基于正交试验的深海Y形密封圈结构优化*

张 毅 曹学鹏

(1.太原学院机电工程系 山西太原 030032；2.长安大学工程机械学院 陕西西安 710064)

液压驱动具有功率密度大、易于压力补偿和远程控制等优点，广泛应用在各类深海装备中。深海装备的特点是所处的环境压力非常大，深度每增加10 m、环境压力就增大约一个大气压，深海5 000 m的环境压力是50 MPa，约是大气压力的500倍。Y形橡胶密封圈是液压往复密封的关键元件，在深海环境压力下自身会发生一定的压缩，而密封圈正是依靠橡胶被挤压后发生弹性变形与接触面产生接触应力来工作的，自身被压缩会对密封性能产生影响。因此，分析并提高深海特殊环境下Y形圈密封性能非常必要[1-2]。

周博等人[1]通过模拟实验验证了橡胶材料在深海高压环境中自身的压缩性，提出适当增大O形圈直径的建议。王聚财、WU、SONG等[2-4]分别分析了深海环境对O形圈密封性能的影响，并提出了改进措施。王启林、吴世海等[5-6]分别设计了适应深海环境的以星形圈为主和以楔形块为主的新型密封结构，并通过仿真分析验证了密封性能。谭锋等人[7]通过正交试验方案分析了多种因素对唇形密封圈开启压力和接触宽度的影响，并选用了一种最适结构。贾春强、杜家熙、张付英等[8-10]对Y形圈密封应力分布进行分析，基于正交试验对 Y 形密封圈结构参数进行了优化改进。

目前关于Y形圈密封的研究主要侧重于通过单一变量研究压缩率、工作压力、材料硬度等Y形圈外部参数对密封性能的影响[11-13]，对Y形圈在深海特殊环境中密封性能及自身多参数的优化研究较少。本文作者借助于ANSYS软件对深海特殊环境中往复动密封的Y形圈进行仿真分析，通过正交试验的方法对Y形圈截面参数进行优化，从接触应力和等效应力两方面评价密封性能，为深海装备Y形圈密封结构设计和优化提供参考。

1 Y形圈密封模型

按照GB 10708.1—2000和GB/T 2879—2005，以规格50 mm×40 mm×6.3 mm的活塞杆密封沟槽用Y橡胶密封圈为例进行分析，密封结构如图1所示。其中：唇部宽度S1=6.2 mm，根部宽度S2=4.4 mm，高度H=5.6 mm，密封间隙f=0.2 mm，槽底圆角半径R=0.2 mm，唇底圆角半径A=0.5 mm，唇底深度B=1.7 mm，唇间夹角C=45°，唇边长度G=2.8 mm，根部倒角E=0.2 mm。

图1 Y形圈密封结构

仿真模型中，对Y形圈密封结构限定如下：

(1)假设Y形圈和沟槽是都是轴对称的，忽略安装误差，将Y形圈密封结构简化为二维模型；

(2)橡胶材料是均匀、连续的，忽略环境温度、油液腐蚀、蠕变对橡胶的影响；

(3)缸体与密封圈是刚柔接触，缸体和活塞不可压缩、用线条替代[6-9]。

Y形圈选用耐油耐腐蚀的丁腈橡胶(NBR)，ANSYS中采用材料常数为C10、C01的两参数Mooney-Rivlin模型模拟橡胶非线性力学行为，材料硬度为邵氏85，C10=1.87 MPa、C01=0.47 MPa，屈服强度为9.24 MPa，抗剪强度为4.6 MPa[2，5]。

活塞杆Y形圈往复动密封中主要有内、外2个行程，以压缩率25%、油液压力10 MPa作为工作载荷，分析深海5 000 m环境中，内、外2个行程中密封应力的变化。环境压力施加到Y形圈的整个外圈，油液压力施加到Y形圈唇部与油液接触的区域，内行程中Y形圈承受油液压力、活塞杆顺着Y形圈开口方向移动，外行程中Y形圈不承受油液压力或者只承受很小的回油压力、活塞杆逆着Y形圈开口方向移动，压力载荷如图2所示[14]。

