卸荷角對斯特封密封性能的影響*

王凱華 郭 飛 項 沖 王新華

(1.北京工業大學材料與制造學部 北京 100124；2.清華大學摩擦學國家重點實驗室 北京 100084)

往復密封是保證液壓、氣動等系統功能實現的關鍵核心零部件，其看似簡單，實則是涉及材料、機械、力學及摩擦學等多個學科綜合性很強的基礎技術。為了滿足不同系統對密封的需求，往復密封的結構及組合形式多種多樣。其中，較為經典也是在液壓系統中最為常用的一種密封結構，是20世紀50年代初，由寶色霞板[1]公司(后更名為特瑞堡公司)研究開發的用于宇航系統的斯特封結構[2-3]，并于1972年獲得專利進入市場；之后，特瑞堡公司通過進一步開發新的結構及材料，不斷改進斯特封結構，使斯特封具有摩擦力低、無爬行、啟動力小、耐高壓、溝槽結構簡單等優點，對改善密封性能、減少機械損耗、延長使用壽命起到了積極作用。斯特封一般由一個橡膠O形圈[4-5]及聚四氟乙烯環(PTFE)組合而成，如圖1所示。O形圈為施力元件,提供足夠的密封力，并對聚四氟乙烯環[6]起補償作用，適用于液壓缸活塞桿用密封。這種活塞桿密封件被廣泛應用于各行各業的液壓系統中，斯特封也成為業界高性能活塞桿密封的代名詞。斯特封在進一步改進的過程中，一個重要的結構優化就是增加了卸荷角，如圖1放大圖所示，增大了壓力釋放空間，降低了密封圈受壓下的摩擦阻力。由于斯特封應用的廣泛性以及重要性，對斯特封的密封性能進行研究至關重要。

姚碎全[7]定性地論述了液壓缸用斯特封的結構形式、密封原理和密封特性。李永康等[8]通過建立斯特封摩擦與密封數值計算模型，研究了運動速度、密封壓力對油膜厚度和泄漏量的影響。王璽等人[9]研究了預壓縮率、側向油壓和作動器運動方向對橡膠O形圈密封性能的影響，分析了運動方向對斯特封密封性能的影響。WANG等[10]基于冪律流體模型，模擬了非牛頓流體對斯特封密封性能的影響。張妙恬等[11]通過搭建的往復密封實驗臺架，對斯特封摩擦磨損界面進行了實驗研究。杜曉瓊等[12]基于ISIGHT優化軟件，對斯特封結構進行了優化設計。桂鵬等人[13]研究了工作溫度、往復速度以及溝槽尺寸對油氣彈簧主活塞斯特封泄漏量的影響。目前雖然對斯特封有了一定的研究，但尚未有人研究卸荷角對斯特封性能的影響。

本文作者通過建立有無卸荷角斯特封的有限元模型，對比不同壓力下2種結構的轉動位移、最大主應力、接觸應力等因素，進一步計算抱軸力、接觸寬度等，從而分析卸荷角對斯特封密封性能的影響。

1 密封結構有限元建模

1.1 斯特封有限元模型

根據斯特封結構尺寸、材料參數等數據建立斯特封密封結構有限元模型，如圖2所示。該有限元模型由3部分構成，左側為往復運動活塞桿，右側為密封溝槽，中間為斯特封(橡膠O形圈和階梯形PTFE環)。裝配完成后，橡膠O形圈會壓縮變形，它的回彈特性[14]會填充軸和PTFE階梯形環、PTFE階梯形環和橡膠O形圈、橡膠O形圈和溝槽之間的間隙，防止工作時腔體液壓油的泄漏。

有無卸荷角斯特封結構尺寸基本一樣，只是卸荷角處略有區別，結構尺寸如表1及圖3所示。

表1 仿真模型幾何結構參數

文中所研究斯特封由廣州機械科學研究院提供，其相關參數如表2所示。

表2 材料參數

圖4所示為橡膠和去掉彈性段后PTFE階梯形環的應力應變曲線。

1.2 網格單元選擇及劃分

對于橡膠O形圈和PTFE階梯形環，均采用自由網格劃分技術進行網格劃分，單元類型選擇為4節點雙線性軸對稱四邊形CAX4RH。由于卸荷角的存在，會造成仿真結果的不易收斂，要在卸荷角位置分別對PTFE階梯形環和O形圈進行分區，進行局部細化處理。與此同時，還要根據各個接觸區域的變形特點，對軸和PTFE階梯形環接觸部分以及PTFE階梯形環和O形圈接觸部分等關鍵區域進行網格加密處理，如圖5所示。

