兩種密封結(jié)構(gòu)橡膠密封圈密封性對比分析*

雷 剛 趙 春 樊 偉 彭 帆 陳志豪

(1.重慶理工大學(xué)汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室 重慶 400054；2.浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江寧波 315336)

機械密封以其壽命長、運行穩(wěn)定、性能參數(shù)高、密封可靠等突出特點而被廣泛應(yīng)用于石化、制藥、航天等領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備中。隨著機械密封向高速、高溫、高壓及大直徑的方向發(fā)展，對機械密封的設(shè)計提出了更高的要求[1-2]。橡膠密封圈因具有良好的密封性、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便及成本低等特點，在機械行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，是機械密封中重要的組成部分[3-5]。

目前，國內(nèi)很多學(xué)者對影響橡膠密封圈密封性能的因素進行了研究。王財生[6]研究了O形密封圈的預(yù)壓縮率、介質(zhì)壓力及凹槽寬度對密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)密封性能隨著預(yù)壓縮率和介質(zhì)壓力的增大、凹槽寬度的減小而提高，但這些參數(shù)都需要控制在一定范圍內(nèi)。秦亞軍、胡殿印等[7-8]分析了密封結(jié)構(gòu)參數(shù)、介質(zhì)壓力及工作溫度對橡膠O形圈密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨工作溫度的升高，O形圈的密封性能呈變差的趨勢。關(guān)文錦等[9]研究了預(yù)壓縮率和介質(zhì)壓力對O形圈密封性能的影響，結(jié)果表明，O形圈和密封槽轉(zhuǎn)角接觸部位容易失效；接觸應(yīng)力呈拋物線分布，接觸應(yīng)力、接觸長度隨著預(yù)壓縮率、介質(zhì)壓力增大而增大。張婧和金圭[10]研究了O形圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其接觸壓力的影響，并用統(tǒng)計分析方法得到接觸壓力與O形圈的截面尺寸、內(nèi)徑、壓縮率及硬度關(guān)系的回歸方程 。

在機械密封中，橡膠密封圈的使用環(huán)境溫度會發(fā)生變化，便會導(dǎo)致密封圈的密封性能因應(yīng)力變化而受影響，嚴(yán)重時可能還會造成泄漏現(xiàn)象，密封作用失效，從而使機械設(shè)備不能正常使用[11]。某發(fā)動機出水口處密封結(jié)構(gòu)中的橡膠密封圈采用了四孔螺栓裝配結(jié)構(gòu)，本文作者利用有限元分析軟件ABAQUS，分析溫度對該結(jié)構(gòu)中橡膠密封圈密封性的影響，并與三孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)中橡膠密封圈的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)進行比較，對發(fā)動機輔助密封的優(yōu)化設(shè)計和進一步提高機械密封性能有著重要意義。

1 計算模型的建立

1.1 橡膠密封圈密封結(jié)構(gòu)

在對發(fā)動機出水口處橡膠密封圈進行有限元分析時，考慮到其邊界條件的復(fù)雜性，將密封圈和密封結(jié)構(gòu)的蓋板、槽體作為整體分析。一般情況下，根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的幾何模型、邊界條件的特點，將密封圈的裝配模型簡化成平面軸對稱模型或平面應(yīng)變模型來研究其密封性能[12-14]。文中分別探討了蓋板可變形性和不可變形性對密封圈的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)的影響，為了能反映出復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)，并完整地分析密封圈的密封性能，利用ABAQUS軟件分別建立了三孔、四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下橡膠密封圈的三維幾何模型及其裝配模型，如圖1、圖2所示。

圖1 三孔結(jié)構(gòu)橡膠密封圈的幾何模型及裝配模型Fig 1 Geometric model and assembly model of the rubbersealing ring with three-hole structure

圖2 四孔結(jié)構(gòu)橡膠密封圈的幾何模型及裝配模型Fig 2 Geometric model and assembly model of the rubbersealing ring with four-hole structure

