卸荷角对斯特封密封性能的影响*

2022-05-19王凯华王新华

润滑与密封 2022年3期

王凯华郭飞项冲王新华

(1.北京工业大学材料与制造学部北京 100124；2.清华大学摩擦学国家重点实验室北京 100084)

往复密封是保证液压、气动等系统功能实现的关键核心零部件，其看似简单，实则是涉及材料、机械、力学及摩擦学等多个学科综合性很强的基础技术。为了满足不同系统对密封的需求，往复密封的结构及组合形式多种多样。其中，较为经典也是在液压系统中最为常用的一种密封结构，是20世纪50年代初，由宝色霞板[1]公司(后更名为特瑞堡公司)研究开发的用于宇航系统的斯特封结构[2-3]，并于1972年获得专利进入市场；之后，特瑞堡公司通过进一步开发新的结构及材料，不断改进斯特封结构，使斯特封具有摩擦力低、无爬行、启动力小、耐高压、沟槽结构简单等优点，对改善密封性能、减少机械损耗、延长使用寿命起到了积极作用。斯特封一般由一个橡胶O形圈[4-5]及聚四氟乙烯环(PTFE)组合而成，如图1所示。O形圈为施力元件,提供足够的密封力，并对聚四氟乙烯环[6]起补偿作用，适用于液压缸活塞杆用密封。这种活塞杆密封件被广泛应用于各行各业的液压系统中，斯特封也成为业界高性能活塞杆密封的代名词。斯特封在进一步改进的过程中，一个重要的结构优化就是增加了卸荷角，如图1放大图所示，增大了压力释放空间，降低了密封圈受压下的摩擦阻力。由于斯特封应用的广泛性以及重要性，对斯特封的密封性能进行研究至关重要。

姚碎全[7]定性地论述了液压缸用斯特封的结构形式、密封原理和密封特性。李永康等[8]通过建立斯特封摩擦与密封数值计算模型，研究了运动速度、密封压力对油膜厚度和泄漏量的影响。王玺等人[9]研究了预压缩率、侧向油压和作动器运动方向对橡胶O形圈密封性能的影响，分析了运动方向对斯特封密封性能的影响。WANG等[10]基于幂律流体模型，模拟了非牛顿流体对斯特封密封性能的影响。张妙恬等[11]通过搭建的往复密封实验台架，对斯特封摩擦磨损界面进行了实验研究。杜晓琼等[12]基于ISIGHT优化软件，对斯特封结构进行了优化设计。桂鹏等人[13]研究了工作温度、往复速度以及沟槽尺寸对油气弹簧主活塞斯特封泄漏量的影响。目前虽然对斯特封有了一定的研究，但尚未有人研究卸荷角对斯特封性能的影响。

本文作者通过建立有无卸荷角斯特封的有限元模型，对比不同压力下2种结构的转动位移、最大主应力、接触应力等因素，进一步计算抱轴力、接触宽度等，从而分析卸荷角对斯特封密封性能的影响。

1 密封结构有限元建模

1.1 斯特封有限元模型

根据斯特封结构尺寸、材料参数等数据建立斯特封密封结构有限元模型，如图2所示。该有限元模型由3部分构成，左侧为往复运动活塞杆，右侧为密封沟槽，中间为斯特封(橡胶O形圈和阶梯形PTFE环)。装配完成后，橡胶O形圈会压缩变形，它的回弹特性[14]会填充轴和PTFE阶梯形环、PTFE阶梯形环和橡胶O形圈、橡胶O形圈和沟槽之间的间隙，防止工作时腔体液压油的泄漏。

有无卸荷角斯特封结构尺寸基本一样，只是卸荷角处略有区别，结构尺寸如表1及图3所示。

表1 仿真模型几何结构参数

文中所研究斯特封由广州机械科学研究院提供，其相关参数如表2所示。

表2 材料参数

图4所示为橡胶和去掉弹性段后PTFE阶梯形环的应力应变曲线。

1.2 网格单元选择及划分

对于橡胶O形圈和PTFE阶梯形环，均采用自由网格划分技术进行网格划分，单元类型选择为4节点双线性轴对称四边形CAX4RH。由于卸荷角的存在，会造成仿真结果的不易收敛，要在卸荷角位置分别对PTFE阶梯形环和O形圈进行分区，进行局部细化处理。与此同时，还要根据各个接触区域的变形特点，对轴和PTFE阶梯形环接触部分以及PTFE阶梯形环和O形圈接触部分等关键区域进行网格加密处理，如图5所示。

1.3 接触设置

橡胶O形圈和PTFE阶梯形环的弹性模量远远小于活塞杆和沟槽二者的弹性模量，故将活塞杆和PTFE阶梯形环的接触面以及PTFE阶梯形环、橡胶O形圈与沟槽的接触面设置为刚体属性。在不同的分析步中，随着边界条件的变化，计算获得各刚体接触面力和位移的变化。根据不同的分析步，对可能发生的接触面定义接触对，尤其要注意一些小的接触面，以免发生穿透现象。