1.3 接觸設置

橡膠O形圈和PTFE階梯形環的彈性模量遠遠小于活塞桿和溝槽二者的彈性模量，故將活塞桿和PTFE階梯形環的接觸面以及PTFE階梯形環、橡膠O形圈與溝槽的接觸面設置為剛體屬性。在不同的分析步中，隨著邊界條件的變化，計算獲得各剛體接觸面力和位移的變化。根據不同的分析步，對可能發生的接觸面定義接觸對，尤其要注意一些小的接觸面，以免發生穿透現象。

構建的二維模型接觸問題是一種高度非線性行為:一方面，接觸表面、接觸區域可能隨時在改變；另一方面，接觸表面存在的變形、滑移和摩擦等也表現出非線性性質，因此需要根據接觸對的材料屬性選擇合理的面接觸類型，且在此處均選擇面對面接觸的離散方式。

1.4 施加載荷和約束

對該模型施加如圖6所示的約束，斯特封實際使用過程中溝槽固定不動，活塞桿只有往復運動，可以忽略活塞桿和缸體的徑向位移以及轉動，對活塞桿施加UX=0的位移約束，同時對活塞桿施加UY=0的位移約束以及UXY=0的約束。為模擬裝配，需對溝槽施加UX=-2.1的位移約束，由于溝槽不能沿Y方向移動且不能繞Z軸旋轉，所以還需對溝槽施加UY=0的位移約束以及UXY=0的約束。在第三個分析步中，對PTFE階梯形環和橡膠O形圈施加35 MPa的壓力載荷。由于活塞桿以及溝槽均設置為剛體，可以通過控制節點1、2以進行約束條件的施加。

參照圖7，實際工況中的油側對應仿真模型下側，空氣側對應仿真模型上側，油側壓力會作用在密封圈暴露在油液中的所有區域。因此接觸區邊界也就是油液壓力加載的邊界，為了模擬實際的油液壓力作用，需要對密封圈表面進行分區，只對下側接觸邊界以外的區域加壓。此外需注意，加壓會使得密封圈產生變形，從而影響接觸區邊界，需要在接觸區邊界改變之后重新選定加壓區域，不斷重復上述操作直到邊界確定，更真實地模擬實際工況。

1.5 斯特封過盈裝配仿真

斯特封過盈裝配仿真過程分為兩步，第一步是實現O形圈與PTFE階梯形環的過盈裝配，在這一步中，先不設置O形圈與PTFE階梯形環、PTFE階梯形環與活塞桿的接觸，僅設置活塞桿與O形圈的接觸，并將兩者按初始過盈尺寸建模，進而先將活塞桿剛體部件向右移動3.4 mm，此時活塞桿剛體部件將O形圈完全撐開，O形圈與PTFE階梯形環沒有干涉，再設置O形圈與PTFE階梯形環的接觸，將活塞桿左移至初始位置，此時O形圈就裝配在PTFE階梯形環之上，完成了第一步裝配過程；第二步是實現活塞桿、溝槽與組合密封圈的裝配過程，首先建立O形圈與溝槽之間、PTFE階梯形環與溝槽之間以及PTFE階梯形環與活塞桿之間的接觸，進而將溝槽向左移動1.5 mm，壓縮組合密封件，模擬斯特封與溝槽之間的過盈裝配過程。

圖8所示為2種斯特封過盈安裝后的Mises應力云圖?？梢钥闯觯固胤馀c活塞桿接觸部分存在應力集中現象，而導致其他部分的應力集中不明顯。2種結構的斯特封在未加壓的情況下Mises應力相差并不大，主要原因是未加壓狀態下，O形圈變形不是很嚴重，還沒有被擠入卸荷角處，因此卸荷角并未對結果產生影響。

