往復(fù)密封數(shù)值仿真模型及試驗驗證*

黃 興 夏迎松2 黃 樂 郭 飛3 賈曉紅3 王文虎

(1.廣州機械科學(xué)研究院有限公司 廣東廣州 510700；2.安徽中鼎密封件股份有限公司 安徽宣城 242300；3.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室 北京 100084)

橡塑密封是工業(yè)設(shè)備的關(guān)鍵、核心基礎(chǔ)零部件之一，是設(shè)備安全可靠運行的重要保障。而往復(fù)密封又是一種常用橡塑密封形式，開展其性能研究，研制高性能往復(fù)密封對加快我國工業(yè)強國的進程具有重要意義。

往復(fù)密封的研究起始于20世紀30年代，直到最近十幾年隨著計算機的普及和數(shù)值方法的完善，往復(fù)密封的數(shù)值研究才得以發(fā)展[1]。近些年不少學(xué)者基于有限元方法開展了往復(fù)密封力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)分析[2-4]。但通過有限元分析方法只能獲得密封圈的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，通過這些信息只能間接判斷密封圈的性能優(yōu)劣，這是由于有限元分析只能對密封圈的受力變形進行求解，未能考慮潤滑介質(zhì)的影響，無法得到可直接表征密封圈性能的摩擦力、泄漏量等參數(shù)的大小。

因此，本文作者基于混合潤滑建立往復(fù)密封數(shù)值仿真模型，實現(xiàn)密封性能參數(shù)如摩擦力、泄漏量的仿真計算，并通過往復(fù)密封基礎(chǔ)試驗臺開展斯特封臺架試驗，驗證模型計算結(jié)果的正確性，從而為往復(fù)密封的設(shè)計評價提供參考。

1 往復(fù)密封系統(tǒng)及仿真模型

圖1給出了一種斯特封往復(fù)密封系統(tǒng)。斯特封處于壓縮狀態(tài)安裝在缸筒溝槽上，其單向密封的作用，斯特封壓縮量的大小由斯特封及其安裝溝槽的內(nèi)外徑尺寸共同決定。工作時，軸在外力的驅(qū)動下做往復(fù)運動，斯特封的圖示右側(cè)會承受介質(zhì)壓力。

穩(wěn)態(tài)下，斯特封的密封接觸區(qū)存在3個力，分別是斯特封彈性變形產(chǎn)生靜態(tài)接觸壓力psc、流體動壓產(chǎn)生的油膜壓力pc以及粗糙峰接觸產(chǎn)出的粗糙峰接觸壓力pcon。其中，油膜壓力與粗糙峰接觸壓力之和與靜態(tài)接觸壓力的大小相等[5]。

圖1 斯特封的往復(fù)密封系統(tǒng)示意圖

1.1 計算流程

數(shù)值仿真流程就是通過修正油膜厚度使上述這3個力達到平衡狀態(tài)，求解過程如圖2所示。

首先，通過有限元分析軟件ANSYS對密封件進行固體力學(xué)分析求解密封件的靜態(tài)接觸壓力psc和影響系數(shù)矩陣In，然后假定初始膜厚分別通過流體力學(xué)分析、接觸力學(xué)分析求解油膜壓力pc、粗糙峰接觸壓力pcon，再通過變形力學(xué)分析基于影響系數(shù)法確定油膜厚度的修正量，反復(fù)迭代最終達到的三力平衡狀態(tài)，獲得此時的接觸區(qū)的油膜厚度、油膜壓力、粗糙峰接觸壓力等信息，進而求出密封件泄漏量和摩擦力等性能參數(shù)。

圖2 數(shù)值仿真流程圖

1.2 固體力學(xué)分析

通過有限元分析方法模擬密封件的受力變形，獲得密封圈的靜態(tài)接觸壓力和影響系數(shù)矩陣。由于斯特封的結(jié)構(gòu)和受力具有軸對稱特點，為了提高計算速度，節(jié)省計算機資源，分析采用了2D軸對稱模型[6]；選用高階單元PLANE183作為分析單元；選用Mooney-Rivlin模型作為密封件彈性體的材料本構(gòu)模型，通過標準的單軸拉伸壓縮實驗獲得材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，再由ANSYS軟件擬合得到Mooney-Rivlin模型中的材料參數(shù)；選用四邊形網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分[7](如圖3所示)。

圖3 網(wǎng)格劃分

通過四大載荷步進行有限元分析，第一個載荷步是模擬斯特封的O形圈與耐磨環(huán)的過盈配合，第二個載荷步是通過對活塞或缸筒施加X方向的位移載荷模擬斯特封的預(yù)緊裝配狀態(tài)，第三大載荷步是通過對斯特封施加均布壓力模擬其承壓工作狀態(tài)，均布壓力的施加邊界通過循環(huán)迭代的方法獲取，第四大荷步則是用于計算斯特封接觸區(qū)的影響系數(shù)矩陣In。

