基于O形密封圈磨损过程的不同工况下溢流阀寿命预测方法

张征凯,曾宪枢

(西安建筑科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710055)

液压元件的泄漏是液压系统常见故障之一，也是影响液压系统寿命的重要因素，液压元件的许多故障都是由于往复密封失效所导致的泄漏产生.O形密封圈作为往复式动密封，因其密封性能良好，在液压元件中广泛应用.在工作工程中O形密封圈由于接触压力产生的磨损导致密封压力降低进而产生泄漏，严重的泄漏会使液压元件失效.由于O形圈材料属性原因，除了工作压力之外，温度也会对滑阀寿命产生影响[1]，因此传统寿命预测方法难以实现对溢流阀的寿命预测.除此之外，由于液压元件属于高可靠长寿命产品，寿命预测所需要的大量样本难以通过全寿命试验获得，而退化试验获取可靠性信息预测产品寿命这种技术[2]，在机械工程领域已有广泛应用[3-5]，但仍不能满足对不同工况下液压元件寿命预测所需的大量样本.

一些学者从不同的角度和方法分析了密封圈磨损过程：GREEN等[6]利用经验公式计算了考虑超弹性体的不同压缩率静密封的接触压力.杜晓琼等[7]提出一类新的有限元分析模型对不同油压和压缩率下接触压力分布方法.杨春明等[8]分析了不同密封圈径向间隙对最大接触压力和米斯应力的影响.常凯[9]提出了一种考虑接触压力和摩擦热对摩擦磨损影响的ANSYS仿真计算方法.胡琦[10]则通过试验计算完成了10, 50, 90 ℃的O形圈Mooney-Rivlin常数确定.目前，O形密封圈磨损过程的研究以有限元分析为主，但存在着模型复杂，计算耗时和不易收敛等缺点[11]，并且由于溢流阀因密封磨损导致泄漏而产生的失效不仅与工作压力有关，同时与温度密切相关[12].

文中以O形密封圈为研究对象，通过试验和仿真相结合，针对密封圈磨损过程，建立密封磨损导致泄漏失效的溢流阀寿命响应面，可用于不同工况下溢流阀的寿命预测.

1 溢流阀O形圈失效判据及流程

溢流阀工作过程中，因密封圈持续磨损产生泄漏会导致溢流阀调定压力降低，超调量升高等静、动态性能变化，严重的泄漏会使溢流阀因无法满足工作要求而失效.

O形密封圈在安装过程中受到初始压力发生压缩变形，在工作过程中受到来自一侧方向的油液工作压力，该工作压力使密封圈进一步压缩变形，并在需要密封的另一侧产生接触压力，当接触压力大于工作压力时，密封圈密封功能完好，随着密封圈的磨损，磨损体积的增大，会使接触压力逐渐减小，当接触压力小于工作压力时，密封圈密封失效.

密封圈的实际磨损是复杂的过程，通常是在受到油液压力方向开始磨损，为了便于计算，文中引入当量半径的概念，假设密封圈在磨损过程中是一个均匀的磨损过程，该假设是建立在密封圈材料属性即丁腈橡胶的基础上，丁腈橡胶属于超弹性材料，具有不可压缩性，密封圈在初始安装产生的机械压力和油液压力作用下发生变形嵌入密封槽中，不同部位的磨损均能自我补偿.因此，在密封状态下，密封圈的磨损可视为仅影响密封圈半径的变化，如图1所示.

图1 密封圈的当量半径

为了研究密封圈的磨损过程，建立了O形圈及密封槽的ANSYS仿真模型，得到了选定标准工况下当O形圈的接触压力p(n)小于工作压力p(M)时，密封失效的密封圈当量半径(即压缩量).同时在同一选定标准工况下在试验台对溢流阀进行退化试验，得到该工况下的溢流阀寿命，利用标准工况下的失效半径和寿命信息通过Archard磨损模型的变形得到该元件的磨损率，最终使用磨损率及其他工况下的ANSYS仿真试验反推出其他工况下的溢流阀寿命信息，研究流程如图2所示.

图2 研究流程图

2 ANSYS模型建立与分析

以试验台溢流阀的O形密封圈为例建立有限元模型，取其轴对称截面的一部分研究.建立模型时仅需选取与O形密封圈发生接触的密封槽、溢流阀内壁以及O形密封圈之间的接触面，省略不影响分析和计算的部分其他材料.由于是二维模型，结构简单，直接采用自动划分网格方法，其中O形圈变化较大采用较密的网格划分，其他材料采用较少的网格数.

模拟溢流阀活塞与内壁相对运动方式对密封槽和溢流阀内壁施加约束和载荷：① 密封槽上施加X轴方向的约束，约束为UX=0；② 密封槽上施加Y轴方向的位移约束，模拟O形圈受压的过程；③ 溢流阀内壁需施加全约束，ALLDOF=0.

为模拟工程实际情况，进行两步加载，即第一步加载位移载荷，第二步加载压力载荷，即O形圈是先被机械挤压变形后，再加载的液压油工作压力.

设置Mooney-Rivlin超弹性参数20 ℃时的材料属性.计算橡胶圈截面半径为2.65 mm，压缩率15%，工作压力为12 MPa条件下的模型网格与约束状态，更改参数对模型进行范米塞斯应力分布和接触压力分布分析，结果见图3，4.

图3 不同工作压力和压缩率时的范米塞斯应力分布

图4 不同工作压力和压缩率时接触压力分布

同压力下15%压缩率时O形圈的范米塞斯应力分布相比5%压缩率时更加集中，并且位于中心的高应力区域消失，等刻线的分布更加均匀，最大应力区域均出现在O形圈的下部左右两边，最大应力值略微提高.

