O型橡膠圈動密封結構的有限元分析

郭麗霞　關靜巖

摘 要：建立深海旋轉軸O型橡膠圈動密封結構三維模型，采用ABAQUS /Explicit非線性有限元方法計算了O型橡膠圈在工作水壓和工作轉速下的接觸壓力。通過這些研究，確定了O型橡膠圈接觸壓力的分布規律，分析了水壓和工作轉速等典型參數對密封性能的影響。

關鍵詞：接觸壓力；溫度；密封；O型橡膠圈

中圖分類號：TB42 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.019

在早期，國內報道的深海旋轉軸密封主要是從承壓型密封方面來考慮的。1982年，我國的張訓義就提出了深海動態密封，主要是分析O型密封圈在深海環境下1 000 m內的往復運動、旋轉運動和振蕩運動的動態密封情況；1993年，國內學者從材料的選擇、結構特點和經濟效益等方面報道了機械密封在水下機器人中的應用；1994年，美國報道了一種用于深海旋轉軸的雙重密封專利。

深海承壓型密封相當于常壓環境中使用的高壓密封，它的不同之處在于，常壓下的高壓密封一般可以防止流體從設備內部向外部泄漏，而深海密封是防止外部流體沿密封件進入設備內部，并且其允許的泄漏量很小。

推進系統的主要功能是為水下裝備的航行提供所需要的推進動力，其密封的可靠性直接影響裝備作戰任務的完成。針對推進系統無潤滑密封問題，應用可靠性技術、材料學、動密封技術和磨損理論等，分析了該系統的動態特性和失效機理，并建立系統有限元模型，用于研究不同載荷和環境條件下系統密封件的變形情況和密封特性。

1 計算模型

1.1 橡膠材料的本構關系

橡膠是一種各向同性、可高度變形、高彈性和壓縮性較小的材料，其不僅具有類似于金屬材料的彈性，還具有類似于黏性液體吸收能量的性質。同時，由于橡膠材料的特性非常復雜，其材料和幾何特性均呈非線性變化，在實際應用中，往往還存在著邊界條件復雜和接觸非線性等問題。所以，橡膠結構的有限元分析屬于非線性有限元范疇，其非線性突出地表現在以下3方面：①橡膠材料的應力應變關系是一個非常復雜的非線性函數，用應變能函數表示；②橡膠在力的作用下，一般伴隨著大位移、大應變，其應變位移關系也是非線性函數；③密封計算的邊界條件非常復雜，必須包含接觸面的受力計算，呈非線性關系。

對于橡膠應變能函數，一般采用穆尼-瑞林（Mooney-Rivlin）模型來描述，其函數表達式為：

W=C1（I1-3）+C2（I2-3）. （1）

式（1）中：W為應變能密度；C1，C2為材料Mooney-Rivlin系數；I1，I2為第一、第二應變張量不變量。

本文中，C1，C2分別為1.87，0.47.

1.2 有限元模型建立

根據密封系統的結構特點、密封件實際尺寸和溝槽尺寸，建立具有剛柔接觸的密封系統有限元模型，如圖1所示。密封件的材料為橡膠材料，近似為不可壓縮超彈性體，密封套固定約束，密封套和外軸均與橡膠圈接觸。

對此模型進行網格劃分，其結果如圖2所示。圖2中，模型全部采用六面體單元，并且在外軸外側劃分4層較密網格。這是因為這部分單元與密封圈、密封套接觸，存在應變，而外軸內部幾乎不存在變形。

2 工作水壓和工作轉速對密封性的影響

2.1 O型橡膠圈密封工作原理

O型橡膠圈是一種擠壓型密封。擠壓型密封的基本工作原理是依靠密封件發生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質的內壓，則不發生泄漏；反之，則發生泄漏。在動密封系統中，O型橡膠圈與外軸、密封套有3個接觸面，如圖3所示。根據O型橡膠圈的密封工作原理，3處接觸面的接觸壓力皆大于工作水壓時，才能達到密封效果。因此，在以下的分析中，分別計算、分析了O型橡膠圈3個接觸面在指定工作水壓和工作轉速下的接觸壓力，并判定O型橡膠圈是否可以達到密封效果，進而確定工作水壓和工作轉速對O型橡膠圈密封性能的影響。

2.2 工作水壓

在此次分析中，分別在水壓為0 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa時分析動密封系統，并得出在各水壓下O型橡膠圈所承受的接觸壓力，如圖4所示。

從圖4的分析結果中可以看出，當水壓為0 MPa、0.5 MPa時，只有Ⅰ、Ⅲ接觸面上的接觸壓力較為明顯。隨著水壓的增大，在水壓達到1 MPa后，Ⅱ接觸面上的接觸壓力逐漸明顯且趨于穩定，各水壓下O型橡膠圈所承受的接觸壓力也是在不斷增大的。至于接觸壓力不均，則是因為在外軸運動的過程中，所產生的波動可能會導致接觸壓力的受力不均，并且橡膠圈的爬行可能會加劇這種情況的發生而引起的。但是，這種情況只是瞬間發生的，因此，其平均接觸壓力即可用來判定其密封性能。經過計算，各水壓下其平均接觸壓力均大于其計算水壓，如表1所示，滿足密封的要求。為了更嚴謹的定義工作水壓對O型橡膠圈密封性能的影響，下面簡要分析各水壓下橡膠圈的溫升情況，其結果如表1所示。從其計算數據中可以看出，隨著水壓的增大，橡膠圈的升溫幅度在不斷加大，并且加速了橡膠圈的老化速度。因此，用工作水壓來增強橡膠圈的密封性能僅限定在一定的水壓下。

2.3 工作轉速

在此次分析中，分別在轉速V=0 r/min、191.5 r/min、383 r/min、574.5 r/min、766 r/min時分析動密封系統，并得出在各轉速下O型橡膠圈所承受的接觸壓力，如圖5所示。

從圖5的分析結果中可以看出，各轉速下O型橡膠圈的接觸面大致相同。這主要是因為在加載轉速前已經加載了水壓，并且各轉速下水壓恒定。同時，從圖5中的數據中可以看出，橡膠圈在各轉速下所承受的接觸壓力變化不大，這點也可以從其平均接觸壓力上看出，如表2所示。由此可見，在工作過程中，O型橡膠圈所承受的接觸壓力主要與工作水壓有關，而工作轉速對O型橡膠圈所承受的接觸壓力影響不大。

橡膠圈的密封性能還受橡膠老化問題的限制。為了進一步說明轉速對橡膠圈密封性能的影響，分析其在各轉速下的溫升情況，其結果詳見表2. 從表2中的數據中可以看出，隨著轉速的不斷加大，橡膠圈升溫幅度也在不斷提高，從而加速了橡膠圈的老化速度，損害橡膠圈的密封性能，降低其使用壽命。

3 結論

從O型橡膠圈在不同工作水壓和工作轉速的分析結果中可以看出，當只考慮接觸壓力這一密封性能指標時，增大工作水壓可以提高密封性能，而增大轉速則對接觸壓力的影響不大。同時，考慮到溫度變化對橡膠老化的影響，計算了橡膠圈在不同工作水壓和工作轉速下的升溫幅度。分析結果表明，工作水壓和工作轉速都會導致橡膠圈溫度升高，加速橡膠圈的老化速度。因此，如何降低橡膠圈在工作過程中的升溫問題還有待進一步研究。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