高壓環(huán)境下彈簧蓄能密封件密封特性分析

趙 勇 俞經(jīng)虎 黃 樂

(1.江南大學機械工程學院 江蘇無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室 江蘇無錫 214122；3.廣州機械科學研究院有限公司 廣東廣州 510535)

彈簧蓄能密封具有良好的密封效果，廣泛應用于航空航天等高精尖領(lǐng)域。彈簧蓄能密封又稱泛塞封，由夾套及蓄能彈簧組合成而成。彈簧蓄能密封在使用過程為過盈配合，由于蓄能彈簧良好的回彈特性，能有效地補充在使用過程中因磨損等因素引起的間隙、偏心等問題，可維持良好的密封性能。

彈簧蓄能密封根據(jù)不同結(jié)構(gòu)有O形彈簧彈簧蓄能密封、V形彈簧彈簧蓄能密封等。賈曉紅、李坤[1-2]針對O形彈簧彈簧蓄能密封提供了一種可行的二維軸對稱有限元仿真模型，為彈簧系統(tǒng)的仿真提供了一種有效的方法，并在該方法的基礎(chǔ)上，證明彈簧蓄能密封有很好的自密封特性。高涵宇、丁大江等[3-4]利用有限元仿真軟件研究了蓄能彈簧彈簧蓄能密封的密封特性，分析各參數(shù)對接觸壓力的影響。李小芬、HUANG等[5-6]驗證了彈簧蓄能密封在超低溫環(huán)境下與超高循環(huán)下仍具有良好的密封性能。李國一、李亦健等[7-8]通過研究PTFE材料的DMA曲線，證明了該復合材料適合在高低溫下使用。LIU等[9]分析了彈簧蓄能密封在使用過程中的Mises應力變化及影響因素。

綜上，彈簧蓄能密封在高溫和超低溫環(huán)境下均具有良好的密封效果，但對其在高壓環(huán)境下的性能研究較少。為研究彈簧蓄能密封在不同油壓下的密封特性，提高彈簧蓄能密封在高壓環(huán)境下的密封性能，本文作者針對V形彈簧彈簧蓄能密封，搭建等效二維軸對稱仿真模型，研究在高壓環(huán)境下彈簧蓄能密封的蓄能彈簧、在裝配中的過盈量、唇口角度對其性能的影響，同時分析彈簧蓄能密封在不同壓力下的性能。

1 二維軸對稱有限元模型

1.1 三維蓄能彈簧力學分析

如圖1所示 ，在V形彈簧彈簧蓄能密封系統(tǒng)中，活塞桿、密封槽及彈簧蓄能密封夾套的結(jié)構(gòu)呈軸對稱分布，且受力分布均勻，因此彈簧蓄能密封的密封結(jié)構(gòu)屬于軸對稱問題[10-11]。鑒于有限元仿真分析彈簧蓄能密封三維結(jié)構(gòu)模型計算量大，故文中選擇建立等效二維軸對稱模型。彈簧蓄能密封內(nèi)置彈簧(圖1)不具有對稱性，對其力學特性進行分析。

圖1 彈簧蓄能密封結(jié)構(gòu)

彈簧是通過沖壓薄金屬條并將其形成V形輪廓來制造的，它是由許多單個懸臂彈簧片組成(見圖1)，有小間隙隔開，彈簧的幾何結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)陣列分布。根據(jù)彈簧在密封系統(tǒng)中的受力方式，采用2個剛性板進行模擬壓縮(如圖1(d)所示)，板與彈簧接觸的摩擦因數(shù)為0.1，板A為固定支撐，板B施加一個方向垂直于板A、大小為0.4 mm的位移。彈簧材料參數(shù)如表1所示。

表1 V形彈簧材料參數(shù)

為設計出等效的二維彈簧軸對稱模型，選取片數(shù)為5、10、15、20的懸臂彈簧片進行應力應變分析。利用ANSYS有限元仿真分析，將仿真結(jié)果轉(zhuǎn)化為單片懸臂彈簧受力結(jié)果，如表2所示。

表2 彈簧片數(shù)對壓縮數(shù)據(jù)的影響

由表2可以得出，不同周期數(shù)的懸臂彈簧片的撓度-力曲線變化趨勢相同，當彈簧片數(shù)超過15片時，撓度-力曲線的斜率趨于6.05。因此選取斜率值為6.05作為建立等效二維彈簧的參考。

