基于格来圈结构的O 形密封圈动密封分析

2020-09-16刘菁，赵旭，冯刚，刘飞

航空发动机 2020年4期

刘菁，赵旭，冯刚，刘飞

（中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司，北京102200）

0 引言

O 形密封圈是1 种广泛使用的密封元器件，其结构简单，由橡胶制成，而橡胶属于高分子材料，本构关系复杂，不同胶料牌号的O 形密封圈性能也不同，是典型的非线性材料，因此，开展O 形密封圈密封性能评估一直是仿真分析的难点。对于O 形密封圈密封性能评估，目前公认的理论判据是最大接触压力必须大于密封压力，才能保证不泄漏[1-3]。众多学者基于该理论借助有限元分析软件开展了大量仿真分析工作[4-13]，并对O形密封圈密封性能影响的关键要素进行探讨[14-15]。但上述研究普遍存在以下局限性：（1）仿真的密封结构形式相对简单，对单一密封形式的O 形密封圈的密封性能[1-16]的研究较多，而对更复杂的组合式密封的仿真研究极少开展；（2）对静密封性能的研究较多，而对动密封性能的研究[16]较少；（3）仿真结果缺乏验证[1-17]。

本文在消化上述研究基础上，以某型格来圈组合密封形式的漏油故障为分析对象，摸索出组合式密封的动密封性能仿真流程，并对仿真结果可信度进行间接验证。

1 仿真分析流程

1.1 故障背景

某型号产品导叶作动筒发生了漏油故障，初始不漏油，但在作动筒一段时间后（约1350 h）发生漏油故障，初步分析是密封性能下降所引起的，该O 形密封圈材料为FS6265 氟硅橡胶，将其更换为FX-2 氟橡胶后，漏油现象消失。经过故障树分析，不能排除密封结构设计不合理、O 形密封圈选材不当等原因，为了进一步分析具体故障原因，利用仿真手段开展相关的密封性能研究工作。

密封结构如图1 所示。从图中可见，中间为活塞杆，最外面的零件为铜套，在铜套密封槽里装配O 形密封圈与聚四氟乙烯材料的保护圈，即格来圈密封结构，其为组合式密封结构，优于单一O 形密封圈形式的密封，对动密封结构形式也适用。

仿真分析过程是典型的非线性分析过程，涉及结构非线性、接触非线性、材料非线性，分析过程中不易收敛。

图1 密封结构

1.2 引入泄漏判据

在光洁密封接触时，如果接触压力大于密封油压，则2 个接触面不分离，被密封的油液将无法冲破接触面而发生渗漏，与密封油压相比，接触压力越大，密封效果越好[1-2]，基于该原理将密封效果评估方式转化为接触压力的量化进行分析。

1.3 简化网格模型

通过对密封结构的分析建立简化模型，将3 维模型回转体转化成2 维轴对称模型后，开展仿真[3-17]，降低网格数量，既满足仿真基本精度，又降低运算量，简化后的网格模型如图2 所示。

图2 简化后的2 维轴对称网格模型

1.4 引入流体压力渗透法

为兼顾求解精度和较低的求解计算量，而引入流体压力渗透法[17]，该方法专门用于分析密封结构中接触面分离过程，具体原理如下：

为了模拟流体穿过两相互接触的表面，通过定义活塞杆-保护圈接触对（简称为①②接触对）、保护圈-O 形密封圈接触对（简称为②③接触对）、O 形密封圈-密封槽底接触对（简称为③④接触对），分析是否存在泄漏现象。根据流体压力渗透原理（如图3 所示），指定1 个起始点，该起始点完全暴露于流体中，流体来流压力将沿着起始点向接触面加载，并且压力加载的方向垂直于单元面，直到到达某个节点，当此节点的接触压力大于流体压力时，停止加载。当节点102 的接触压力小于流体压力，流体将继续向前加载；反之如果节点102 的接触压力大于流体压力，流体到达该节点将停止向前加载。利用此方式能动态找到临界点，最终得到更客观的计算结果。

图3 流体压力渗透法原理

1.5 创建材料模型

分析对象O 形胶料牌号分别为FS6265 氟硅橡胶、FX-2 氟橡胶，为保证O 形密封圈的材料模型真实可靠，对2 种胶料的O 形密封圈进行专门试验获得相关性能参数，并通过Yeoh 橡胶数学模型拟合得到材料特性曲线，确保材料模型的完备性。

1.6 明确边界条件

边界条件归纳为以下几种：

（1）密封油压不同，分别为3.93、7 MPa，其中7 MPa 油压为极限工况；

（2）温度不同，分别为常温23 ℃和高温70 ℃；

（3）O 形密封圈胶料牌号分别为氟硅橡胶FS6265和氟橡胶FX-2；

（4）活塞杆有偏载和无偏载。

偏载故障指活塞杆尾部有时会受到径向力载荷，在该载荷作用下，活塞杆相对铜套产生轻微径向转动，从而引起①②接触对之间的间隙变化[15]，经计算偏载导致的间隙将增大至0.054 mm。

