偏置狀態(tài)對(duì)組合密封性能影響的研究

趙 樂(lè)1， 索雙富1， 張 琦， 張妙恬

(1.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100084；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

引言

近年來(lái)，組合密封以其優(yōu)良性能在工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。與單一密封件不同，組合密封通常由不同結(jié)構(gòu)和性能的密封件組合而成，因此影響其密封性能因素較多，成為密封研究的熱點(diǎn)[5-7]。

王成剛等[8]利用有限元分析軟件建立了格萊圈有限元分析模型，并對(duì)其在不同壓縮率、壓力時(shí)密封面接觸壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析，確定格萊圈易失效位置。韓傳軍等[9]采用有限元方法建立齒形滑環(huán)密封模型，分析初始?jí)嚎s率、介質(zhì)壓力和滑環(huán)齒厚對(duì)齒形滑環(huán)密封圈密封性能的影響。易攀等[10]研究了深海高壓環(huán)境下不同材料硬度對(duì)組合密封結(jié)構(gòu)性能的影響， 總結(jié)了O形密封圈在不同材料硬度條件下的幾何變形情況以及主接觸面最大接觸應(yīng)力與von Mises應(yīng)力的分布規(guī)律。楊忠炯等[11]針對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)破巖掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的強(qiáng)振動(dòng)狀態(tài)對(duì)格萊圈密封性能的影響進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明基礎(chǔ)振動(dòng)頻率和幅值都會(huì)使密封間隙發(fā)生變化，從而對(duì)密封性能產(chǎn)生影響。

由于零件加工及裝配時(shí)難以保證與設(shè)計(jì)參數(shù)完全一致，零件磨損后也導(dǎo)致接觸狀態(tài)發(fā)現(xiàn)變化，因此組合密封圈在使用中常常會(huì)處于偏置狀態(tài)。目前關(guān)于偏置狀態(tài)對(duì)組合密封性能影響的研究較少。商宏鐘[12]針對(duì)紅外光電探測(cè)器由高壓氣體旋轉(zhuǎn)密封導(dǎo)致的泄漏問(wèn)題，對(duì)組合密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，指出當(dāng)轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)中心不同軸時(shí)會(huì)加速密封的失效，但對(duì)偏置狀態(tài)未做分析研究。

本研究利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)于組合密封在偏置狀態(tài)下的密封性能進(jìn)行了仿真研究，基于仿真結(jié)果對(duì)旋轉(zhuǎn)組合密封使用與維護(hù)提出建議，為密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供一定的參考。

1 問(wèn)題的提出

旋轉(zhuǎn)組合密封通常由橡膠彈性體O形圈和改性聚四氟乙烯(PTFE)方圈組成，如圖1所示。其密封機(jī)理是利用O形圈的預(yù)緊力使方圈貼緊密封面，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)，方圈將承受更大作用力從而達(dá)到高壓下的密封效果[13]。

圖1 旋轉(zhuǎn)組合密封結(jié)構(gòu)示意圖

與唇形密封、O形圈等旋轉(zhuǎn)密封相比，組合密封接觸面大，承壓能力高。但高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)不僅方圈易發(fā)生磨損，由于組合密封圈與回轉(zhuǎn)軸接觸位置固定，且方圈材料硬度相對(duì)較高，回轉(zhuǎn)軸表面往往也容易出現(xiàn)磨損，進(jìn)而影響密封面接觸狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 回轉(zhuǎn)軸表面磨損狀態(tài)

仿真主要對(duì)回轉(zhuǎn)軸表面與方圈的接觸狀態(tài)進(jìn)行研究。為簡(jiǎn)化分析模型，假定密封圈及安裝溝槽無(wú)偏斜，由裝配誤差、磨損等產(chǎn)生的偏斜均使回轉(zhuǎn)軸接觸表面處于偏置狀態(tài)。