1.2 有限元模型的建立

橡膠類非線性材料，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系需要使用應(yīng)變能函數(shù)描述，而應(yīng)變能函數(shù)本構(gòu)模型的選擇根據(jù)模型的材料和變形程度綜合考慮[15]。文中研究對象橡膠密封圈存在大變形的接觸問題，為了提高有限元計算精度，采用了Ogden本構(gòu)模型作為應(yīng)變能函數(shù)[16]。研究的橡膠密封圈材料的Ogden本構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。2種結(jié)構(gòu)橡膠密封圈使用的材料一致，各部件材料性能參數(shù)如表2所示。

表1 橡膠材料Ogden本構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of Ogden constitutive model of rubber material

表2 各部件材料性能參數(shù)Table 2 Material performance parameters of each component

密封圈分析包括其安裝過程和工作過程，其中安裝過程包括密封圈壓縮和螺栓預(yù)緊板蓋及槽體結(jié)構(gòu)，工作過程包括安裝好的密封圈隨溫度的變化過程。根據(jù)密封圈的安裝及工作過程，將密封圈有限元分析分為兩步。首先，利用ABAQUS/Standard隱式算法對密封圈結(jié)構(gòu)進行分析，將螺栓預(yù)緊力施加在結(jié)構(gòu)上，提取螺栓孔位置處蓋板與槽體的相對變形量，作為密封圈顯式分析壓入行程輸入；然后，利用ABAQUS/Explicit顯式算法分析橡膠密封圈在被壓入槽體內(nèi)后在不同溫度下的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)。

建立螺栓預(yù)緊力分析有限元模型，蓋板和槽體都采用四面體單元；蓋板與槽體建立面面接觸,槽體上表面為接觸面，蓋板下表面為目標(biāo)面，摩擦因數(shù)為0.1；給槽體底面施加固定約束，將蓋板x、y平動方向約束；螺栓型號為M6*P1.0,用帶預(yù)緊力的梁單元模擬。為了更好地模擬真實情況，把梁單元分成了三段，在中間一段加預(yù)緊力，預(yù)緊力為6 667 N。蓋板可變形時，將其設(shè)置為變形體，不可變形時，設(shè)置為剛體，其他設(shè)置相同。三孔、四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下橡膠密封圈預(yù)緊力有限元模型如圖3、圖4所示。

圖3 三孔結(jié)構(gòu)橡膠密封圈預(yù)緊力有限元模型Fig 3 Finite element model of pre-tightening force of therubber sealing ring with three-hole structure

圖4 四孔結(jié)構(gòu)橡膠密封圈預(yù)緊力有限元模型Fig 4 Finite element model of pre-tightening force of therubber sealing ring with four-hole structure

顯式分析是密封圈壓入槽體過程以及溫度變化過程，橡膠密封圈、槽體采用四面體實體單元，劃分結(jié)果如圖5、圖6所示。在密封圈表面與槽體內(nèi)表面、蓋板下表面與密封圈上表面以及蓋板下表面與槽體上表面建立接觸對；給槽體底面施加固定約束，蓋板施加豎直向下的位移約束；在預(yù)定義場中設(shè)置橡膠密封圈的初始溫度工況，并在后續(xù)分析步中將溫度減少或增加到預(yù)期設(shè)定值。

圖5 三孔密封結(jié)構(gòu)顯式分析有限元模型Fig 5 Explicit analysis finite element model ofthree-hole sealing structure

圖6 四孔密封結(jié)構(gòu)顯式分析有限元模型Fig 6 Explicit analysis finite element model offour-hole sealing structure

2 計算結(jié)果與分析

2.1 三孔結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

2.1.1 螺栓預(yù)緊工況

三孔結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊工況，考慮了蓋板的變形性和不可變形性對螺栓孔位置處蓋板與槽體的相對變形量的影響。蓋板為變形體時，變形量為0.024 0 mm，如圖7(a)所示；蓋板為剛體時，變形量為0.015 7 mm，如圖7(b)所示。

圖7 三孔結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊工況變形量Fig 7 Deformation of three-hole structural bolt pre-tighteningcondition(a)the cover plate is a deformable body;(b)the cover plate is a rigid body

