要集中于平面密封結(jié)構(gòu)中的O形圈溝槽的設(shè)計及平面密封有限元分析等，而對有限預(yù)緊力條件下O形圈錐面密封性能的研究甚少。

1 問題分析

水液壓技術(shù)是以純水為工作介質(zhì)的靜壓傳動技術(shù)。水介質(zhì)具有環(huán)境友好、溫升低、成本低、阻燃性和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，使得水液壓技術(shù)在一些應(yīng)用場合具有油壓技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢[9]，但其黏度低(液壓油的1/50～1/40)，氣化壓力高(液壓油的2～400倍)等問題也給水液壓元件的研發(fā)帶來諸多困難。在水液壓控制閥中，多采用銳邊或錐面進(jìn)行硬密封，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這兩種硬密封結(jié)構(gòu)要求加工及安裝精度高，導(dǎo)致制造成本高，而且為保證其密封性能，閥芯和閥座通常采用不同材質(zhì)材料，不同材料的電位差導(dǎo)致閥口處易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[10]。此外，由于水的氣化壓力高，高壓工作時，閥口壓差大，易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，從而發(fā)生氣蝕破壞等，都使得閥口密封性能難以維持。

圖1 錐面硬密封結(jié)構(gòu)

為降低加工及安裝精度的要求、長時間保證閥口具備良好的密封性能，可采用O形密封圈錐面結(jié)構(gòu)，在相同的閥芯軸向預(yù)壓力下，相比硬密封，此種軟密封結(jié)構(gòu)具備更加良好的密封性能。

然而，在水液壓先導(dǎo)式控制閥主閥口(如圖2所示)和水深壓力自補(bǔ)償?shù)膿Q向閥閥口(如圖3所示)中，其閥芯軸向密封力均由閥芯彈簧的預(yù)壓縮量提供，因此閥芯彈簧的預(yù)壓縮力直接決定閥的性能，如開啟壓力、驅(qū)動力或力矩等，在結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，閥芯彈簧提供的預(yù)壓縮力有限，導(dǎo)致密封圈預(yù)壓縮量難以確定。由于目前國內(nèi)外對O形密封圈錐面密封性能的研究較少，無法根據(jù)密封圈工作時所受接觸壓力準(zhǔn)確計算出密封圈形成良好密封性能時所需的彈簧軸向力，當(dāng)工作壓力升高時，無法確保良好的錐面密封效果。

圖2 保持式二位二通電動換向閥結(jié)構(gòu)

圖3 先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)

本研究主要對水液壓提升閥中的先導(dǎo)式壓力控制閥閥口錐面軟密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封性能及有限元分析。主要研究了錐面密封結(jié)構(gòu)中O形圈預(yù)壓縮率、液壓介質(zhì)壓力、密封槽口對O形密封圈接觸面應(yīng)力的影響，為后續(xù)計算滿足水液壓提升閥錐面密封效果所需的閥芯彈簧壓縮力、閥芯彈簧的參數(shù)選取及密封圈溝槽設(shè)計等提供理論依據(jù)。

2 模型

2.1 物理模型

在錐面密封結(jié)構(gòu)中采用的O形密封圈為橡膠材料，目前工程應(yīng)用中將橡膠材料看作是體積不可壓縮的超彈性體。國內(nèi)外學(xué)者已提出了基于統(tǒng)計熱力學(xué)的Heo-Hookean應(yīng)變能函數(shù)、指數(shù)-雙曲(exponential-hype rbolic)法則以及基于連續(xù)體的表象學(xué)方法的Mooney-Rivlin[11]模型、Klosenr-Segal模型和Ogden-Tschoegl模型。在Abaqus仿真軟件中輸入密封材料測試數(shù)據(jù)后，輸出材料參數(shù)及穩(wěn)定性限制信息，繼而擬合出材料的應(yīng)變能函數(shù)曲線，并將得到的擬合曲線與選取材料的試驗數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對比，得出應(yīng)變能函數(shù)定義式為Mooney-Rivlin和Ogden的多項式能夠滿足穩(wěn)定性限制，由材料擬合結(jié)果對比得出應(yīng)變能為Ogden的擬合結(jié)果和測試數(shù)據(jù)最為吻合，故選取Ogden-Tschoegl應(yīng)變函數(shù)模型，該函數(shù)被認(rèn)為是在描述類橡膠材料的大變形范圍時最成功的函數(shù)之一，其應(yīng)變能函數(shù)關(guān)系式定義為：

