加氫槍用滑環(huán)式組合密封圈密封性能研究

王 濤， 董聿森， 滕磊軍， 孫擁軍

（北京航天試驗技術(shù)研究所， 北京 100079）

0 引言

氫氣加氫槍是氫加注的關(guān)鍵設(shè)備， 因此氫氣的可靠密封至關(guān)重要。 滑環(huán)式組合密封圈一般由O 形圈和滑環(huán)組成，根據(jù)滑環(huán)形狀分類，有方形（格來圈）、階梯形（斯特圈）和齒形滑環(huán)（斯齒圈）等。

學(xué)者采用有限元和試驗手段對滑環(huán)式組合密封圈進(jìn)行了研究。 Heipl 等人[1]在不同工況（2.5MPa～100MPa）和不同油溫（30℃～70℃）下，對方形組合密封圈和階梯形組合密封圈進(jìn)行了動密封性能研究。 Yang 等[2]研究了旋轉(zhuǎn)方形滑環(huán)密封圈的摩擦特性。陳國棟[3]開展了常溫和低溫（-40℃）下齒形滑環(huán)組合密封性能的仿真研究，O 形圈材料為丁腈橡膠，滑環(huán)材料為增強(qiáng)聚四氟乙烯（RPTFE），研究指出，溫度對O 形圈的失效影響較大；摩擦系數(shù)不影響密封性能。 韓傳軍等[4]的模擬分析表明：增加初始壓縮率可提高齒形滑環(huán)組合密封圈的密封性能。 陳家旺等[5]對齒形滑環(huán)組合密封件的摩擦力矩進(jìn)行了計算， 滑環(huán)材料為RPTFE， 發(fā)現(xiàn)摩擦力矩與介質(zhì)壓力之間基本呈線性關(guān)系。 蔚利軍[6]研究了兩種組合密封圈，O 形圈材料為丁腈橡膠，滑環(huán)材料為RPTFE，介質(zhì)壓力0～35MPa，結(jié)果表明：方形滑環(huán)式組合密封圈滑環(huán)與軸的接觸應(yīng)力受O 形圈預(yù)壓縮量和氣壓影響較小。

綜上所述，目前研究集中，滑環(huán)材料一般是PTFE）或RPTFE。在高壓氫氣環(huán)境中，通常使用聚醚醚酮（PEEK）材料。但將PEEK 作為滑環(huán)材料的研究鮮有報告。 本文設(shè)計了一種加氫槍用滑環(huán)式組合密封圈，O 形圈和滑環(huán)分別采用航天特種氟橡膠和PEEK 材料， 對其密封性能進(jìn)行了研究。

1 有限元模型

圖1 所示為本文設(shè)計的滑環(huán)式組合密封圈， 滑環(huán)形狀為階梯型， 在滑環(huán)與被密封件的接觸面上開了一個圓周槽。 在安裝狀態(tài)下，滑環(huán)與被密封件是過盈配合，過盈量為0.01mm，O 形圈截面直徑為2.65mm， 預(yù)壓縮率為18.9%。

圖1 滑環(huán)式組合密封圈實物與結(jié)構(gòu)圖

密封圈的軸對稱有限元模型如圖2 所示。 活塞桿為被密封件，活塞用于安裝密封圈，材料都為304 不銹鋼。由于不銹鋼的彈性模量遠(yuǎn)大于PEEK 和氟橡膠，在模型中設(shè)定為剛體。PEEK 采用真實應(yīng)力應(yīng)變曲線[7]，O 形圈采用根據(jù)實際拉伸試驗數(shù)據(jù)擬合得到的5 參數(shù)Mooney-Rivlin 超彈性模型[8]。接觸采用罰函數(shù)法。模擬分三個載荷步進(jìn)行，滑環(huán)的預(yù)裝配、O 形圈預(yù)壓縮和介質(zhì)壓力施加。

2 密封性能仿真分析

本文開展了密封圈密封機(jī)理的研究， 并分析了介質(zhì)壓力對密封性能的影響。 圖3 所示為接觸壓力分布和Von Mises 應(yīng)力分布隨載荷步的變化。介質(zhì)壓力為45MPa。由圖可知，滑環(huán)和活塞桿的最大接觸壓力分布在滑環(huán)圓周槽下側(cè)。 滑環(huán)是階梯型，介質(zhì)力和O 形圈徑向壓縮導(dǎo)致滑環(huán)相對活塞桿有上端徑向遠(yuǎn)離、下端徑向靠近的趨勢，使滑環(huán)下側(cè)產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力。在介質(zhì)壓力施加后， 最大Von Mises 應(yīng)力都出現(xiàn)在滑環(huán)的圓周槽內(nèi)， 最大值約為91.12MPa， 低于PEEK 材料的屈服強(qiáng)度100MPa。