2.1.2 溫度工況

三孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈性能分析的溫度工況分為3種情況，工況一溫度為23 ℃，該工況下壓縮橡膠密封圈至蓋板與槽體貼合；工況二溫度由23 ℃下降到-40 ℃；工況三溫度由-40 ℃上升到150 ℃?？紤]到每個工況需要描述的結(jié)果云圖很多，且每個工況結(jié)果云圖相似，文中只列出工況一的結(jié)果云圖，其余工況用表格列出分析結(jié)果。

三孔結(jié)構(gòu)在工況一下，蓋板為剛體時的von Mises應(yīng)力峰值為7.29 MPa，出現(xiàn)在加強筋處，如圖8所示；最大真實應(yīng)變?yōu)?.281，主要集中于密封圈上、下表面接觸區(qū)域，如圖9所示；橡膠密封圈上表面的最大接觸應(yīng)力為9.34 MPa，上表面的接觸寬度為1.77 mm，接觸區(qū)域連續(xù)均勻，如圖10和圖11所示。三孔結(jié)構(gòu)各工況有限元分析結(jié)果如表3所示。

圖8 23 ℃下三孔結(jié)構(gòu)密封圈的von Mises應(yīng)力云圖 圖9 23 ℃下三孔結(jié)構(gòu)密封圈的應(yīng)變云圖Fig 8 Von Mises stress nephogram of sealing ring Fig 9 Strain nephogram of sealing ring withwith three-hole structure at 23 ℃ three-hole structure at 23 ℃

圖10 23 ℃下三孔結(jié)構(gòu)密封圈上表面的接觸應(yīng)力云圖 圖11 23 ℃下三孔結(jié)構(gòu)密封圈上表面的接觸寬度Fig 10 Contact stress nephogram of the upper surface of Fig 11 Contact width of the upper surface of sealingsealing ring with three-hole structure at 23 ℃ ring with three-hole structure at 23 ℃

表3 三孔結(jié)構(gòu)密封圈各工況下有限元分析結(jié)果Table 3 Finite element analysis results of sealing ring with three-hole structure at different working conditions

由表3可以看出，溫度的變化對橡膠密封圈的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)都有一定的影響。隨著溫度的升高，橡膠密封圈受到的von Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力、最大真實應(yīng)變及接觸寬度均逐漸增大。在同一工況下，蓋板的剛度不同，橡膠密封圈的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)也有所差異。同時可看出，蓋板為剛體和為變形體2種情況下的有限元分析結(jié)果相差不大，在10%以內(nèi)，可認(rèn)為在誤差允許范圍內(nèi)。因此，在對三孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下的密封圈進行有限元分析時，可以不考慮蓋板的變形性，直接視為剛體。

2.2 四孔結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

2.2.1 螺栓預(yù)緊工況

四孔結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊工況同三孔結(jié)構(gòu)一樣，考慮了蓋板的變形性和不可變形性對螺栓孔位置處蓋板與槽體的相對變形量的影響。蓋板為變形體時，變形量為0.025 3 mm，如圖12(a)所示；蓋板為剛體時，變形量為0.017 9 mm，如圖12(b)所示。

圖12 四孔結(jié)構(gòu)螺栓預(yù)緊工況變形量Fig 12 Deformation of four-hole structural bolt pre-tighteningcondition (a)the cover plate is a deformable body;(b)the cover plate is a rigid body

2.2.2 溫度工況

四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈性能分析的溫度工況與三孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下相同。在工況一下，蓋板為剛體時，von Mises應(yīng)力峰值為7.98 MPa，出現(xiàn)在加強筋處，如圖13所示；最大真實應(yīng)變?yōu)?.299，主要集中于密封圈上、下表面接觸區(qū)域，如圖14所示；橡膠密封圈上表面的最大接觸應(yīng)力分別為10.8 MPa，上表面的接觸寬度為1.89 mm，接觸區(qū)域連續(xù)均勻，如圖15和圖16所示。四孔結(jié)構(gòu)各工況有限元分析結(jié)果如表4所示。

圖13 23 ℃下四孔結(jié)構(gòu)密封圈的von Mises應(yīng)力云圖Fig 13 Von Mises stress nephogram of sealing ringwith four-hole structure at 23 ℃