(1)

其中，G(J)=J2-1，為方便計算，采用簡化之后的應(yīng)變能函數(shù)關(guān)系式：

(2)

式中，λ為材料主要伸展率；μk為材料常量;αk為動力系數(shù);N為函數(shù)中的項數(shù);J為變形體積與未變形體積之比。

對水液壓提升閥錐面密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時，由于邊界條件、接觸條件非線性等問題相對來說較為復(fù)雜，故對提升閥閥口錐面密封結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化，其錐面密封結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 O形圈錐面密封模型結(jié)構(gòu)

通常情況下，密封圈所使用的橡膠材料的泊松比接近0.5，因此在建模時將其定義為超彈性材料，并將密封模型簡化為二維平面軸對稱模型，最后通過掃掠命令可以直觀的觀察到錐面密封模型的受力變形情況，在不影響計算結(jié)果的前提下可以節(jié)省大量計算時間從而提高計算效率。由于O形密封圈受到水液壓錐形閥芯和閥座的擠壓作用而發(fā)生較大變形和滑移，無法用線性理論進(jìn)行分析，為提高仿真計算精度，故在設(shè)置分析步時采用幾何非線性分析。

2.2 有限元模型

通過Abaqus對水液壓提升閥錐形閥芯、閥座和O形密封圈進(jìn)行建模、裝配，得到錐面密封結(jié)構(gòu)的仿真模型，在仿真分析過程中，閥芯和閥座部件幾乎不發(fā)生變形，將其定義為解析剛體，不再對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于O形密封圈，在仿真分析中，為了保證計算精度及可行性，采用Abaqus自由網(wǎng)格劃分技術(shù),其網(wǎng)格單元采用四結(jié)點(diǎn)線性軸對稱四邊形單元(CAX4RH)，在劃分網(wǎng)格的時候?qū)形圈的網(wǎng)格細(xì)化以提高仿真計算精度。通過建立三組接觸對進(jìn)行定義模型的接觸問題，分別是閥芯與密封圈表面、閥座與密封圈表面以及密封圈的自接觸，利用Abaqus建立的簡化二維平面軸對稱網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 O形圈錐面密封二維軸對稱網(wǎng)格模型

2.3 模型的基本假設(shè)

(1) O形密封圈材料各向同性、均勻連續(xù)且具有確定的彈性模量和泊松比；

(2) 閥芯和閥座的材料剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于O形密封圈剛度，在進(jìn)行建模仿真時可以忽略其變形產(chǎn)生的影響，將其定義為解析剛體；

(3) O形密封圈的預(yù)壓縮力可視為閥芯沿軸向產(chǎn)生的位移引起的；

(4) 忽略加工和安裝誤差，認(rèn)為錐面密封結(jié)構(gòu)為關(guān)于中心軸對稱的結(jié)構(gòu)，建模時建立平面軸對稱模型。

3 結(jié)果分析

通過對水液壓提升閥錐面密封結(jié)構(gòu)中的O形圈在不同預(yù)壓縮率及不同介質(zhì)壓力下受力狀況進(jìn)行仿真分析，得出錐面密封結(jié)構(gòu)的密封性能影響因素、密封接觸面上的應(yīng)力分布狀況以及保證良好的錐面密封性能所需的受力條件，驗證了O形圈在水液壓提升閥錐面密封結(jié)構(gòu)中的密封性能。

