開口缸氣動彈射裝置密封性能仿真分析與試驗研究

王 恒，任 杰

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

無桿式開口缸彈射裝置是一類特殊用途的氣動作動器，由開口缸、傳動活塞、密封組件等部件組成，具有安裝空間小、速度高、全行程作動等優點。典型的軍事應用是美國的C-13-1和C-13-2型號蒸汽彈射器，其采用了一組對稱布置的無桿式開口缸，以壓縮蒸汽為動力實現了艦載機的高速重載彈射。本文中無桿式開口缸高壓氣動彈射裝置的結構如圖所示，其具有內彈道穩定可控、發射成本低、無污染、發射后無需清潔等優點，能較好的解決當前導彈武器冷發射方式存在的問題，是創新的發射原理。

開口缸高壓氣動彈射裝置實現高速彈射的其中一個難點在于彈射過程中活塞的高速動密封性能，是制約彈射實現和性能提升的關鍵，因此開展開口缸氣動彈射裝置活塞密封性能研究具有重要的意義。迪力夏提·艾海提等[1-3]通過有限元分析和臺架試驗對氣動往復Y型密封圈在不同工況下的密封性能進行研究；黃樂[4]利用ANSYS對Y形圈進行密封性能仿真,采用了一種循環迭代的方法尋找介質壓力施加邊界，此法較為復雜。歐陽小平等[5-7]以航空作動器的VL密封為研究對象，基于混合潤滑假設，建立了考慮微觀表面、空化效應與潤滑油黏溫效應的二維多物理場耦合往復密封模型，揭示了壓力、溫度、速度等因素對VL密封性能的影響規律；吳長貴等[8]基于有限元分析方法，對VL密封圈的密封性能進行分析，研究了介質壓力對密封唇口接觸應力分布的影響；Yu-li Huang等[9-10]通過有限元計算獲得接觸壓力分布，將其等效為油膜壓力，通過逆向求解Reynolds方程，尋求油膜載荷與密封圈動態接觸載荷的平衡點，研究了潤滑油充裕與乏油條件下的往復活塞桿的密封、潤滑特性。

本文通過有限元仿真分析，為VL型密封圈用于彈射活塞的高速、高壓動密封提供了理論依據，并結合密封性能試驗驗證了密封方案的可行性和密封性能的良好性。

1 彈射裝置密封環境特點及密封方案

1.1 密封環境特點

無桿式開口缸高壓氣動彈射裝置以氣動技術為基礎，以高壓氣體(壓縮空氣)作為動力源及工作介質，由高壓氣罐內預先蓄積的高壓氣體在氣動閥開啟時快速釋放進入彈射氣缸內，對活塞進行瞬間加速，活塞通過動力輸出臂傳遞彈射動力。彈射活塞在高壓氣體的推動下能在0.7s左右時間內加速到30m/s完成彈射，彈射過程中缸內氣壓瞬間可達到9MPa高壓。開口缸高壓氣動彈射裝置密封結構示意圖如圖1，彈射活塞與氣缸內壁之間的密封不僅屬于典型的動密封范疇，而且還具有明顯的壓力高、速度快、行程長和瞬間沖擊的特點，由于其密封環境十分惡劣，所以對彈射活塞密封件的選擇具有很高的要求。

圖1 開口缸高壓氣動彈射裝置密封結構示意圖

1.2 VL型密封圈結構形式與密封機理

VL型密封圈是TRELLEBORG(特瑞堡)公司為航空液壓作動器專門設計的一種適用于高壓、高速環境下的密封結構，由聚四氟乙烯V形圈和橡膠O形圈組成。其結構示意圖如圖2，V形圈與氣缸內壁接觸處的刃口，稱為密封圈唇口(以下簡稱唇口)。VL型密封圈安裝時需使O形圈有一定的預壓縮量，預壓縮量的存在使的唇口緊貼彈射缸內壁形成初始接觸應力，在壓縮氣體開始瞬間作用時起初始密封作用；當氣體壓力增大時，O形圈被擠壓，與密封槽壁緊密接觸，發生彈性變形，施加更大的力擠壓V形圈，使唇口更加緊貼氣缸內壁，氣體壓力越大，唇口與氣缸內壁之間的接觸應力也越大，從而實現自緊型密封。在工作介質壓力作用后VL型密封圈共有三個密封接觸面分別為密封接觸面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中密封接觸面Ⅰ也即為唇口處密封接觸面，三個密封面接觸應力分布狀況決定著密封圈整體的密封性能。