图2 压力载荷

2 密封性能分析

Y形圈正常工作时不仅要产生足够大接触应力，也要确保密封自身不发生损坏，主要从两个方面判定它的密封性能[2，5]：

(1)Y形圈与接触面之间的最大接触应力要大于油液的工作压力；

(2)最大等效应力要小于材料的屈服强度。

根据密封性能判定依据，Y形圈往复动密封过程中主要考虑接触应力、等效应力以及它们的最大值。文中最大接触应力用pjcmax表示、最大等效应力用pdxmax表示。Y形圈内行程中密封应力分布如图3所示，外行程中密封应力分布如图4所示。

图3 内行程密封应力

图4 外行程密封应力

从图3和图4可知，工作状态的Y形圈形状发生明显变化，唇边被压缩至与底部平齐，在油液压力作用下Y形圈的接触应力与外行程相比发生明显变化。接触应力沿中心线对称分布，内行程中pjcmax在Y形圈唇边外侧凸起的区域，Y形圈整个外侧与密封槽、活塞都存在接触应力，pjcmax=12.5 MPa；外行程中pjcmax也在Y形圈唇边外侧凸起的区域，接触长度较短，pjcmax=3.32 MPa，总体的接触应力较内行程中的低。等效应力沿中心线呈对称分布，内行程中pdxmax在Y形圈底部与活塞接触的密封间隙处，pdxmax=6.78 MPa，Y形圈唇底圆角处的等效应力也比较大；外行程中pdxmax在Y形圈唇底圆角处，pdxmax=3.07 MPa，总体的等效应力较内行程中的低。内、外行程中的pjcmax大于油液压力、pdxmax小于材料的屈服强度，Y形圈在深海环境中满足密封要求。

3 结构优化分析

3.1 正交试验设计

为了研究Y形圈的截面参数对应力的影响及其重要程度，设计正交试验[15]。各参数相互独立，不存在交互作用。Y形圈内行程中的工况较外行程更复杂，接触应力、等效应力在内行程中均大于外行程，Y形圈在内行程更容易破坏，因此在Y形圈结构优化中将内行程中的应力作为试验目标。以唇底圆角半径A、唇底深度B、唇间夹角C、唇边长度G、根部倒角E等参数作为试验因素，各因子水平范围结合实物测量和文献[8]确定，如表1所示。

表1 正交试验因子与水平

根据因素和水平数据，设计5因素5水平的正交试验方案，选用正交表L25(56)，如表2所示。

表2 正交试验方案及结果

3.2 极差分析

工程实际中通常采用极差来分析正交试验的结果，极差用R表示，是某因子不同水平试验结果均值的最大值与最小值的差值；Ki表示i水平的试验结果的均值。根据各因子极差的大小可以判断该因子的重要程度，极差越大，该因子越重要[16]。

3.2.1 最大接触应力分析

pjcmax极差分析如表3所示，各因子对pjcmax影响的重要程度依次为E(0.78)>C(0.56)>B(0.46)>G(0.44)>A(0.40)。pjcmax越大，它与工作压力差值越大，密封越可靠，因此pjcmax越大越好，优化结果为E5C5B4G3A1/A3。

表3 最大接触应力极差分析

3.2.2 最大等效应力分析

pdxmax极差分析如表4所示，各因子对pdxmax影响的重要程度依次为E(0.86)>A(0.64)>B(0.61)>C(0.48)>G(0.45)。pdxmax越大，橡胶越容易屈服，密封效果越差，因此pdxmax越小越好，优化结果为E2A5B2C3G4。

表4 最大等效应力极差分析

3.3 综合优化分析

3.3.1 影响因子分析

通过极差分析可知不同目标下的优化组合不同，为了更准确分析不同因子对密封应力的影响程度，进一步分析不同目标下极差占比(极差占总极差的百分数)，接触应力和等效应力同等重要，通过极差占比平均值的大小确定各因子的重要程度，极差占比如表5所示，各因子对密封性能影响的重要程度依次为E>B/C>A>G，Y形圈截面5个参数中，根部倒角对密封影响最大，唇底深度、唇间夹角、唇底圆角半径次之，唇间夹角影响最小。