1.6 斯特封卸荷角仿真難點分析

由于斯特封卸荷角的存在，在高壓條件下會導致仿真結果不易收斂。原因是在較高壓力下，橡膠O形圈會被擠入卸荷角，極易導致橡膠O形圈變形過大，從而導致在高壓下卸荷角處容易出現壓力穿透的現象，從而使得仿真過程不收斂。為了解決這一難題，文中采用的方法是在PTFE階梯形環卸荷角處采用比較圓滑的過渡，在不影響仿真結果的前提下曲率半徑盡可能大，再通過卸荷角處網格的細化，使PTFE階梯形環卸荷角處的網格能夠較好地匹配O形圈網格，從而達到結果的收斂。但PTFE階梯形環卸荷角處網格劃分也不宜太細，否則也會導致仿真不易收斂[15]。

2 密封結果分析

2.1 不同壓力下2種結構斯特封O形圈應力應變分布

分別加載5、15、25、35 MPa流體壓力，并進行仿真,通過后處理得出2種結構斯特封的應力應變云圖。

圖9所示為35 MPa壓力下2種結構斯特封橡膠O形圈局部最大正應力、最大正應變分布。

在35 MPa壓力下，2種結構斯特封O形圈最大正應力、最大正應變均發生在O形圈的左上角，即剛體、PTFE階梯形環、O形圈三者接觸的部分，但有卸荷角斯特封O形圈的值會相對略小，有助于增加密封圈的使用壽命。主要原因是斯特封PTFE階梯形環存在卸荷角，有一定的卸荷作用，使應變減小、應力變小。最大值出現在三者接觸的部分主要是因為與該部分相接觸的PTFE階梯形環存在一定的倒角和卸荷角，導致該部位和溝槽以及PTFE階梯形環出現嚴重的擠壓。

圖10給出了35 MPa壓力下2種斯特封結構的O形圈與PTFE階梯形環接觸面接觸應力分布。可以看出，接觸應力分布曲線基本一致，斯特封卸荷角的存在并不會使接觸應力降低，卸荷角并不會使斯特封的密封性能減弱。

2.2 不同壓力下2種結構斯特封PTFE階梯形環應力應變分布

圖11所示為35 MPa壓力下2種結構斯特封PTFE階梯形環局部最大正應力、最大正應變分布。

在35 MPa壓力下，最大正應力均發生在PTFE階梯形環的左上角部位；最大正應變發生在PTFE階梯形環與軸相接觸的一側，且靠近油壓的入口區。2種結構斯特封均會發生變形，無卸荷角斯特封PTFE階梯形環的腰部會發生向內凹陷的現象，而有卸荷角斯特封PTFE階梯形環則不會凹陷，而是一個斜向的傾斜，原因是斯特封卸荷角的存在，油液壓力會迫使O形圈進入卸荷角區域，對PTFE階梯形環底部靠近空氣側造成較大擠壓，導致PTFE階梯形環發生傾斜，不會對階梯環腰部造成擠壓，這對延長斯特封的壽命有一定作用。

2.3 斯特封在不同壓力下的接觸特征分析

圖12所示為無卸荷角斯特封在5、15、25、35 MPa壓力下PTFE階梯形環和金屬軸的接觸應力分布?？芍?，隨著油液壓力的增大，最大接觸應力也逐漸增大，而接觸應力的整體趨勢先上升后下降，且達到峰值后由流體壓力側向空氣側逐漸降低。

圖13所示為斯特封在15、35 MPa壓力下的Mises應力、最大主應力云圖?？梢?，斯特封的最大Mises應力均發生在PTFE階梯形環部位,并且隨著油液壓力的增大，最大Mises由油液入口區逐漸向出口區轉移，最終定格在PTFE階梯形環、O形圈和剛體溝槽三者相接觸的部分。出現這個現象的主要原因是：隨著液體壓力增大，O形圈變形不斷嚴重，對PTFE階梯形環靠近空氣側部分造成的擠壓現象嚴重，使得PTFE階梯形環空氣側與活塞桿圈接觸力變大，導致最大Mises應力逐漸向空氣側轉移。隨著壓力到達一定的程度，由于PTFE階梯形環靠近空氣側部分有卸荷角，導致O形圈變形進入倒角或卸荷角區域，造成應力集中現象，所以最大Mises應力在PTFE階梯形環、O形圈和剛體溝槽三者相接觸的部分。最大主應力一直存在于PTFE階梯形環和活塞桿接觸區域且靠近空氣側部分。最大主應力一直存在于PTFE階梯形環和活塞桿接觸區域且靠近空氣側部分，且斯特封會發生變形,有卸荷角斯特封PTFE階梯形環則不會凹陷，而是一個斜向的傾斜，原因是斯特封卸荷角的存在能夠讓壓力向卸荷角方向移動，不會對塑料環腰部造成擠壓，對延長斯特封的壽命有一定作用。