构建的二维模型接触问题是一种高度非线性行为:一方面，接触表面、接触区域可能随时在改变；另一方面，接触表面存在的变形、滑移和摩擦等也表现出非线性性质，因此需要根据接触对的材料属性选择合理的面接触类型，且在此处均选择面对面接触的离散方式。

1.4 施加载荷和约束

对该模型施加如图6所示的约束，斯特封实际使用过程中沟槽固定不动，活塞杆只有往复运动，可以忽略活塞杆和缸体的径向位移以及转动，对活塞杆施加UX=0的位移约束，同时对活塞杆施加UY=0的位移约束以及UXY=0的约束。为模拟装配，需对沟槽施加UX=-2.1的位移约束，由于沟槽不能沿Y方向移动且不能绕Z轴旋转，所以还需对沟槽施加UY=0的位移约束以及UXY=0的约束。在第三个分析步中，对PTFE阶梯形环和橡胶O形圈施加35 MPa的压力载荷。由于活塞杆以及沟槽均设置为刚体，可以通过控制节点1、2以进行约束条件的施加。

参照图7，实际工况中的油侧对应仿真模型下侧，空气侧对应仿真模型上侧，油侧压力会作用在密封圈暴露在油液中的所有区域。因此接触区边界也就是油液压力加载的边界，为了模拟实际的油液压力作用，需要对密封圈表面进行分区，只对下侧接触边界以外的区域加压。此外需注意，加压会使得密封圈产生变形，从而影响接触区边界，需要在接触区边界改变之后重新选定加压区域，不断重复上述操作直到边界确定，更真实地模拟实际工况。

1.5 斯特封过盈装配仿真

斯特封过盈装配仿真过程分为两步，第一步是实现O形圈与PTFE阶梯形环的过盈装配，在这一步中，先不设置O形圈与PTFE阶梯形环、PTFE阶梯形环与活塞杆的接触，仅设置活塞杆与O形圈的接触，并将两者按初始过盈尺寸建模，进而先将活塞杆刚体部件向右移动3.4 mm，此时活塞杆刚体部件将O形圈完全撑开，O形圈与PTFE阶梯形环没有干涉，再设置O形圈与PTFE阶梯形环的接触，将活塞杆左移至初始位置，此时O形圈就装配在PTFE阶梯形环之上，完成了第一步装配过程；第二步是实现活塞杆、沟槽与组合密封圈的装配过程，首先建立O形圈与沟槽之间、PTFE阶梯形环与沟槽之间以及PTFE阶梯形环与活塞杆之间的接触，进而将沟槽向左移动1.5 mm，压缩组合密封件，模拟斯特封与沟槽之间的过盈装配过程。

图8所示为2种斯特封过盈安装后的Mises应力云图。可以看出，斯特封与活塞杆接触部分存在应力集中现象，而导致其他部分的应力集中不明显。2种结构的斯特封在未加压的情况下Mises应力相差并不大，主要原因是未加压状态下，O形圈变形不是很严重，还没有被挤入卸荷角处，因此卸荷角并未对结果产生影响。

1.6 斯特封卸荷角仿真难点分析

由于斯特封卸荷角的存在，在高压条件下会导致仿真结果不易收敛。原因是在较高压力下，橡胶O形圈会被挤入卸荷角，极易导致橡胶O形圈变形过大，从而导致在高压下卸荷角处容易出现压力穿透的现象，从而使得仿真过程不收敛。为了解决这一难题，文中采用的方法是在PTFE阶梯形环卸荷角处采用比较圆滑的过渡，在不影响仿真结果的前提下曲率半径尽可能大，再通过卸荷角处网格的细化，使PTFE阶梯形环卸荷角处的网格能够较好地匹配O形圈网格，从而达到结果的收敛。但PTFE阶梯形环卸荷角处网格划分也不宜太细，否则也会导致仿真不易收敛[15]。

2 密封结果分析

2.1 不同压力下2种结构斯特封O形圈应力应变分布

分别加载5、15、25、35 MPa流体压力，并进行仿真,通过后处理得出2种结构斯特封的应力应变云图。

图9所示为35 MPa压力下2种结构斯特封橡胶O形圈局部最大正应力、最大正应变分布。

在35 MPa压力下，2种结构斯特封O形圈最大正应力、最大正应变均发生在O形圈的左上角，即刚体、PTFE阶梯形环、O形圈三者接触的部分，但有卸荷角斯特封O形圈的值会相对略小，有助于增加密封圈的使用寿命。主要原因是斯特封PTFE阶梯形环存在卸荷角，有一定的卸荷作用，使应变减小、应力变小。最大值出现在三者接触的部分主要是因为与该部分相接触的PTFE阶梯形环存在一定的倒角和卸荷角，导致该部位和沟槽以及PTFE阶梯形环出现严重的挤压。

图10给出了35 MPa压力下2种斯特封结构的O形圈与PTFE阶梯形环接触面接触应力分布。可以看出，接触应力分布曲线基本一致，斯特封卸荷角的存在并不会使接触应力降低，卸荷角并不会使斯特封的密封性能减弱。

