星形圈水下往复动密封分析

2015-04-16，，

液压与气动 2015年8期

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(汕头市贝斯特科技有限公司，广东汕头 515065)

引言

随着海洋开发的深入，各类水下设备应用逐渐广泛，水下密封技术的研究越来越重要[1]。星形橡胶圈是一种挤压型密封元件，因其特殊的截面而更适合于往复动密封场合[2]。与陆地环境相比水下3 km处具有压力高(约30 MPa)、温度低(约2 ℃)等特点[3，4]，对星形圈的密封会产生影响。

目前水下密封相关的研究主要以O形圈为主[3-5]，星形圈的研究比较少且都在陆地环境下[6-8]，韩传军等将星形圈与O形圈的各种应力进行了对比分析并对其截面进行了改进、刘占军等对星形变截面密封圈进行了有限元分析。

本研究根据星形圈的密封原理和水下环境的特点，在ANSYS软件中建立二维模型，重点分析了星形圈往复运动过程中剪切应力、接触应力和摩擦应力的变化以及水下环境对上述应力的影响。为水下星形圈往复动密封性能的分析提供理论依据。

1 有限元仿真

1.1 简化模型

根据星形圈具体使用情况和仿真特点，将复杂的三维结构简化为二维模型，自动划分网格后的模型如图1所示。

图1 星形圈模型

本研究以φ30.0 mm×3.55 mm规格的星形圈为例进行计算，其中陆地参考温度23 ℃、摩擦系数0.05、运动速度0.3 m/s、行程5 mm、压缩率为15%、密封压力10 MPa、橡胶热膨胀系数115×10-6[1-4]。

1.2 仿真设置

在ANSYS模型中，密封槽和运动件可视为刚体，采用PLANE182单元、弹性模量为2.11×105MPa、泊松比0.3；星形圈视为柔性体，采用PLANE182单元、材料为丁晴橡胶、弹性模量14.04 MPa、泊松比0.499；橡胶采两参数的Mooney-Rivlin模型表示，C10=1.87 MPa、C01=0.46 MPa；用TARGE169、CONTA172接触对模拟星形圈的接触[3，4]。

星形圈往复动密封的工作状态主要有三种:非工作状态、承载状态、往复运动状态[5，6]，水下仿真过程中可通过5个载荷来实现: ① 密封槽固定不动，运动件向右移动实现安装； ② 温度，从23 ℃降低到2 ℃； ③ 对星形圈总体施加环境压力30 MPa，之后施加油液的密封压力； ④ 安装后，运动件继续向右移动，实现内行程； ⑤ 内行程结束后，运动件向左移动，实现外行程。

陆地、水下仿真过程中ANSYS参数设置相同，陆地环境下仿真时不需要施加温度和环境压力载荷。

2 结果分析

水下高压、低温的环境会使得星形圈体积缩小从而影响其密封性能。密封判据主要有两点:一是剪切应力小于橡胶抗剪强度；另一个是接触应力大于承载压力，往复运动中摩擦应力主要影响其动态性能。

2.1 应力分布

水下往复运动过程中星形圈应力分布如图2所示。

图2 应力分布图

从图2可知，往复运动中星形圈右上侧剪切应力最小(内行程是-4.57 MPa，外行程是-2.84 MPa，负值表示压应力)，右下侧剪切应力最大(内行程是2.89 MPa，外行程是2.9 MPa，正值表示拉应力)，应力值小于橡胶抗剪强度4.6 MPa[1]；接触面上接触应力是连续分布的，最小值15.5 MPa，大于密封压力10 MPa，星形圈的上述应力满足密封要求。内外行程中主接触面的摩擦应力方向相反，内行程中星形圈向右扭转、上侧右移，外行程中星形圈向左扭转、上侧左移。

陆地环境下星形圈应力分布与水下类似，区别只是应力大小不同，此处不再赘述。

2.2 应力变化

陆地、水下往复运动过程中应力值变化如图3所示，其中摩擦应力不考虑方向。

图3 应力变化图

从图3可知，内外行程中剪切应力变化最小(水下0.5×10-2MPa、陆地-0.4×10-3MPa)，摩擦应力其次(水下-0.17 MPa、陆地-0.2 MPa)，接触应力变化最大(水下-2.5 MPa、陆地-2 MPa)；内行程中陆地的应力大，外行程中水下的应力大；内行程的应力大于外行程、水下应力变化率小于陆地，其中剪切应力的变化与上述趋势略有不同。