基于Abaqus的杆密封结构密封性能分析及优化设计

2019-01-02徐时贤苏正涛

建筑机械 2018年12期

徐时贤，苏正涛

（1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2. 中国航空发动机集团减振降噪材料及应用技术重点实验室，北京 100095）

改革开放以来，国内工程机械行业快速发展，要使工程机械充分发挥其技术效能，做好维修保养非常重要［1］，而工程机械中液压技术广泛应用，密封性能严重制约液压技术的应用和工程机械的使用。如果发生漏油类的故障，不仅污染环境，而且影响执行元件的正常工作。目前，国内关键部位的密封件主要依赖进口，但是进口密封件通常价格昂贵、供货周期长、反应速度慢［2］，因此，对密封件的材料和结构展开研究十分重要。

组合密封是比较先进的一种密封系统，它由橡胶材料和塑性密封圈材料两种材料构成，结构简图如图1所示。这种结构的组合密封用塑料做摩擦件，具有摩擦系数低的特点；用橡胶作弹性件，弹性优良，与一般橡胶密封圈密封不同的是橡胶不参与往复运动的摩擦，从而消除了橡胶作为摩擦件带来的种种弊端，同时橡胶材料作为不可压缩材料，可以对塑性密封圈的磨耗起补偿作用［3-5］。橡塑组合密封广泛应用于各种液压装置、建筑机械、矿山机械、航空宇航等设备［5］。

鉴于工程应用中密封工况越来越苛刻，对密封压力提出的要求越来越高，作者对高压往复密封结构进行了研究，本文通过Abaqus对国外某工程机械制造企业使用的高压往复密封结构进行模拟分析，通过对密封结构的密封性能进行研究进而实现结构的优化设计。

1 密封结构仿真模型

VL密封结构图如图1所示。材料参数设定如下：聚四氟乙烯的弹性模量为400MPa，泊松比为0.4；橡胶按照弹性材料进行计算，根据其力学性能，假定其弹性模量为35MPa，泊松比为0.4997；轴的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。橡胶与沟槽的摩擦因数设定为0.3；橡胶与聚四氟乙烯的摩擦因数设定为0.35；聚四氟乙烯与金属的摩擦因数设定为0.04；聚四氟乙烯与聚四氟乙烯的摩擦因数设定为0.04。密封液体压力为21MPa。

图1 VL密封结构图

2 结果分析

将建立的有限元模型进行计算，得到的应力云图结果如图2所示，聚四氟乙烯的接触应力云图如图3所示，O型圈的接触应力云图如图4所示。

图2 应力结果云图

图3 聚四氟乙烯支撑环接触应力云图

图4 O型圈接触应力云图

从接触应力云图中可以看出，对于21MPa的内压来说，O型圈最大接触应力为10.5MPa，不能形成有效密封，需要通过O型圈的挤压作用，在聚四氟乙烯支撑环与沟槽接触区域形成密封，最大接触应力为28MPa，同时，通过发现可以看到，挡圈的2个接触区域的接触应力均较大，最小的接触应力可以达到46MPa。

2.1 压缩率的影响

橡胶根据其压缩率的大小，其弹性回复力的大小会不同，压缩率越大，橡胶变形越大，其对支撑环的挤压作用越明显，密封性能越强。下面通过改变O型圈的压缩率来观察密封结构的接触应力变化。原计算模型对O型圈的压缩量可以达到0.52mm，其半径为1.76mm，压缩率为14.7%。本文通过增大O型圈直径的方式来降低其压缩率，分别选用直径为3.57mm、3.61mm、3.65mm、3.70mm和3.75mm的O型圈，其压缩率分别为16%、17%、18%、19%和20%。接触应力计算结果如图5所示。

图5 不同压缩率下密封区域的接触应力结果

从结果中可以看出，随着压缩率的增加，接触应力增大，但是随着压缩率增加，接触应力增大的幅值逐渐减小，这与VL密封结构相关，包络线的尺寸影响会在后续计算中进行讨论。两界面间的接触应力与摩擦力成正比，接触应力的增大势必会增加摩擦力，从而造成PTFE与轴间的磨损加剧。对于材料来说，其磨损情况会根据不同磨损工况和垂向应力达到一种平衡，即在特定垂向应力下，其磨损量可以忽略不计，而橡胶材料的压缩率越大，达到这种力的平衡时PTFE的磨损量会越大。