2.2 不同压力下2种结构斯特封PTFE阶梯形环应力应变分布

图11所示为35 MPa压力下2种结构斯特封PTFE阶梯形环局部最大正应力、最大正应变分布。

在35 MPa压力下，最大正应力均发生在PTFE阶梯形环的左上角部位；最大正应变发生在PTFE阶梯形环与轴相接触的一侧，且靠近油压的入口区。2种结构斯特封均会发生变形，无卸荷角斯特封PTFE阶梯形环的腰部会发生向内凹陷的现象，而有卸荷角斯特封PTFE阶梯形环则不会凹陷，而是一个斜向的倾斜，原因是斯特封卸荷角的存在，油液压力会迫使O形圈进入卸荷角区域，对PTFE阶梯形环底部靠近空气侧造成较大挤压，导致PTFE阶梯形环发生倾斜，不会对阶梯环腰部造成挤压，这对延长斯特封的寿命有一定作用。

2.3 斯特封在不同压力下的接触特征分析

图12所示为无卸荷角斯特封在5、15、25、35 MPa压力下PTFE阶梯形环和金属轴的接触应力分布。可知，随着油液压力的增大，最大接触应力也逐渐增大，而接触应力的整体趋势先上升后下降，且达到峰值后由流体压力侧向空气侧逐渐降低。

图13所示为斯特封在15、35 MPa压力下的Mises应力、最大主应力云图。可见，斯特封的最大Mises应力均发生在PTFE阶梯形环部位,并且随着油液压力的增大，最大Mises由油液入口区逐渐向出口区转移，最终定格在PTFE阶梯形环、O形圈和刚体沟槽三者相接触的部分。出现这个现象的主要原因是：随着液体压力增大，O形圈变形不断严重，对PTFE阶梯形环靠近空气侧部分造成的挤压现象严重，使得PTFE阶梯形环空气侧与活塞杆圈接触力变大，导致最大Mises应力逐渐向空气侧转移。随着压力到达一定的程度，由于PTFE阶梯形环靠近空气侧部分有卸荷角，导致O形圈变形进入倒角或卸荷角区域，造成应力集中现象，所以最大Mises应力在PTFE阶梯形环、O形圈和刚体沟槽三者相接触的部分。最大主应力一直存在于PTFE阶梯形环和活塞杆接触区域且靠近空气侧部分。最大主应力一直存在于PTFE阶梯形环和活塞杆接触区域且靠近空气侧部分，且斯特封会发生变形,有卸荷角斯特封PTFE阶梯形环则不会凹陷，而是一个斜向的倾斜，原因是斯特封卸荷角的存在能够让压力向卸荷角方向移动，不会对塑料环腰部造成挤压，对延长斯特封的寿命有一定作用。

图14所示为35 MPa压力下2种结构的斯特封转动位移。

图15所示为有卸荷角斯特封在5、15、25、35 MPa压力下PTFE阶梯形环和金属轴的接触应力分布。

比较图12、15可知，2种结构的斯特封接触应力分布曲线类似，均是随着油液压力的增大，最大接触应力也逐渐增大，且接触应力的整体趋势先上升后下降，且达到峰值后由流体压力侧向空气侧逐渐降低。但相比于无卸荷角斯特封，同一压力下，有卸荷角斯特封流体压力区不会出现接触压力骤增的现象，而是随着位置的变化而缓慢增加。

图16所示为2种斯特封在5、15、25、35 MPa压力下PTFE阶梯形环和金属轴的接触应力分布对比。

2种斯特封PTFE阶梯形环和金属轴的接触应力走势基本一致，但低压力时有卸荷角的接触应力略小于无卸荷角斯特封的接触应力，主要是因为O形圈低压力时尚未全部挤入卸荷角，O形圈对PTFE阶梯形环的挤压会导致PTFE阶梯形环向卸荷角方向变形，导致接触力变小。在较高压力时，靠近液压油侧有卸荷角斯特封接触应力较无卸荷角斯特封小；靠近空气侧有卸荷角斯特封接触应力较无卸荷角斯特封大。原因是由于卸荷角的存在，O形圈变形被压入卸荷角，导致PTFE阶梯形环发生向卸荷角方向的倾斜，造成PTFE阶梯形环空气侧与金属轴接触应力变大，PTFE阶梯形环靠油侧与金属轴接触应力变小的现象；在较高压力下，有卸荷角的斯特封整个接触宽度也会向空气侧发生移动。

图17所示是不同结构斯特封不同压力下径向力及密封面接触宽度对比。可知，2种斯特封在径向力的发展趋势上基本上是一致的，均是随着油液压力的增大，径向力、密封面的接触宽度变大。但相对于无卸荷角的斯特封，有卸荷角斯特封的接触宽度有所降低，所受摩擦力变小，明显降低了密封圈受压下的摩擦阻力，对改善密封性能、减少机械损耗，延长使用寿命起到了积极作用。