圖14所示為35 MPa壓力下2種結構的斯特封轉動位移。

圖15所示為有卸荷角斯特封在5、15、25、35 MPa壓力下PTFE階梯形環和金屬軸的接觸應力分布。

比較圖12、15可知，2種結構的斯特封接觸應力分布曲線類似，均是隨著油液壓力的增大，最大接觸應力也逐漸增大，且接觸應力的整體趨勢先上升后下降，且達到峰值后由流體壓力側向空氣側逐漸降低。但相比于無卸荷角斯特封，同一壓力下，有卸荷角斯特封流體壓力區不會出現接觸壓力驟增的現象，而是隨著位置的變化而緩慢增加。

圖16所示為2種斯特封在5、15、25、35 MPa壓力下PTFE階梯形環和金屬軸的接觸應力分布對比。

2種斯特封PTFE階梯形環和金屬軸的接觸應力走勢基本一致，但低壓力時有卸荷角的接觸應力略小于無卸荷角斯特封的接觸應力，主要是因為O形圈低壓力時尚未全部擠入卸荷角，O形圈對PTFE階梯形環的擠壓會導致PTFE階梯形環向卸荷角方向變形，導致接觸力變小。在較高壓力時，靠近液壓油側有卸荷角斯特封接觸應力較無卸荷角斯特封??；靠近空氣側有卸荷角斯特封接觸應力較無卸荷角斯特封大。原因是由于卸荷角的存在，O形圈變形被壓入卸荷角，導致PTFE階梯形環發生向卸荷角方向的傾斜，造成PTFE階梯形環空氣側與金屬軸接觸應力變大，PTFE階梯形環靠油側與金屬軸接觸應力變小的現象；在較高壓力下，有卸荷角的斯特封整個接觸寬度也會向空氣側發生移動。

圖17所示是不同結構斯特封不同壓力下徑向力及密封面接觸寬度對比?？芍?種斯特封在徑向力的發展趨勢上基本上是一致的，均是隨著油液壓力的增大，徑向力、密封面的接觸寬度變大。但相對于無卸荷角的斯特封，有卸荷角斯特封的接觸寬度有所降低，所受摩擦力變小，明顯降低了密封圈受壓下的摩擦阻力，對改善密封性能、減少機械損耗，延長使用壽命起到了積極作用。

3 結論

利用ABAQUS軟件對PTFE階梯形環和橡膠O形圈施加壓力載荷，對有無卸荷角的2種斯特封進行有限元仿真分析。通過對比不同流體壓力下有無卸荷角斯特封抱軸力、摩擦力等關鍵數據，探究卸荷角對斯特封密封性能的影響，具體結論如下：

(1)斯特封有無卸荷角最大Mises應力均發生在PTFE階梯形環部位,并且隨著油液壓力的增大，最大Mises應力由油液入口區逐漸向出口區轉移，最終定格在PTFE階梯形環卸荷角處。

(2)斯特封卸荷角的存在有助于改善PTFE階梯形環的變形程度。無卸荷角斯特封塑料環的腰部會發生向內凹陷的現象，而有卸荷角斯特封塑料環則不會凹陷，而是一個斜向的傾斜。

(3)對比2種結構斯特封PTFE階梯形環和金屬軸的接觸應力，在較高壓力時，在靠近液壓油側有卸荷角斯特封接觸應力較無卸荷角斯特封??；在靠近空氣側有卸荷角斯特封接觸應力較無卸荷角斯特封大；而且因為卸荷角的存在，斯特封整個接觸寬度會向空氣側發生移動。

(4)2種結構斯特封的徑向力、密封面的接觸寬度均會隨著油液壓力的增大而增大，但斯特封卸荷角的存在會使接觸寬度、摩擦力減小，從而降低密封圈受壓下的摩擦阻力，這對于改善密封性能、減少機械損耗、延長密封圈的使用壽命有重要意義。