2 有限元建模與仿真

2.1 有限元建模

模型幾何特征參照特瑞堡外軸用格萊圈，具體型號(hào)為TG320100，工作壓力范圍0～20 MPa。方圈內(nèi)徑100 mm，接觸面寬度3.93 mm，O形圈直徑3.53 mm，溝槽寬度4.2 mm，密封初始間隙0.81 mm。采用軸對(duì)稱模型對(duì)組合密封圈進(jìn)行幾何建模，如圖3所示。以回轉(zhuǎn)軸參考點(diǎn)為中心，垂直狀態(tài)時(shí)偏置角A為0，角度變化以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎颉０瓷鲜銎锰卣鬟M(jìn)行建模，將回轉(zhuǎn)軸接觸面設(shè)置為不同偏置狀態(tài)進(jìn)行仿真。

圖3 旋轉(zhuǎn)組合密封軸對(duì)稱幾何模型

方圈彈性模量200 MPa，受壓時(shí)其變形量遠(yuǎn)小于O形圈，采用線性模型進(jìn)行分析。O形圈選用丁腈橡膠，建模時(shí)采用超彈性Mooney-Rivlin本構(gòu)模型描述，參照文獻(xiàn)[9]設(shè)定參數(shù)C1為1.87，C2為0.47。在單元類型選擇上，方圈采用CAX4R單元，O形圈采用CAX4RH單元，以模擬橡膠材料大變形、非線性特征。回轉(zhuǎn)軸與溝槽選用45號(hào)鋼，材料彈性模量遠(yuǎn)大于密封圈材料，采用剛體結(jié)構(gòu)建模，并將溝槽參考點(diǎn)固定作為初始邊界條件。

旋轉(zhuǎn)組合密封模型各接觸面均采用罰函數(shù)法定義的面-面接觸類型。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)共定義4對(duì)相互作用面，其中回轉(zhuǎn)軸與方圈接觸對(duì)摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，方圈與O形圈接觸對(duì)摩擦系數(shù)設(shè)定為0.6，方圈與溝槽接觸對(duì)摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，O形圈與溝槽的接觸對(duì)摩擦系數(shù)設(shè)定為0.6。通過(guò)ABAQUS流體滲透功能自動(dòng)確定密封面接觸和分離的臨界點(diǎn)，使計(jì)算結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。本例中對(duì)旋轉(zhuǎn)組合密封圈共設(shè)置3個(gè)壓力滲透面，分別為軸-方圈(壓力滲透面I)，方圈-O形圈(壓力滲透面II)，溝槽-O形圈(壓力滲透面III)，如圖4所示。

圖4 流體壓力滲透面

2.2 分析計(jì)算步驟

分析計(jì)算主要分為2個(gè)過(guò)程進(jìn)行。首先模擬組合密封圈的初始過(guò)盈安裝。按照密封手冊(cè)要求，在高壓下工作，密封間隙不應(yīng)大于0.2 mm，設(shè)定過(guò)盈安裝間隙0.17 mm。仿真中主要通過(guò)前2個(gè)載荷步實(shí)現(xiàn)：在第1個(gè)載荷步中，回轉(zhuǎn)軸向右移動(dòng)0.04 mm，使密封結(jié)構(gòu)中各接觸關(guān)系平穩(wěn)建立起來(lái)；在第2個(gè)載荷步中，回轉(zhuǎn)軸繼續(xù)向右移動(dòng)0.6 mm，完成組合密封圈的初始過(guò)盈裝配；最后在第3個(gè)載荷步中施加流體壓力載荷，完成流體加載過(guò)程。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同偏置狀態(tài)下的應(yīng)力分布

應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料疲勞失效的重要原因。通過(guò)仿真分析組合密封圈高應(yīng)力區(qū)域，可預(yù)測(cè)易失效部位，為密封設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

設(shè)定流體壓力為20 MPa，密封間隙為0.17 mm，分別模擬密封接觸面在正向1°, 2°, 3°，以及負(fù)向-1°, -2°, -3°等不同偏置角度下進(jìn)行仿真計(jì)算。組合密封圈在不同偏置狀態(tài)下的von Mises應(yīng)力分布如圖5所示。