圖2 VL型密封圈結構與密封接觸面示意圖

對于幾乎所有類型動密封來說，密封件的潤滑對于其密封性能與壽命均起非常重要的作用。當密封接觸面以工作速度作相對運動時，在密封件與滑移面之間形成一層油膜，油膜的存在可改善密封圈的摩擦條件，減小磨損。在運動狀態下，油膜不是穩定不變的，油膜厚度隨摩擦面的相對速度、流體粘度、接觸面壓力等許多因素影響而改變[11]。

唇口密封接觸面油膜厚度分布如圖3所示。

圖3 唇口密封接觸面油膜厚度分布

唇口密封接觸面油膜厚度的求解可以用流體力學逆解法，根據密封接觸面的油膜壓力，逆向求解Reynolds方程(雷諾方程)得出油膜厚度分布。油膜與壓力關系的雷諾方程式為：

(1)

式中，v為彈射速度；h為油膜厚度；h*為最大壓力點dP/dx=0處的油膜厚度，x為方向坐標；μ為流體粘度；P為油膜壓力。由流體動壓潤滑理論的基本假設可認為油膜壓力P(x)與唇口密封接觸面的接觸應力相等，另外由于潤滑油膜厚度僅為幾毫米，故可假設沿油膜厚度方向油膜壓力不變。接觸應力可從密封圈的仿真結果中提取，所以油膜壓力分布P(x)是已知量。

對式(1)求導，可得：

(2)

將高壓氣體側油膜最大壓力梯度d2P/dx2=0處的點定義為A點，A點處的油膜厚度為hA，如圖所示，則在A點處式(2)變為

(3)

A點處的油膜厚度梯度dh/dx≠0，于是A點處的油膜厚度為：

(4)

進一步可得最大油膜壓力點厚度為：

(5)

將式(4)和式(5)代入式(1)中得：

(6)

通過求解上述三次方程可得出唇口密封處接觸面油膜厚度分布h(x)。

2 VL型密封圈密封性能仿真分析

2.1 有限元仿真模型的構建

本文中選用的為PEL402000M12N型活塞用VL型密封圈，為有效的對密封結構進行仿真求解，可對密封模型做適當的簡化，在建立有限元模型時做以下假設：

1) 由于密封結構的幾何形狀、接觸邊界條件和載荷都是關于活塞中心軸對稱的，可將密封結構看作理想的完全軸對稱模型；

2) 活塞和彈射缸體均為金屬鋼，其彈性模量遠高于密封件材料的彈性模量，且工作過程中相對于密封件受力很小，于是在建模時可將溝槽與彈射缸設置為解析剛體；

3) 因開口缸高壓氣動彈射裝置彈射過程瞬間完成，可忽略缸內溫度變化對密封件材料力學性能的影響。

因此基于以上假設，可在即能保持計算精度又能減少計算時間的情況下將三維的VL型密封圈結構模型轉化為二維軸對稱模型進行仿真分析。在網格劃分時單元類型均采用四邊形單元，O形圈選用四節點雙線性軸對稱雜交減縮單元CAX4RH，該單元可以模擬橡膠材料的大變形等非線性特性，V形圈選用四節點雙線性軸對稱減縮單元CAX4R。密封性能分析時著重分析密封模型中接觸面應力值分布情況，將V形圈、O形圈密封接觸面的網格進行局部細化，于是即能在保證計算結果的精確可靠性的情況下，不會使得密封模型的單元總數很大，進而又可以提高仿真計算的速度。

模擬VL型密封圈在開口缸高壓氣動彈射裝置中的工作狀態可在ABAQUS通過設置不同的分析步實現，本文中總設置了三個分析步用以分別模擬密封圈的預壓縮安裝、靜壓工作狀態、彈射滑動工作狀態。

2.2 氣體壓力加載模擬

在VL型密封圈預壓縮安裝完成后模擬高壓氣體的加載時，尋找出所施加載荷表面的邊界點至關重要，如圖4左圖所示預壓縮后V形圈與O形圈緊密接觸，在氣壓載荷作用下密封接觸面邊界點的位置會發生變化如右圖所示，因此在施加氣壓載荷時應在先尋找密封接觸面邊界點之后才能把氣壓載荷施加到邊界點處。文獻[12]中對于流體壓力的加載給出了兩種方法，一種是指定邊界法，通過事先指定受力的節點確定流體施加的邊界點，這種施加方法顯然與實際情況不符合，但依然被普遍采用。另一種是流體壓力滲透載荷法，載荷從滲透起始點對接觸面開始加載，如果計算中某些節點的接觸壓力值小于流體壓力時，這些點被認定為滲透加載點，反之如果大于流體滲透壓力載荷，流體滲透就會終止。文獻中作者對比兩種加載方法發現采用流體壓力滲透法得到的計算結果更加客觀。