同为5%压缩率时，20 MPa工作压力下O形圈的范米塞斯应力分布相比12 MPa工作压力下有明显变化，不仅最大应力值显著提高，并且最大应力区域明显更靠近O形圈表面.

由图3和4的分析结论可以看出，压缩率和工作压力的增加都会导致范米塞斯应力的增加，进而导致使用寿命降低，且随着工作压力增加其最大值区域更靠近O型圈的表面，使O形圈表面更易出现裂纹、拉伤，造成O形圈密封失效.

可见，对O形圈密封效果影响最大的是工作压力，其次是压缩率，在工作压力不变的前提下，随着压缩率减小，密封压力随之减小，当密封圈压缩率即当量半径R取到某值时，接触压力小于工作压力，则可认为该点为失效点FP，该值为失效半径R.

3 溢流阀寿命响应面的建立

对某型溢流阀进行退化试验，所用试验台原理如图5所示.

图5 溢流阀退化试验台原理图

试验台以永磁同步电动机驱动齿轮泵输出油液，通过换向阀流入柱塞马达,由惯量盘提供负载，换向阀切换机能进入溢流状态时，由齿轮泵驱动的油液通过溢流阀溢流排入油箱，数据采集由霍尔电压电流传感器、流量计和压力计采集.

设定温度20 ℃，工作压力12 MPa，通过控制计算机设定三位四通换向阀以5 s/次的频率切换中位与右位机能，实现被试溢流阀的反复启闭，模拟溢流阀工作状态，直至采集得到性能退化参数超调率出现明显退化趋势，对采集数据进行处理得到该型溢流阀失效点即超调率达到25%时，动作次数在5 000次左右，溢流阀劣化趋势拟合如图6所示.

图6 溢流阀劣化趋势拟合图

ANSYS仿真得到失效点FP与试验台得到的劣化趋势预测点FP应为同一点.

Archard磨损模型[9]为

(1)

式中：ΔV为磨损体积；K为磨损因子；F(i)为法向载荷；H为材料硬度；L为失效点处密封圈运动副相对运动的总距离，可由与运行次数和溢流阀行程相关的参数求得.

两边同时除以接触面积S经变化以后,即

h(i)=Kfp(i)L，

(2)

式中：Kf为磨损率；h(i)为点FP处的磨损高度，由ΔV和接触面积S可计算得到，ΔV可由密封圈的初始尺寸R和失效点的当量半径R计算得出；p(i)为密封压力.

磨损因子虽然包含着除了载荷、滑动距离、材料表面硬度之外的所有影响磨损的因素[13]，但由于100 ℃以下O形圈的硬度变化可以忽视，且对O形圈磨损因子影响最大的温度因素将在仿真模型中直接赋予，因此可以认为磨损率Kf仅和材料的属性有关，由式(2)的变形形式将溢流阀运行次数n通过L代入式(2)，可计算得出Kf，计算公式为

h(i)=Kfp(i)n，

(3)

式中：n为使用次数或使用寿命.

式(3)变形后为

(4)

根据Kf与经ANSYS仿真计算出的当前工况下密封失效时的当量半径R，可以计算任意工作压力和温度下的使用寿命.

O形圈磨损过程的温度条件由O形圈Mooney-Rivlin弹性模型中参数C1，C2确定，可直接应用于ANSYS仿真中设置该条件；O形圈磨损过程的工作压力条件由ANSYS仿真直接以外力形式设置.

不同温度下O形圈Mooney-Rivlin弹性模型中参数C1，C2的试验标定[10]见表1.

表1 不同温度下的C1，C2值

由此可以模拟试验台O形圈在设置材料属性为C1，C2时所代表的确切温度下的磨损过程，首次仿真取试验台试验实际温度20℃时溢流阀所用O形圈的材料属性C1=1.950 95，C2=0.487 125.溢流阀所用O形圈半径为2.65 mm，经计算，在当量半径为2.3 mm时为O形圈的最小值，即在当前工作压力12 MPa下，密封压力已经不满足密封要求，密封压力小于接触压力，极大可能产生泄漏，导致溢流阀失效.取点FP为5 000 次，由式(3)可求得磨损率Kf=1.432×10-4.

根据Kf计算不同的温度不同的工作压力条件下各自工况的O形圈最小当量半径，见表2.根据式(3)，由表2以及Kf值，可计算得到该溢流阀在不同工况下的寿命值，见表3.

表2 不同工况下最小的当量半径值

表3 不同工况下的使用寿命值

将表3中的数据进行响应面拟合，得到不同工况下寿命n分布情况如图7所示.

图7 寿命分布响应面拟合

由溢流阀寿命响应面可以看出，工作压力的升高，会使使用寿命呈现降低趋势，温度的变化则会导致使用寿命变化呈两极性，即在40～60 ℃为寿命最大，升温或者降温都会导致使用寿命的降低，与试验结果及工程经验相符.

4 结 论

1) 获得了不同工作环境温度下溢流阀使用寿命响应面，该响应面显示溢流阀工作环境温度为40～60 ℃时使用寿命最大，降低和提高温度均会导致使用寿命的减少，这与液压系统最适宜工作温度区间为40～50 ℃的工程经验相符.

2) 经试验结果与计算得出的磨损率Kf仅与材料属性有关，代表某一确切产品确定工况下的属性，建立的溢流阀寿命响应面可用于该溢流阀产品在不同工作环境下的寿命预测和折算，可以相对准确预测该溢流阀元件在不同工况下的寿命，为相同元件在不同工况下的维修、更换提供了相对工程经验更加准确的理论支持，同时减少了试验成本，并解决了对极端环境下溢流阀寿命预测样本的采集问题，对其他相似元件具有极高扩展性.