3.1 不同預(yù)壓縮率時密封圈Mises應(yīng)力分布情況

圖6為水液壓提升閥錐面密封結(jié)構(gòu)中密封圈預(yù)壓縮狀態(tài)下，兩側(cè)不受密封壓力時的變形狀態(tài)及Mises應(yīng)力分布云圖，由分析結(jié)果可知，與平面密封相比，在錐面密封結(jié)構(gòu)中，密封圈在自身張緊力的作用下向槽口側(cè)壁一側(cè)滑動繼而產(chǎn)生擠壓。從圖中可以看出，應(yīng)力集中區(qū)域主要在密封結(jié)構(gòu)接觸面兩側(cè)，呈啞鈴形狀分布[12]，隨著預(yù)壓縮率s的不斷增大，應(yīng)力集中部位由中間啞鈴狀區(qū)域向密封圈側(cè)壁兩側(cè)擴(kuò)展，由此可見，在錐面密封結(jié)構(gòu)中，密封圈在啞鈴狀中間區(qū)域最易發(fā)生失效。

圖6 預(yù)壓縮率對密封圈Mises應(yīng)力分布的影響

3.2 工作狀態(tài)時密封圈Mises應(yīng)力分布情況

對于水液壓錐面密封結(jié)構(gòu)，在選取O形圈預(yù)壓縮率時，沒有標(biāo)準(zhǔn)可以參考，通過結(jié)合圖6預(yù)壓縮率仿真云圖以及參考平面靜密封的推薦范圍，選擇預(yù)壓縮率s為15%時密封圈的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，仿真云圖如圖7所示。

圖7 單側(cè)受壓時O密封圈Mises應(yīng)力分布

當(dāng)液壓閥處于工作狀態(tài)時，由于受到密封壓力作用，密封圈向密封槽側(cè)壁方向產(chǎn)生滑移，其應(yīng)力集中區(qū)域也由中間區(qū)域向兩側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)壓力p大于10 MPa時，密封間隙處密封圈開始出現(xiàn)擠出現(xiàn)象，此時應(yīng)力集中區(qū)域由原來預(yù)壓縮狀態(tài)時的中間區(qū)域，擴(kuò)展到外側(cè)接觸面及擠出區(qū)域。由此可見，在錐面密封結(jié)構(gòu)中，O形密封圈在工作狀態(tài)時(單側(cè)受到密封壓力作用)，在密封圈與外側(cè)接觸區(qū)域以及擠出部分與密封槽口產(chǎn)生剪切應(yīng)力集中的區(qū)域，為最容易發(fā)生失效的位置。

通過Abaqus有限元仿真軟件，對不同壓縮率情況下水液壓錐面密封結(jié)構(gòu)中O形圈受到不同密封壓力時的表面接觸應(yīng)力分布狀況進(jìn)行分析，通過統(tǒng)計，得到O形圈在不同的密封壓力、不同壓縮率下，工作面所受到的最大接觸壓力如表1所示。從表中可以看出，密封圈在工作時，其表面最大接觸壓力始終大于其工作時所受的密封壓力，能夠保證結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能。當(dāng)密封圈預(yù)壓縮率為15%時，在滿足良好的錐面密封性能的同時，密封圈所受應(yīng)力相對較小，針對課題組研發(fā)的水液壓控制閥(額定工作壓力14 MPa，最高工作壓力不大于16 MPa)，其錐面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用15%的預(yù)壓縮率能夠達(dá)到優(yōu)良的密封效果。

表1 工作壓力與預(yù)壓縮率對最大接觸壓力的影響

圖8為不同密封壓力與預(yù)壓縮率下，O形圈所受應(yīng)力圖。從圖中可以看出，當(dāng)密封壓力一定時，O形圈預(yù)壓縮率s與所受到的Mises應(yīng)力變化關(guān)系：隨著s的增大，水液壓閥口密封結(jié)構(gòu)中密封圈所受Mises應(yīng)力也隨之增大；當(dāng)s一定時，密封圈所受應(yīng)力隨著液體壓力的增大而增大，當(dāng)從關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)密封壓力一定時，預(yù)壓縮率s影響結(jié)構(gòu)密封效果，設(shè)計時應(yīng)考慮密封圈采用合適的預(yù)壓縮率。