1.2 二維等效彈簧模型

等效彈簧的建立需要滿足以下條件：幾何上具有軸對稱結(jié)構(gòu)，與原彈簧具有相同的材料屬性、徑向壓縮力學特性及裝配關(guān)系不變[1]。

與原彈簧具有等厚度的截面，其撓度-力曲線與20周期懸臂彈簧比較如圖2所示。

圖2 等效彈簧受力分析

由圖2可知，等截面彈簧與三維彈簧的受力分析結(jié)果差距較大，因此不適合作為文中二維軸對稱模型。為了更好地等效彈簧的受力情況，文中提出了變截面的V形彈簧設計(見圖3)，通過不斷修改彈簧底部內(nèi)徑的大小，最后確定當內(nèi)徑R為0.705 mm時，其撓度-力曲線斜率與6.05相差小于1%。變截面V形彈簧的撓度-力變化曲線如圖2所示，表明設計的變截面彈簧模型滿足等效彈簧建立的條件。

圖3 變截面彈簧

1.3 彈簧蓄能密封仿真模型

在有限元軟件中建立了密封件、缸體、傳動軸的二維軸對稱有限元模型，如圖4所示。為了便于研究，數(shù)值模擬的基本假設如下：

圖4 二維軸對稱模型

(1)將密封結(jié)構(gòu)視為理想的結(jié)構(gòu)體；

(2)彈簧材料具有一定的彈性模量和泊松比(見表1)；

(3)忽略溫度、蠕變對密封材料的影響。

在有限元分析中，目標面為溝槽和傳動軸，接觸面為密封件表面，壓力施加在彈簧蓄能密封上方(圖4中加粗位置)。接觸為摩擦接觸(摩擦因數(shù)為0.1)，接觸算法采用增廣拉格朗日算法。其中密封槽和傳動軸的材料為結(jié)構(gòu)鋼，密封件夾套的材料為聚四氟乙烯，其彈性模量為673 MPa，泊松比為0.45。

2 彈簧蓄能密封性能分析

彈簧蓄能密封與活塞桿之間的間隙被液壓油填充，其流動特性可用準一維雷諾流動方程表示[12]。通過該方程可以求出間隙的油膜厚度，并進一步求出彈簧蓄能密封的泄漏量[13-14]，其表達式如下：

(1)

因此當式(1)中括號內(nèi)的值為正值時，表示出現(xiàn)了泄漏；當V為0或負值時，表示出現(xiàn)零泄漏甚至為負泄漏。由此可以推斷出為了保持良好的密封條件，應提升ωA的值和降低ωE的值，即提升油壓側(cè)接觸壓力變化幅度與降低空氣側(cè)的接觸壓力變化幅度。

2.1 過盈量對密封特性的影響

過盈量是指彈簧蓄能密封在配合過程中受到擠壓的量。過盈量過小，唇口與軸之間接觸壓力過小，密封性能較差；過盈量過大，會加劇彈簧蓄能密封在往復運動中的磨損，同時增加安裝難度[15]。為研究不同過盈量下密封件的密封性能，仿真分析彈簧蓄能密封在高壓環(huán)境下的接觸寬度和峰值接觸壓力，以30 MPa的油壓為例，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同過盈量下的接觸寬度和峰值接觸壓力

從圖5可以看出，在高壓環(huán)境下，過盈量對接觸寬度的影響較?。环逯到佑|壓力隨著過盈量的增加呈現(xiàn)先減小后逐漸增加的趨勢，在過盈量為0.3 mm峰值接觸壓力最小。在0.1～0.6 mm的過盈量變化下，峰值接觸壓力均大于油壓，滿足密封條件。

圖6示出了不同過盈量下接觸壓力隨接觸寬度的變化?？芍?，唇口處的接觸壓力隨著過盈量的增加逐漸減少；當過盈量小于0.3 mm時，最大接觸壓力發(fā)生唇尖處，接觸壓力隨著接觸寬度的增加呈現(xiàn)先減小后增大再逐漸降低的趨勢；當過盈量為0.3 mm時，接觸壓力隨著接觸寬度的增加逐漸減小；當過盈量大于0.3 mm時，隨著接觸寬度的增加，接觸壓力先增大然后逐漸降低為0，峰值接觸壓力發(fā)生在接觸寬度為0.675 mm處。該現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為在高壓環(huán)境下，當過盈量過大時，由于彈簧的存在，阻礙夾套的壓縮變形，彈簧與夾套接觸區(qū)域處的接觸應力較大。圖7所示的唇口處的應力云圖可以證明該觀點的正確性。

圖6 不同過盈量下接觸壓力隨接觸寬度的變化

圖7 過盈量為0.6 mm唇口應力云圖

在油壓為30 MPa的環(huán)境下，彈簧蓄能密封的唇口峰值接觸應力值均大于油壓，滿足密封條件。但接觸壓力較大時，會增加彈簧蓄能密封唇口處的摩擦磨損和安裝難度。當過盈量為0.3 mm時，峰值接觸壓力較小且滿足密封性能的要求，因此該過盈量較適用于文中所研究的彈簧蓄能密封。

為了驗證彈簧對彈簧蓄能密封密封性能的影響，在過盈量為0.3 mm、介質(zhì)壓力為30 MPa的工況下，對比彈簧蓄能密封在裝配彈簧與不裝配彈簧下的性能，結(jié)果如圖8所示。