圖14 23 ℃下四孔結(jié)構(gòu)密封圈的應(yīng)變云圖Fig 14 Strain nephogram of sealing ring withfour-hole structure at 23 ℃

圖15 23 ℃下四孔結(jié)構(gòu)密封圈的接觸壓力云圖Fig 15 Contact stress nephogram of sealing ring withfour-hole structure at 23 ℃

圖16 23 ℃下四孔結(jié)構(gòu)密封圈上表面的接觸寬度Fig 16 Contact width of the upper surface of sealingring with four-hole structure at 23 ℃

由表4可以看出。隨著溫度的升高，四孔結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果同三孔結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果變化趨勢一致，橡膠密封圈受到的von Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力、最大真實應(yīng)變及接觸寬度均逐漸增大。在同一工況下，四孔結(jié)構(gòu)在蓋板為剛體和為變形體2種情況下的分析結(jié)果也存在差異，但是誤差小于10%。因此，在誤差允許范圍內(nèi)，四孔結(jié)構(gòu)密封圈進行有限元分析時，也可以不考慮蓋板的變形性，直接視為剛體。

表4 四孔結(jié)構(gòu)密封圈各工況下有限元分析結(jié)果Table 4 Finite element analysis results of sealing ring with four-hole structure at different working conditions

3 對比分析及驗證

只考慮蓋板為剛體，表5中給出了三孔和四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈在各工況下的密封性能及應(yīng)力狀態(tài)。可以看出，2種結(jié)構(gòu)下密封圈在各工況下的密封性能及應(yīng)力狀態(tài)均滿足要求，密封寬度均大于1.5 mm。三、四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈在各工況下的von Mises應(yīng)力和上、下表面的接觸應(yīng)力均較小，能承受常規(guī)的油壓沖擊。在各工況下，四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下橡膠密封圈的von Mises應(yīng)力峰值均比三孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈的von Mises應(yīng)力峰值大，特別是在極限工況-40 ℃時，兩密封圈的應(yīng)力峰值相差了2.84 MPa；同一工況下，三、四孔螺栓緊結(jié)構(gòu)下密封圈上、下表面的接觸應(yīng)力相差不大。在相同的工作溫度下，三孔與四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈的密封性能相差不大。

表5 三、四孔結(jié)構(gòu)密封圈分析結(jié)果對比Table 5 Comparison of analysis results of the sealing rings with three-hole and four-hole structures

從上述分析結(jié)果可知，三孔和四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈在各工況下均滿足密封要求，但三孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)下密封圈的von Mises應(yīng)力峰值均小于四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)，因此采用三孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)在滿足密封性能的前提下可提高密封圈的使用壽命。

為驗證三孔螺栓預(yù)緊密封結(jié)構(gòu)的可靠性，將生產(chǎn)的三孔螺栓密封樣品在發(fā)動機上進行了3種工作溫度下的實驗?zāi)M，實驗過程中未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

4 結(jié)論

利用有限元軟件ABAQUS分析計算了橡膠密封圈在三孔和四孔螺栓裝配結(jié)構(gòu)下橡膠密封圈的應(yīng)變、von Mises應(yīng)力分布及接觸密封表面上的接觸應(yīng)力和接觸寬度，討論了溫度的變化和蓋板的變形性對橡膠密封圈的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)的影響，對比分析了三孔和四孔結(jié)構(gòu)下密封圈在不同工作溫度下的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)論如下：

(1)溫度的變化對橡膠密封圈的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)都有一定的影響，隨著溫度的升高，橡膠密封圈的von Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力、最大真實應(yīng)變及接觸寬度均逐漸增大。

(2)蓋板的變形性對橡膠密封圈的密封性能和應(yīng)力狀態(tài)影響不大，在誤差允許的范圍內(nèi)，可將蓋板視為剛體。

(3)采用三孔和四孔螺栓預(yù)緊結(jié)構(gòu)時密封圈在各工況下均滿足密封要求，但同一工況下，采用三孔結(jié)構(gòu)時密封圈具有更小的von Mises應(yīng)力峰值，因此為提高密封圈的使用壽命，在常規(guī)水壓沖擊下，可以選擇使用三孔螺栓的密封結(jié)構(gòu)。