圖8 密封壓力與預(yù)壓縮率對Mises應(yīng)力的影響

3.3 密封槽口半徑r對密封圈的使用壽命影響

將密封槽口加工成不同半徑的圓弧倒角時，閥口在受到15 MPa介質(zhì)壓力時，密封圈所受Mises應(yīng)力分布情況如圖9所示。與密封槽口無圓角結(jié)構(gòu)時密封圈所受Mises應(yīng)力分布情況相比，密封槽口加工圓角結(jié)構(gòu)后密封圈所受最大Mises應(yīng)力減??；隨著密封槽口圓角半徑的增大，密封圈所受最大Mises應(yīng)力先增大后減小，當(dāng)溢流閥錐面密封槽口圓角半徑r為0.6 mm時，密封圈所受Mises應(yīng)力最小，由此可知，在該溢流閥錐面密封結(jié)構(gòu)中，對密封槽加工適當(dāng)大小的圓角有利于提高水壓閥口的密封性及密封圈使用壽命。

圖9 槽口結(jié)構(gòu)對應(yīng)力的影響

3.4 密封圈表面接觸壓力分布情況

圖10為預(yù)壓縮率為15%，密封介質(zhì)壓力為16 MPa時密封圈的表面接觸壓力分布情況，由仿真分析云圖可以看出，密封面共分為內(nèi)外接觸面以及兩側(cè)壁接觸面4處，主要密封面為密封圈內(nèi)外接觸表面，且內(nèi)側(cè)密封面最大接觸壓力大于外側(cè)密封面最大接觸壓力，故保證錐結(jié)構(gòu)的良好密封性能的前提是要滿足密封圈外側(cè)密封面接觸壓力始終大于密封介質(zhì)壓力。

圖10 密封圈表面接觸應(yīng)力分布云圖

圖11a、圖11b分別為在15%預(yù)壓縮率的狀態(tài)下受到16 MPa密封壓力時密封圈外側(cè)和內(nèi)側(cè)接觸面最大Mises應(yīng)力分布曲線。從圖中可以看出，密封圈內(nèi)側(cè)接觸面應(yīng)力分布在接觸面寬度上較為均勻，而在外側(cè)接觸表面，其所受應(yīng)力分布出現(xiàn)波動，主要是由于外側(cè)擠出部分(該區(qū)域水壓閥密封槽口對密封圈發(fā)生剪切作用)的Mises應(yīng)力較大，除了擠出區(qū)域所受Mises應(yīng)力較大，密封圈內(nèi)側(cè)接觸表面的Mises應(yīng)力值平均高于外側(cè)接觸應(yīng)力，且最大接觸壓力始終大于密封壓力。由此可以看出，該密封結(jié)構(gòu)能夠為水液壓提升閥錐面密封閥口提供良好的密封性。

圖11 O形密封圈接觸面最大Mises應(yīng)力分布

4 結(jié)論

(1) 為驗證提出的水液壓錐面軟密封結(jié)構(gòu)的密封有效性，通過Abaqus搭建O形圈錐面密封模型并進(jìn)行了有限元分析，得出不同預(yù)壓縮率、不同密封壓力下O形圈在水液壓提升閥錐面密封結(jié)構(gòu)中所受Mises應(yīng)力分布情況及工作面所受接觸應(yīng)力在接觸面寬度上的分布規(guī)律，為后續(xù)計算滿足水液壓提升閥錐面密封效果所需的閥芯彈簧壓縮力、閥芯彈簧參數(shù)選取等提供理論依據(jù)；

(2) 通過仿真分析錐面密封槽口圓角半徑對O形圈所受應(yīng)力分布及壽命影響，得出將水液壓閥錐面密封槽口加工成合適大小的圓角形狀可明顯降低密封圈發(fā)生擠出現(xiàn)象時密封槽口對密封圈的剪切破壞，從而提高密封圈的使用壽命及水液壓閥錐面密封性能，提出了錐面密封密封槽口結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，為水液壓提升閥錐面軟密封密封槽口的設(shè)計提供參考；

(3) 相對于平面密封，水液壓錐面密封結(jié)構(gòu)在受到密封壓力后，密封圈更容易發(fā)生滑移現(xiàn)象，因此在設(shè)計液壓閥錐面結(jié)構(gòu)時，應(yīng)選用內(nèi)徑略小于密封槽最小直徑的密封圈，并對其加以合適的預(yù)壓縮率可保證閥口打開時密封圈不發(fā)生松動從而避免發(fā)生節(jié)流孔阻塞現(xiàn)象。