圖4 密封接觸面邊界點變化示意圖

所以本文采用ABAQUS/Standard接觸模塊中的pressure penetration loading(流體壓力滲透載荷)方法來模擬高壓氣體在密封圈一側對密封件和對密封接觸面的作用，pressure penetration loading是基于接觸對定義的，可以模擬仿真計算周圍的液體或者空氣滲透到接觸面的影響。利用流體壓力滲透載荷的方式加載自動尋找密封接觸面邊界點，可在更加接近真實情況下展現高壓氣體作用時VL型密封圈的變形過程和各密封接觸面接觸壓力值的變化規律。

2.3 仿真結果分析

1) 氣壓變化對密封性能的影響

開口缸高壓氣動彈射裝置彈射行程中缸內工作氣體壓強會發生波動，由后續的密封試驗測試可知缸內氣壓在彈射起始時瞬間達到9 MPa左右，彈射過程中的缸內壓強基本保持在7 MPa以上。不同氣壓下密封狀態會發生改變，分析VL型密封圈密封性能隨氣壓大小變化的情況，可更好的用以指導彈射活塞的高速、高壓動密封的設計。

圖5中列出了預壓縮率設定為17%時VL型密封圈在工作氣壓分別為0 MPa、7 MPa、8 MPa、9 MPa下密封接觸面Ⅱ和Ⅲ處的接觸應力云圖，隨著氣壓的增大O形圈逐漸被壓縮，密封接觸面Ⅱ、Ⅲ處的接觸應力最大值均隨氣壓增大逐漸增大；圖6中唇口處密封接觸面隨工作氣壓的增大而逐漸變寬，接觸應力最大值隨工作氣壓的增大逐漸變小。可見通過O形圈的彈性補償將氣壓為轉化為接觸應力，從而實現自緊密封，在不同氣壓下密封區最大接觸應力值均大于工作壓力能實現良好密封。

圖5 氣壓變化對接觸應力的影響

圖6 唇口處(接觸面Ⅰ)接觸應力隨氣壓變化曲線

2) 彈射工作狀態下密封性能仿真分析

在開口缸高壓氣動彈射裝置活塞運動行程中密封圈與氣缸內壁之間的摩擦主要集中在唇口接觸面處，在彈射狀態下對VL型密封圈進行密封性能仿真分析，研究唇口接觸面的摩擦力和動壓潤滑油膜厚度在不同彈射速度和氣壓下變化規律。

彈射速度分別選取為10 m/s、20 m/s、30 m/s，工作氣壓分別為7 MPa、8 MPa、9 MPa條件下的唇口處動壓潤滑油膜厚度分布情況如圖7、圖8、圖9所示。從上述圖中可以看出，相同氣壓力條件下唇口潤滑油膜厚度隨彈射速度增大而增加，這是因為滑動速度越大，唇口處流體動壓效應越強從而導致油膜厚度增大；在相同彈射速度下隨著氣壓的增大唇口處潤滑油膜厚度逐漸減小。

圖7 氣壓為7 MPa時唇口處油膜厚度分布曲線

圖8 氣壓為8 MPa時唇口處油膜厚度分布曲線

圖9 氣壓為9 MPa時唇口處油膜厚度分布曲線

唇口處摩擦力的大小是通過下式計算得出的：

(7)

式中:F為唇口所受摩擦力；f(s)為s處的摩擦系數；R為氣缸內壁半徑；P(s)為s處的接觸應力；s為接觸區寬度。

本文中摩擦因數f取為常數0.1，接觸應力值在接觸區上的分布可仿真計算結果中通過路徑輸出得到。于是由式(7)得出唇口處摩擦力的計算結果如圖10所示。

從圖10可以看出，同一彈射速度下唇口處摩擦力隨著工作氣壓的增大而增大，盡管在之前唇口處接觸應力最大值隨工作氣壓增大而減小但是由于接觸寬度的增加從而使得摩擦力是呈現增大的趨勢；在較低彈射速度時油膜潤滑形成，同一氣壓下摩擦力隨速度的增大不斷減小，隨著彈射速度進一步的增大，摩擦力趨于穩定并略微有所減少。綜上所述彈射速度越高越有利于唇口接觸面的潤滑，從而減少摩擦力延長使用壽命，低速彈射時潤滑油膜厚度較薄且摩擦阻力大，VL型密封圈的磨損主要發生在彈射起始加速階段和末尾減速階段。