1.3 流體數(shù)值計算

油膜穩(wěn)定狀態(tài)下密封性能參數(shù)通過求解一維雷諾方程獲得，方程中引入空化指數(shù)F和通用變量Φ來表征空化效應(yīng)，同時基于統(tǒng)計學(xué)采用流量因子描述唇口粗糙度對流場的影響，密封接觸區(qū)的粗糙峰接觸力利用Greenwood-Williamson接觸模型進行計算，變形分析中通過利用影響系數(shù)法得到密封件接觸區(qū)的法向變形[8-10]。

2 試驗臺架

通過往復(fù)密封基礎(chǔ)試驗臺架開展斯特封密封特性的試驗研究，來驗證數(shù)值仿真模型的正確性。往復(fù)密封實驗臺的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，包括高低溫箱、被試缸、驅(qū)動缸、支撐平臺、拉壓力傳感器、泄漏量測量系統(tǒng)、位移傳感系統(tǒng)、溫度傳感器等。其中高低溫箱具有制冷和加熱功能，可實現(xiàn)-45～120 ℃范圍內(nèi)的溫度變化，且底部裝有滾輪，可以視實際需要配合被試缸開展往復(fù)密封件的高低溫試驗。被試缸與驅(qū)動缸之間裝有拉壓力傳感器，通過傳感器測量往復(fù)運動過程中密封圈的摩擦力。

圖4 往復(fù)基礎(chǔ)試驗臺示意圖

被試缸的結(jié)構(gòu)如圖5所示，缸中有2個密封槽塊，用以安裝被試密封件，拉壓傳感器測得的就是被試缸中2個密封圈的摩擦力合力，單個斯特封的摩擦力近似等于測量值的1/2。

圖5 被試缸結(jié)構(gòu)示意圖

由于正常安裝的斯特封在工作中是零泄漏的，因此試驗時將其進行反裝，使其發(fā)生泄漏，從而實現(xiàn)其泄漏量測量。

3 計算結(jié)果及分析

選擇規(guī)格為φ36 mm×φ46.7 mm×4.2 mm斯特封開展臺架試驗，斯特封耐磨環(huán)的材料為PTFE，O形圈的材料為NBR，分析其在不同介質(zhì)壓力、不同速度下正反裝的摩擦力與泄漏量，并通過試驗臺架驗證計算結(jié)果的正確性。相關(guān)參數(shù)如下：NBR材料Mooney-Rivlin模型參數(shù)C10=0.88 MPa，C01=2.27 MPa，C11=4.01 MPa，PTFE材料的彈性模量E=900 MPa，泊松比ν=0.4，摩擦因數(shù)f=0.1。內(nèi)外行程壓力pf=0.1～35 MPa，環(huán)境壓力pa=0.1 MPa，空化壓力pcav=0，往復(fù)速度v=0.05～0.5 m/s，行程長度B=0.4 m，缸徑Di=36 mm，潤滑油黏度μ=0.04 Pa·s。

通過美國zygo公司的Zegage形貌測量儀測量斯特封的表面粗糙度，測量結(jié)果如圖6所示，通過多次測量取平均值得出斯特封密封面的方均根粗糙度值σ=4.5 μm。

圖6 斯特封耐磨環(huán)表面形貌測量結(jié)果

在速度0.3 m/s，介質(zhì)壓力0.1～35 MPa下測量斯特封的摩擦力。摩擦力仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比情況如圖7所示。可以看出：不同介質(zhì)壓力下的仿真結(jié)果與試驗測量結(jié)果都比較接近，變化趨勢也比較吻合，說明數(shù)值模型的計算結(jié)果有較高的參考價值。

在速度0.5 m/s，介質(zhì)壓力35 MPa下對斯特封進行了試驗，測量了反裝斯特封往復(fù)運動10萬次過程中的泄漏量，并對比反裝斯特封泄漏量的仿真計算結(jié)果，對比情況如圖8所示。可以看出：試驗與仿真結(jié)果比較接近，變化趨勢非常吻合，說明數(shù)值模型的泄漏量的計算結(jié)果有較好的參考價值和可信度，由于仿真計算未考慮斯特封往復(fù)運動過程中的磨損現(xiàn)象，使得試驗后期測得的泄漏量比仿真計算結(jié)果偏大。

圖7 摩擦力隨壓力變化對比結(jié)果

圖8 泄漏量測量與仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1)綜合考慮密封系統(tǒng)的固體力學(xué)分析、流體力學(xué)分析、接觸力學(xué)分析以及變形力學(xué)分析，建立了往復(fù)密封的混合潤滑理論模型，實現(xiàn)往復(fù)密封摩擦力、泄漏量等性能參數(shù)的仿真計算。

(2)選擇典型的往復(fù)密封件斯特封開展往復(fù)密封臺架驗證試驗，對往復(fù)密封最重要的性能指標摩擦力和泄漏量的仿真計算結(jié)果進行驗證，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好，說明數(shù)值模型的計算結(jié)果有較高的參考價值。

(3)斯特封的瞬時摩擦力隨著介質(zhì)壓力的升高而增大，反裝斯特封的泄漏量隨著往復(fù)行程的累積而增加，但由于斯特封運動過程中的磨損等原因，其泄漏率并非線性增加，因此要實現(xiàn)累積泄漏量的準確預(yù)測是一件困難的事，需要綜合考慮密封工作過程中材料和結(jié)構(gòu)的的動態(tài)變化。