1.7 优化载荷加载

为促进仿真求解过程收敛，模拟O 形密封圈装配及密封油液充填过程引起的格来圈结构变化，将仿真过程分为3 阶段。第1 阶段是活塞杆推入铜套中，挤压“②③”接触对组合密封结构；第2 阶段是O 形密封圈回弹挤压保护圈，使保护圈与活塞杆之间贴合；第3 阶段是密封油液充填（通过①④之间的间隙从右至左方向流入），液压力作用在O 形密封圈和保护圈上使二者发生变形，同时活塞杆沿轴来回往复运动，与保护圈发生摩擦，该阶段在密封油液充填后再设置活塞杆往复运动，模拟动密封过程。在ANSYS WORKBENCH 中，设置多个Step，逐步加载。求解结果显示了各接触面的变化，某工况下Equivalent Elastic Strain 结果如图4所示。从图中可见O 形密封圈、保护圈受密封油压综合作用发生明显变形[13]。

图4 某工况Equivalent Elastic Strain 结果

2 仿真结果

2.1 接触压力分析

各工况各接触面的接触压力仿真结果见表1。

表1 各工况各接触面的接触压力仿真结果

从仿真结果可见：

（2）在相同工况下氟橡胶接触压力大于氟硅橡胶的；

（3）同种材料随着温度升高接触压力会降低[16]；

（4）各工况接触压力均大于密封油压，但①②接触对被密封油液渗透程度较严重，属于相对薄弱环节；

（5）偏载导致各工况各接触面接触压力降低[15]，且对①②接触对影响最大。

2.2 ①②接触对沿程接触压力分析

由于①②接触对是密封相对薄弱环节，为量化分析密封油液在其中的渗透程度，根据图3 流体压力渗透法原理，当接触压力小于流体渗透压力时，2 个接触面分离，通过分析接触压力大小可以得到2 个接触面接触情况，引入沿程接触压力分析[9-10]。定义①②接触对之间的密封路径（path），如图5 所示，点1 和点2 之间总长度为2.5 mm。

2 种胶料密封圈在3.93 MPa 密封油压作用下的接触压力分布如图6、7 所示。从图6 中可见，在有偏载影响（0.054 mm）的接触应力分布中，氟硅橡胶阻隔泄漏的尚未分离接触面长约0.4 mm，占保护圈宽度的16%，而氟橡胶长约0.8mm，占保护圈宽度的32%。从图7 中可见，在无偏载时相同位置处的接触应力分布中，接触面长分别为0.5、和1.0 mm，分别占保护圈宽度的20%和40%，2 种情况下氟橡胶接触压力分布均呈“山峰”形状，而氟硅橡胶均呈“半山峰”形状，二者密封效果显然不同。接触应力小于密封油压的位置表明该处接触面已经分离，处于油液渗透状态。

图5 接触面密封路径（path）定义

图6 有偏载密封路径接触压力分布

图7 无偏载密封路径接触压力分布

（1）偏载会降低密封效果，缩短阻隔泄漏尚未分离的接触面长度；

（2）①②接触对被密封油液渗透长度超过保护圈宽度的50%以上。

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3 基于Archard 理论磨损量分析与验证

基于相关仿真结果开展直接试验验证十分困难，因此，只能以间接验证的方式入手，其基本原理是将仿真结果中得到的接触压力代入磨损计算式（1）中计算磨损量，对比实际磨损量，如果二者误差不大，即可表明仿真得到的接触压力结果可信。

根据Archard 理论，2 个相对运动摩擦的物体，摩擦产生的体积损失与滑动距离、载荷、材料硬度的相关性为

式中：W 为磨损体积，m3；S 为滑动距离，m，其中取控制杆总长为43.2 mm；P 为载荷，Pa，对应接触面的接触压力，由仿真得到；Pm为材料布氏硬度，在本故障中杆的硬度约为HB300；K 为磨损系数（与摩擦系数成一定正比关系），用于衡量2 个接触对之间相互磨损程度，查找《机械设计手册》，未找到“聚四氟乙烯-铝合金硬质阳极化”摩擦副的磨损系数，但通过类似摩擦副对比，可以确定该系数的数量级约为10～18，本参数是无量纲量。

从定性上分析，根据式（1）可知磨损系数K 受接触面的接触压力影响最大（接触应力越大磨损越严重），这是因为材料硬度、滑动距离受环境因素影响相对较小，而接触压力根据表1 数据可以推断磨损系数K 与温度成反比，说明故障中温度越高，磨损情况反而得到改善。

选取表1 序号3 有偏载载荷接触压力结果为载荷P（该工况与实际工作环境最接近），即取P=11.345 MPa，根据式（1），活塞杆拉动距离为43.2 mm 时的磨损量为