從仿真結(jié)果看，偏置狀態(tài)下組合密封圈高應(yīng)力分布區(qū)域基本一致，最大von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)在方圈底部近空氣側(cè)。在正向偏置狀態(tài)下，隨著偏置角度的增加，最大von Mises應(yīng)力均有不同程度的增大，且近空氣側(cè)應(yīng)力集中更加明顯。同時(shí)方圈與回轉(zhuǎn)軸在流體側(cè)的接觸面出現(xiàn)分離趨勢(shì)。在負(fù)向偏置狀態(tài)下，隨著偏置角度的增加，最大von Mises應(yīng)力也相應(yīng)增大，但增大量小于正向偏置狀態(tài)，且空氣側(cè)應(yīng)力集中狀況有所減少。

圖5 不同偏置狀態(tài)下組合密封圈von Mises應(yīng)力云圖對(duì)比

圖6所示為O形圈在不同偏置狀態(tài)下的von Mises應(yīng)力分布。從仿真結(jié)果看，O形圈應(yīng)力集中區(qū)域均出現(xiàn)在各接觸面上。在正向偏置狀態(tài)下，隨著偏置角度的增加，最大von Mises應(yīng)力值有所增加。在負(fù)向偏置狀態(tài)下，最大von Mises應(yīng)力值隨偏置角度增加而有所減小。

圖7所示為流體加載后，組合密封圈在不同偏置狀態(tài)下的最大von Mises應(yīng)力值對(duì)比圖。綜合上述仿真結(jié)果，在偏置狀態(tài)下，密封圈最大應(yīng)力值都出現(xiàn)一定程度的增加，容易引起密封圈的疲勞損壞。正向偏置使密封圈應(yīng)力增加幅度更大，而負(fù)向偏置應(yīng)力增幅相對(duì)較小。相比方圈，O形圈應(yīng)力分布受偏置狀態(tài)影響較小。

3.2 密封面接觸壓力分析

流體加載后將作用于密封接觸面，密封圈接觸面壓力大小是實(shí)現(xiàn)密封的關(guān)鍵因素。組合密封有多對(duì)密封接觸面，其中方圈與回轉(zhuǎn)軸為動(dòng)密封接觸面，材料性能差異大，因此選擇此接觸面進(jìn)行分析研究。

圖6 不同偏置狀態(tài)下O形圈von Mises應(yīng)力云圖對(duì)比

圖7 偏置狀態(tài)下組合密封圈最大von Mises應(yīng)力值對(duì)比

1) 過(guò)盈安裝

密封圈完成過(guò)盈安裝后，通過(guò)創(chuàng)建路徑方式，提取方圈與回轉(zhuǎn)軸接觸面壓力值。圖8為完成過(guò)盈安裝后不同傾角下密封面接觸壓力曲線。圖中橫坐標(biāo)為方圈與回轉(zhuǎn)軸密封接觸寬度l，坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)應(yīng)密封圈在流體側(cè)與回轉(zhuǎn)軸接觸起點(diǎn)，縱坐標(biāo)為方圈與回轉(zhuǎn)軸密封接觸壓力p。

圖8 過(guò)盈安裝時(shí)方圈與回轉(zhuǎn)軸接觸壓力曲線

由仿真結(jié)果可以看出，在過(guò)盈狀態(tài)下，未偏置時(shí)，接觸壓力曲線沿接觸寬度方向呈雙峰值形態(tài)，峰值分別出現(xiàn)在密封面靠近流體側(cè)和空氣側(cè)，且空氣側(cè)峰值大于流體側(cè)峰值。峰值附近有較大的壓力梯度變化，峰值間壓力分布相對(duì)平緩。此壓力分布可在動(dòng)密封接觸面上形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)域，對(duì)于改善高壓下密封接觸面的潤(rùn)滑狀況十分有利[14]。