2.2 质心位置的影响

上节计算中可以看到随着支撑环的倾斜，接触应力也会随之变化，而质心的变化也是影响支撑环倾斜的重要因素。从之前的结构设计图中可以看出，支撑环在轴上的支撑点位置与内轮廓的中心点位置水平持平，为了研究质心变化的影响，本文将支撑点的位置进行调节，将支撑环的中心向上调节设定为负，将支撑环的中心向下调节设定为正。本文取-0.5、-0.2、-0.1、0、0.1、0.2 6个结构进行计算对比，将接触应力的计算结果绘制如图6所示。

图6 不同质心位置时密封区域的接触应力结果

从计算结果图中可以看出，此图中可以分为质心为正、质心为0和质心为负的3个区域。质心为正和质心为负时接触应力的结果分别集中，-0.1和-0.2的结果相差不大，0.1和0.2的结果相差不大，-0.5的接触应力偏小。随着质心区域的变化，密封结构受压时会发生一定的偏转，按照几何结构推断，结构偏转应该发生一侧接触应力的增大或减小，而此结构中偏转导致整体密封区域接触应力的变化，说明质心偏移时，伴随着PTFE结构支撑部分的厚度变化也对接触应力起到一定的作用：当质心负向偏移时，厚度变薄，整体接触应力变小；当质心正向偏移时，厚度变厚，整体接触应力变大。

2.3 PTFE内侧过盈量的影响

对于组合密封结构来说，密封圈是为了增强密封结构的弹性，而主要的支撑作用是由PTFE来提供的。因此，PTFE的结构尺寸对于接触应力的影响非常大。本节主要依据PTFE与轴的过盈量来对其影响大小进行研究，本节选取过盈量为0、0.1、0.2、0.3 4个数据进行计算，计算结果绘制如图7所示。

图7 不同过盈量时密封区域的接触应力结果

从结果中可以看出，随着过盈量的增加，接触应力增大，而且随着过盈量增加，接触应力增大的幅值在减小。而且区域左侧的幅值变化较大，这说明，由于过盈量增大，PTFE环发生了一定的偏转。

2.4 PTFE前角角度的影响

本节研究PTFE的前角角度对密封性能的影响，前角角度是指油压侧PTFE环与轴形成的角度。在很多计算中，都会考虑PTFE角度对油压的变化梯度的影响，本节仅考虑此尺寸对接触应力的影响，分别选取前角角度为35°、50°、45°、50°、55°5个角度对此模型进行计算，将计算结果绘制于图8中。

根据计算结果可以看出，随着前角角度的增大，接触应力增大，而接触应力的变化幅值较大处位于左侧（油侧），此点为前角根部，而图中右侧（空气侧）区域变化幅值相对较小，说明前角角度对密封区域右侧（空气侧）影响较小。

图8 不同前角角度时密封区域的接触应力结果

2.5 PTFE后角角度的影响

本节研究PTFE的后角角度对密封性能的影响，后角角度是指空气侧PTFE环与轴形成的角度。本节仅考虑此尺寸对接触应力的影响，分别选取后角角度为10°、15°、20°、25°4个角度对此模型进行计算，将计算结果绘制于图9中。

图9 不同后角角度时密封区域的接触应力结果

根据计算结果可以看出，随着后角角度的增大，接触应力增大，而接触应力的变化幅值较大处位于右侧（空气侧），此点为后角根部，而图中左侧（油侧）区域变化幅值相对较小，说明后角角度对密封区域左侧影响较小。

根据对PTFE前、后角的计算可以用于其结构的优化，并根据密封设计压力对前、后角进行优化得到最优的PTFE结构尺寸。

2.6 PTFE包络线优化

对于组合密封来说，O型圈提供了密封所需的回弹力，因此与O型圈所匹配的PTFE包络线对接触应力有一定的影响，在设计时将包络线上部分成左、右两部分，分别由一个椭圆所组成，如图10所示，L1为左侧椭圆的短轴，L2为左侧椭圆的长轴，同时其也是右侧椭圆的短轴，而L3为右侧椭圆的长轴。保持轮廓深度不变，即保持O型圈压缩率不变，然后对这3个参数分别进行参数计算。