圖3 介質(zhì)壓力45MPa 時接觸壓力和Von Mises 應(yīng)力分布隨載荷步的變化

圖4 所示為最大接觸壓力隨載荷步的變化，介質(zhì)壓力為45MPa。 由圖可知，滑環(huán)預(yù)裝配，活塞桿和滑環(huán)由于過盈配合產(chǎn)生約7.37MPa 的最大接觸壓力；O 形圈預(yù)壓縮，O 形圈與滑環(huán)之間產(chǎn)生約9MPa 的最大接觸壓力，活塞桿和滑環(huán)最大接觸壓力增大到29.26MPa；介質(zhì)壓力施加，活塞桿與滑環(huán)的最大接觸壓力為86.46MPa， 是介質(zhì)壓力的1.92 倍。

圖4 介質(zhì)壓力45MPa 時最大接觸壓力隨載荷步的變化曲線

本文模擬了介質(zhì)壓力分別為5MPa、15MPa、30MPa、45MPa 和60MPa 時的密封狀態(tài)。 接觸壓力和Von Mises分布見圖5。介質(zhì)壓力增大，O 形圈與滑環(huán)的密封接觸面積增大，滑環(huán)與活塞桿的接觸壓力分布變化不大，最大的接觸壓力仍然分布在滑環(huán)圓周槽的下側(cè)。介質(zhì)壓力的增大對最大Von Mises 應(yīng)力分布影響較小， 最大的Von Mises 應(yīng)力均在滑環(huán)內(nèi)部的圓周槽內(nèi)。

圖5 不同介質(zhì)壓力下的接觸壓力和Von Mises 應(yīng)力分布

圖6 所示為最大接觸壓力隨介質(zhì)壓力的變化曲線。由圖可知，滑環(huán)與活塞桿的接觸壓力，以及O 形圈與滑環(huán)的接觸壓力， 隨介質(zhì)壓力基本都呈線性變化。 前者隨介質(zhì)壓力增長更快，斜率約為1.5，后者隨介質(zhì)壓力增長相對較慢，斜率約為1.0。

圖6 最大接觸壓力隨介質(zhì)壓力的變化曲線

3 密封性能試驗分析

本文搭建了如圖7 所示的密封圈密封性能試驗平臺。被測密封圈被安裝在圖示所示位置。 氣缸的驅(qū)動氣為空氣或氮氣，通過C 口和D 口的充放氣實現(xiàn)氣缸的往復(fù)運動。 A 口可通最大壓力為70MPa 的氦氣。 B 口為檢漏出口， 檢漏氣管接入水箱中， 檢漏氣管外徑6mm， 壁厚1mm。 若密封圈發(fā)生泄漏，氦氣通過B 口進(jìn)入水箱，可通過氣泡數(shù)量判斷密封圈泄漏情況。

圖7 滑環(huán)式組合密封圈密封性能試驗平臺

首先對密封圈的靜密封性能進(jìn)行了測試。 A 口通入70MPa 氦氣，活塞桿保持靜止。 結(jié)果表明：在靜密封情況下，密封圈可實現(xiàn)活塞桿的可靠密封，在試驗過程中1 分鐘內(nèi)無氣泡出現(xiàn)；在不施加介質(zhì)壓力的情況下，活塞桿往復(fù)運動10000 次后，再次進(jìn)行靜密封性能測試，仍能保證1 分鐘內(nèi)無氣泡出現(xiàn)。 符合加氫槍標(biāo)準(zhǔn)SAE J2600 和GB/T 34425 中關(guān)于氣密性的指標(biāo)要求。 其次，對密封圈的動密封性能進(jìn)行測試。 A 口通入氦氣，活塞桿往復(fù)運動。 結(jié)果表明：活塞桿往復(fù)運動2000 次內(nèi)，可實現(xiàn)1min 內(nèi)無氣泡；往復(fù)運動2000 次后，每分鐘1 個氣泡。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種加氫槍用的滑環(huán)式組合密封圈，工作壓力高達(dá)70MPa，由滑環(huán)和O 形圈組成。 滑環(huán)材料為PEEK，O形圈材料為航天特種氟橡膠。 模擬分析了密封機(jī)理及介質(zhì)壓力對密封性能的影響。 開展了密封圈的靜密封性能、動密封性能的試驗研究，主要研究結(jié)論如下：

（1） 滑環(huán)與被密封件的過盈裝配產(chǎn)生較小接觸壓力，O 形圈預(yù)壓縮使該接觸壓力成倍增加。 介質(zhì)壓力施加導(dǎo)致滑環(huán)與被密封件的接觸壓力遠(yuǎn)高于介質(zhì)壓力，實現(xiàn)可靠密封。

（2）滑環(huán)與活塞桿的最大接觸壓力分布在滑環(huán)圓周槽下側(cè)。 最大的Von Mises 應(yīng)力位于滑環(huán)的圓周槽內(nèi)，低于PEEK 材料的屈服極限。

（3）介質(zhì)壓力增大，滑環(huán)與活塞桿的接觸壓力分布和最大Von Mises 應(yīng)力分布變化不大。滑環(huán)與活塞桿的接觸壓力，及O 形圈與滑環(huán)的接觸壓力，隨介質(zhì)壓力呈線性變化，前者斜率大于后者。

（4）試驗研究表明：在70MPa 靜密封情況下，密封圈可實現(xiàn)1 分鐘內(nèi)無氣泡出現(xiàn)；在70MPa 動密封情況下，可實現(xiàn)每分鐘1 個氣泡。