圖10 唇口處摩擦力隨彈射速度和工作氣壓變化曲線

3 開口缸彈射裝置密封性能驗證試驗

3.1 彈射裝置密封性能試驗系統

開口缸高壓氣動彈射裝置如圖11所示，其密封性能試驗原理如圖12所示，試驗時空氣壓縮機將壓縮空氣注入高壓氣罐中，通過氣動閥控制高壓氣體進入彈射氣缸內，活塞在高壓氣體介質壓力推動下加速運動完成彈射，實時監測活塞前后兩端的氣壓變化情況，用以分析彈射活塞VL型密封圈的密封性能。其主要組成部分開口缸、空氣壓縮機、高壓氣罐、氣動閥等如圖13。

圖11 開口缸高壓氣動彈射裝置

圖12 開口缸高壓氣動彈射裝置密封性能試驗原理圖

氣壓監測系統主要包括數據采集器、數據分析處理軟件以及高精度壓力傳感器等。彈射時高壓氣體由進去口瞬間進入缸內，因此要求壓力傳感器具有較強的抗沖擊能力，并且對數據采集器和壓力傳感器的響應速度和采樣精度均有較高的要求。數據采集器選用的為專注于集成化物理量測試測量的德國imc公司的CS-5008型采集器，壓力傳感器選用的為遠東儀器儀表公司的YD131壓力變送器，參見圖14。

圖13 空氣壓縮機、高壓氣罐、氣動閥

圖14 CS-5008型數據采集器與壓力傳感器

3.2 彈射裝置密封性能試驗驗證分析

為驗證VL型密封圈用于彈射活塞的密封性能，分別開展了靜態和彈射動態密封試驗，在缸體上安裝有壓力傳感器，監測點的位置參見圖15，試驗結束后提取各監測點氣壓數據如圖16所示。

圖15 壓力監測點位置示意圖

從圖16中的靜態進氣口處壓強變化曲線可以看出氣缸內壓強隨著氣動閥的開啟迅速上升，因開口缸彈射裝置的特點在鋼帶密封條對開口處的密封會有微量的泄露，所以氣缸內壓強會有所降低；彈射活塞低壓端監測到的氣壓數據為零，說明VL型密封圈密封對彈射活塞與氣缸內壁之間的靜態密封具有很好的效果，或許也有可能存在非常微弱的氣體泄漏，泄漏量遠低于壓力傳感器的測量精度，但這也表明了VL型密封圈的密封效果很好。為減小試驗誤差，經多次試驗后彈射活塞低壓端監測到的壓強數據變化仍為零。

圖16 彈射過程中各監測點壓強變化曲線

從圖16可以看出隨著彈射活塞的運動各監測點實時監測氣壓的變化情況，氣缸內壓強呈現逐漸減小的趨勢較為明顯，原因是彈射活塞向前運動氣缸容積增大氣動閥進氣量無法補充迅速增大的容腔。各監測點均在彈射活塞過后時刻采集到氣壓瞬時迅速爬升，在經過監測點之前監測到缸內氣壓沒有發生變化，由此表明VL型密封圈在開口缸高壓氣動彈射裝置的彈射行程中具有非常好的動態密封效果。

4 結論

1) VL型密封圈中各密封接觸面的接觸應力最大值隨工作氣壓的增大而增大，并且唇口處的接觸應力最大值均大于其他密封接觸面的接觸應力的最大值，在不同工作氣壓下各密封接觸面最大接觸應力值均大于最大工作氣壓值，能實現彈射活塞良好的密封。

2) 在彈射狀態時，相同氣壓條件下唇口動壓潤滑油膜厚度隨彈射速度增大而增加，這和經驗規律比較吻合；在相同彈射速度下，隨著氣壓的增大唇口處潤滑油膜厚度逐漸減小，VL型密封圈的磨損主要發生在彈射起始加速階段和末尾減速階段。

3) 在開口缸高壓氣動彈射裝置中VL型密封圈對于彈射活塞和氣缸內壁之間具有很好的靜態和彈射動態密封效果，驗證了VL型密封圈用于氣動彈射活塞的高壓、高速動密封的方案可行性，同時也驗證了數值模型的有效性，為彈射裝置密封結構設計奠定了基礎。