在正向偏置狀態(tài)下，隨著偏置角度增大，兩側(cè)壓力峰值呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，流體側(cè)峰值隨偏置角度增大而減小，空氣側(cè)峰值隨偏置角度增大而增大，峰值間壓力也出現(xiàn)一定梯度變化。當(dāng)正向偏置角度達(dá)到3°時(shí)，接觸長(zhǎng)度出現(xiàn)一定的減小，空氣側(cè)接觸壓力出現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)。在負(fù)向偏置狀態(tài)下，方圈與回轉(zhuǎn)軸密封面接觸寬度基本恒定，接觸壓力曲線形態(tài)相似，變化趨勢(shì)具有一致性。當(dāng)偏置角度增大時(shí)，接觸壓力曲線形態(tài)基本保持不變，兩側(cè)壓力峰值也呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，但其變化趨勢(shì)與正向偏置不同。流體側(cè)峰值隨偏置角度增大而增大，空氣側(cè)峰值隨偏置角度增大而減小。

2) 流體加載

流體壓力加載完成后，通過(guò)創(chuàng)建路徑方式，提取方圈與回轉(zhuǎn)軸接觸面壓力值。圖9為流體壓力加載后，不同傾角下密封面接觸壓力曲線。

圖9 流體加載后方圈與回轉(zhuǎn)軸接觸壓力曲線

由仿真結(jié)果可以看出，在流體壓力作用下，密封面各節(jié)點(diǎn)接觸壓力大幅增加，不同偏置狀態(tài)下接觸壓力呈現(xiàn)較大差異。未偏置狀態(tài)下，接觸壓力曲線沿接觸寬度方向呈現(xiàn)單峰值形態(tài)， 峰值出現(xiàn)在密封面靠近空氣側(cè)，峰值附近有較大的壓力梯度變化，流體側(cè)接觸面到峰值間壓力相對(duì)平緩。正向偏置狀態(tài)下，當(dāng)偏置角度增大時(shí)，接觸壓力曲線形態(tài)基本不變，峰值隨偏置角度增大而增大，接觸長(zhǎng)度隨偏置角度增大而減小。負(fù)向偏置狀態(tài)下，當(dāng)偏置角度增大時(shí)，接觸壓力曲線形態(tài)基本保持不變，空氣側(cè)峰值隨偏置角度增大而減小，流體側(cè)接觸壓力出現(xiàn)隨偏置角度增大而增大的趨勢(shì)。

綜合仿真結(jié)果可知，在偏置狀態(tài)下，密封面接觸壓力都有一定的增加，從一定程度上增強(qiáng)了接觸面上的密封能力。但由于方圈與回轉(zhuǎn)軸接觸面為動(dòng)密封面，過(guò)高的接觸壓力會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦損耗，特別是正向偏置狀態(tài)下，容易引起密封圈過(guò)早損壞和回轉(zhuǎn)軸的磨損。

4 結(jié)論

(1) 密封接觸面的偏置狀態(tài)對(duì)組合密封性能影響較大，特別是在高壓下使用時(shí)，不同偏置狀態(tài)下密封性能所受影響有較大差異;

(2) 組合密封圈應(yīng)力分布受偏置狀態(tài)影響較為明顯。偏置狀態(tài)下，方圈最大von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)不同程度的增大，負(fù)向偏置應(yīng)力增幅相對(duì)較小。相比方圈，O形圈應(yīng)力分布受偏置狀態(tài)影響較小。在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可采用適當(dāng)?shù)呢?fù)向偏置，有利于改善組合密封圈應(yīng)力集中作用；

(3) 不同偏置狀態(tài)對(duì)密封面接觸壓力有著不同影響。正向偏置狀態(tài)下，接觸壓力峰值以及接觸寬度受偏置角度影響較大，使用中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)正向偏置。而負(fù)向偏置狀態(tài)下，接觸壓力曲線形態(tài)相似，變化趨勢(shì)相對(duì)一致。