表5 极差占比

3.3.2 水平分析

不同水平下各因子对密封应力的影响如图5所示。

图5 各因子不同水平下的密封应力

对于因子E，结合图5(a)，水平2和5的pdxmax较小，水平5具备pdxmax较小的条件下pjcmax较大的特点，优选结果为E5。对于因子B，主要考虑2、4两个水平，结合图5(b)，水平4相较水平2的pjcmax增大0.95%，pdxmax增大3.60%，综合来看水平2更优，优选结果为B2。对于因子C，主要考虑3、5两个水平，结合图5(c)，水平5相较水平3的pjcmax增大3.7%，pdxmax增大6.8%，优选结果为C3。对于因子A，结合图5(d)，主要考虑3、5两个水平，水平5相较水平3的pjcmax降低2.2%，pdxmax降低10.1%，综合来看水平5更优，优选结果为A5。对于因子G，主要考虑2、4两个水平，结合图5(e)，pjcmax相同的情况下水平4的pdxmax小，综合来看水平4更优，优选结果为G4。

综上，最优组合为E5B2C3A5G4，根部倒角E=0.3 mm、唇底深度B=1.6 mm、唇间夹角C=45°、唇底圆角半径A=0.60 mm、唇边长度G=2.90 mm。优化后Y形圈内行程的pjcmax=13.0 MPa，pdxmax=5.39 MPa。与正交试验中的25组数据相比，虽然优化后的pjcmax虽不是最大，但也属于较大值，优化后的pjcmax大于正交试验均值(12.5 MPa)、pdxmax小于正交试验均值(6.09 MPa)。第14组试验结果比优化后的pjcmax提高5.38%，但pdxmax也增大了10.58%，提高pjcmax的同时pdxmax也大幅提高，不可取。综合对比优化后的性能优于正交试验的结果，与原结构相比，优化后的pjcmax提高3.99%，pdxmax降低20.50%，提高了Y形圈密封的可靠性。

优化前后Y形圈密封应力随深度的变化如图6所示。可知，从海面到深海5 km的过程中，pjcmax和pdxmax都略有增大，增幅小于5%；环境压力对最大密封应力是有益的，对最大等效应力的影响也很小，优化后的pjcmax都比原结构的大，pdxmax都比原结构的小，能够确保Y形圈在深海密封的性能。

图6 密封应力随海水深度变化

4 结论

以压缩率25%、油液压力10 MPa、丁腈橡胶硬度85的活塞杆用Y形圈为例，讨论了深海5 km范围内环境压力变化对Y形密封圈最大接触压力、最大等效应力的影响。主要结论如下：

(1)通过正交试验表明，Y形圈截面5个主要参数中，根部倒角对Y形圈的最大接触应力影响最大，唇间夹角的影响最小，其余3个参数对最大接触应力影响较小且差异不大；根部倒角对Y形圈的最大等效应力影响最大，唇底圆角半径和唇底深度次之，唇间夹角和唇边长度影响较小。通过极差占比综合分析，根部倒角对密封影响最大，唇底深度和唇间夹角影响次之，唇底圆角半径的影响再次之，唇间夹角对密封影响最小。

(2)通过各参数对密封应力影响趋势的分析，得到了Y形圈的一种优化结构：根部倒角E=0.3 mm，唇底深度B=1.6 mm，唇间夹角C=45°，唇底圆角半径A=0.6 mm，唇边长度G=2.9 mm，优化后的最大接触应力提高3.99%，最大等效应力降低20.50%，提高了密封性能及密封圈的可靠性。

(3)优化后Y形圈从海面到深海5 km的过程中，最大接触应力和最大等效应力都略有增大，但增幅小于5%，最大接触应力和最大等效应力优于原结构，能够确保在深海环境中的密封性能。