圖8 彈簧對彈簧蓄能密封接觸壓力的影響

由圖8可知，在高壓環(huán)境下，無論是否裝配彈簧，最大接觸寬度均為1.55 mm，因此可以推斷出彈簧對最大接觸寬度的影響很?。辉谘b配彈簧情況下的峰值接觸壓力大于無彈簧下的峰值接觸壓力，這是由于彈簧對0.3 mm過盈量的壓縮有一定的抑制作用，從而增加峰值接觸壓力。同時由圖8可以發(fā)現(xiàn)，彈簧對接觸壓力在接觸寬度上的分布有著明顯的影響，在有彈簧的情況下，峰值接觸壓力更靠近油壓側(cè)，提高了密封性能。因此彈簧對該型號的彈簧蓄能密封性能有著較為顯著的影響。

2.2 唇口角度對密封特性的影響

密封件結(jié)構(gòu)會影響其性能，為了提高彈簧蓄能密封的密封性能，針對彈簧蓄能密封與活塞桿相接處的唇口展開研究，分析其不同角度下性能變化。通過仿真不同唇口角度α(見圖4)下的彈簧蓄能密封，在0.3 mm過盈量、油壓30 MPa的工況下，得出其峰值接觸壓力與最大接觸寬度隨唇口角度的變化如圖9所示。

圖9 峰值接觸壓力與接觸寬度隨唇口角度的變化

從圖9可看出，彈簧蓄能密封與活塞桿之間的峰值接觸寬度隨著唇口角度的增加逐漸減小，當唇口角度大于40°時，變化幅度增加。這是由于當唇口角度增加時，其唇尖位置靠近彈簧與夾套的接觸位置，彈簧更好地阻礙了彈簧蓄能密封的變形，2.1節(jié)的分析中也證明了該結(jié)論。唇口角度越大，峰值接觸壓力越大，唇口角度大于40°時，峰值接觸壓力變化幅度開始加劇。峰值接觸壓力的變化與接觸寬度變化有關(guān)，當接觸寬度變大時，峰值接觸壓力相應地減小。圖10示出了不同唇口角度下接觸壓力隨接觸寬度的變化。

圖10 不同唇口角度下接觸壓力隨接觸寬度的變化

結(jié)合圖10與式(1)可知，唇口角度越大，彈簧蓄能密封密封性能越好。但由于過大的接觸壓力會增加彈簧蓄能密封的摩擦磨損，降低其使用壽命，故認為當唇口角度α在35°～45°之間時，彈簧蓄能密封能同時保持良好的密封性與壽命。

2.3 油壓對密封特性的影響

當過盈量為0.3 mm、唇口角度為40°時，不同油壓下彈簧蓄能密封接觸壓力隨接觸寬度的變化關(guān)系如圖11所示。

圖11 不同油壓下接觸壓力隨接觸寬度的變化

從圖11可看出，不同油壓下的彈簧蓄能密封峰值接觸壓力都發(fā)生在唇尖處，由于油壓作用在夾套內(nèi)部，隨著油壓的增加，夾套在壓力的作用下與活塞桿的接觸寬度增大，而接觸寬度越大，峰值接觸壓力越小。當油壓為0時，峰值接觸壓力最大，彈簧蓄能密封密封效果最好，但此時由于峰值接觸壓力較高且接觸寬度較低，會增加其接觸面的摩擦磨損，從而降低彈簧蓄能密封的使用壽命。隨油壓逐漸升高，由于接觸寬度逐漸增加，峰值接觸應力逐漸降低。因此，在高壓下峰值接觸壓力較低，能有效地降低接觸面的摩擦磨損；且峰值接觸壓力均大于油壓，滿足密封要求。因此可以推斷出彈簧蓄能密封在高壓環(huán)境下有著優(yōu)異的性能表現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)針對彈簧蓄能密封(內(nèi)置V形彈簧)二維仿真模型的復雜性，根據(jù)其力學特性提出一種變截面彈簧進行等效代替，建立彈簧蓄能密封二維軸對稱仿真模型。

(2)在高壓環(huán)境下，彈簧蓄能密封峰值接觸應力隨著過盈量的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，隨著唇口角度的增加逐漸減小。當過盈量為0.3 mm，唇口角度為35°～45°時，彈簧蓄能密封能同時保持良好的密封性與壽命。

(3)V形彈簧對接觸壓力在接觸寬度上的分布有著明顯的影響，在有彈簧的情況下，峰值接觸壓力更靠近油壓側(cè)，提高了密封性能。

(4)隨油壓升高，彈簧蓄能密封峰值接觸應力降低，在有效降低接觸面摩擦磨損的情況下，仍能滿足密封要求。因此彈簧蓄能密封在高壓環(huán)境下有著優(yōu)異的性能表現(xiàn)。