高壓下澆注型聚氨酯彈性體密封圈擋環(huán)性能研究*

趙靜一 張宇杭 郭 銳 唐穎達(dá) 潘玉訊 劉 堯

(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北秦皇島 066000；2.蘇州美福瑞新材料科技有限公司江蘇常熟 215500；3.沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽 110045)

O形圈廣泛應(yīng)用于液壓傳動(dòng)中的靜密封和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)密封中，而采用擋環(huán)配合密封后的O形圈則具有更優(yōu)秀的抗擠出性能，使得各液壓元件的最高額定壓力、最高額定溫度得到顯著提高[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)O形圈配合擋環(huán)的密封進(jìn)行了研究。饒建華和陸兆鵬[4]在小于10 MPa的介質(zhì)壓力下分析了配合擋環(huán)的O形圈的接觸應(yīng)力和密封長(zhǎng)度，提出在介質(zhì)壓力較大時(shí)需要在密封圈一側(cè)或者兩側(cè)配合擋圈使用。段密克等[5]進(jìn)行了有無擋環(huán)配合2種情況時(shí)的密封性能研究，并對(duì)有擋環(huán)配合的O形圈密封進(jìn)行了0～35 MPa下最大接觸壓力的分析。揭亮等人[6]研究了2和5 MPa低密封壓力下配合聚四氟乙烯材料擋環(huán)的O形圈密封情況，對(duì)最大接觸應(yīng)力和接觸寬度進(jìn)行了探究。邵澤亮、黎偉和周瀚等人[7-9]對(duì)矩形和弧形2種不同形式的擋環(huán)密封性能進(jìn)行了研究。

上述對(duì)擋環(huán)的研究是在10 MPa及以下密封壓力工作條件下進(jìn)行的，對(duì)于動(dòng)、靜2種密封狀態(tài)下承受10 MPa以上高介質(zhì)壓力的不同擋環(huán)材料影響的研究較少，且通過臺(tái)架試驗(yàn)和應(yīng)用效果來驗(yàn)證高壓狀態(tài)下?lián)醐h(huán)材料有限元分析結(jié)果、評(píng)定擋環(huán)性能更是鮮有報(bào)道。本文作者借助于Ansys Workbench在高壓動(dòng)、靜密封下對(duì)新型的澆注型聚氨酯彈性體(CPU)材料擋環(huán)進(jìn)行了有限元分析，并與聚四氟乙烯(PTFE)、熱塑性聚酯彈性體(TPEE)材料擋環(huán)進(jìn)行了比較，以探究該新型CPU材料擋環(huán)的可靠性。

1 有限元計(jì)算分析模型

1.1 有限元模型建立

選取溝槽深度為4.35 mm，活塞溝槽尺寸參照GB/T 3452.3—2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》設(shè)計(jì)。溝槽寬b1=9.0 mm；溝槽深度t=4.35 mm；溝槽底圓角半徑r1=0.4～0.8 mm，文中取0.8 mm；O形圈的直徑為5.3 mm；擋環(huán)厚度為1.8 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立的O形圈及擋環(huán)配合的平面幾何模型見圖 1[10]。

1.2 橡膠材料的本構(gòu)模型

模型中的O形圈材料為丁腈橡膠(NBR)，其具有優(yōu)良的耐油性、耐磨性和耐熱性，因其優(yōu)異的性能，常被用作各種密封件、傳動(dòng)帶和各種耐油零部件。橡膠材料被認(rèn)為是超彈性近似不可壓縮體，目前常采用Mooney-Rivlin 理論模型來定義參數(shù)[11-14]。彈性模量、材料不可壓縮常數(shù)及2個(gè)材料定常數(shù)之間有如下關(guān)系式：

(1)

(2)

(3)

式中：E為彈性模量；C10和C01為Mooney-Rivlin模型系數(shù)；d為不可壓縮系數(shù)；μ為泊松比。

NBR材料的彈性模量為14.04 MPa，泊松比為0.499，故C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa，d=8.547×10-4/MPa。

1.3 擋環(huán)材料和模型網(wǎng)格劃分

擋環(huán)材料分別為CPU、PTFE、TPEE 3種材料。CPU和TPEE同屬于超彈性材料,具有很強(qiáng)的材料非線性和幾何非線性。Mooney-Rivlin 理論模型可較好地描述不可壓超彈性材料在大變形下的力學(xué)特性,故CPU和TPEE材料的擋環(huán)均采用Mooney-Rivlin兩參數(shù)模型。3種材料的設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 3種材料的基本參數(shù)

劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示，模型采用六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后，擋環(huán)上有184個(gè)單元，O形橡膠密封圈有667個(gè)單元，缸體有121個(gè)單元，活塞有792個(gè)單元，整個(gè)擋環(huán)有限元模型共5 602個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 764個(gè)單元。

1.4 邊界條件設(shè)置

在接觸設(shè)置方面，設(shè)置5個(gè)摩擦接觸對(duì)，分別為擋環(huán)與O形圈接觸對(duì)、擋環(huán)與活塞接觸對(duì)、擋環(huán)與缸壁接觸對(duì)、O形圈與活塞接觸對(duì)和O形圈與缸壁接觸對(duì)，缸壁與活塞為間隙配合,可不設(shè)置接觸對(duì)。3種材料下各接觸對(duì)的摩擦因數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 3種材料下各接觸對(duì)摩擦因數(shù)

靜密封下，設(shè)置活塞為固定約束，在缸壁上施加一個(gè)位移，將該密封下完整運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)載荷步。為了使結(jié)果更好收斂，前2個(gè)載荷步模擬裝配過程，使O形圈具有一定的預(yù)壓縮強(qiáng)度，最后一個(gè)載荷步為施加載荷，介質(zhì)壓力大小為35 MPa。

動(dòng)密封是在靜密封的基礎(chǔ)上增加前進(jìn)后退的單次位移來模擬實(shí)現(xiàn)的，為更好實(shí)現(xiàn)收斂，載荷步增加到7步，介質(zhì)壓力同為35 MPa。

2 靜密封下?lián)醐h(huán)及O形圈有限元分析結(jié)果

2.1 O形圈密封結(jié)果分析

文中對(duì)靜密封下O形圈的接觸應(yīng)力和密封長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值分析。在35 MPa高壓下，O形圈受壓變形與擋環(huán)緊密貼合，此時(shí)擋環(huán)高度為溝槽底部到缸壁的垂直距離，擋環(huán)的變形防止了O形圈擠出失效現(xiàn)象的發(fā)生。理論上O形圈的密封性能主要取決于接觸面接觸壓力與所承受壓力的差值，該差值大于0可實(shí)現(xiàn)密封。3種材料擋環(huán)配合下的O形圈接觸應(yīng)力和密封長(zhǎng)度情況如圖3所示，O形圈相關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 靜密封下3種材料擋環(huán)及O形圈相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

由圖3及表3數(shù)據(jù)可看出，3種材料的擋環(huán)均能滿足輔助O形圈實(shí)現(xiàn)密封的效果，只是模型在接觸應(yīng)力和密封長(zhǎng)度上存在差異。CPU擋環(huán)配合下的O形圈密封接觸應(yīng)力略高，其接觸密封長(zhǎng)度優(yōu)于TPEE擋環(huán)配合的O形圈，與PTFE擋環(huán)配合的O形圈接觸密封長(zhǎng)度相當(dāng)。

2.2 擋環(huán)變形結(jié)果分析

擋環(huán)位于O形圈可能擠出一側(cè)，O形圈承受的介質(zhì)壓力會(huì)傳遞到擋環(huán)上，防止了O形圈在較大介質(zhì)壓力情況下出現(xiàn)擠出、咬傷等情況，以保證O形圈的密封效果。各材料的擋環(huán)變形情況如圖4所示。

將3種材料的擋環(huán)最大變形數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制最大變形曲線如圖5所示。

由圖4、圖5可看出，在35 MPa靜密封條件下，CPU擋環(huán)變形最小，可更好地實(shí)現(xiàn)擋環(huán)輔助 O形圈進(jìn)行密封進(jìn)而避免O形圈發(fā)生擠出和咬傷的失效情況。相較于其他2種材料，CPU材料良好的表現(xiàn)得益于其本身的高硬度、高彈性、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能和抗蠕變性，使其在抗擠壓和保持尺寸穩(wěn)定方面表現(xiàn)得最佳[15]。

2.3 擋環(huán)變形von Mises等效應(yīng)力結(jié)果分析

von Mises等效應(yīng)力反映密封圈截面應(yīng)力狀態(tài)，擋環(huán)的von Mises等效應(yīng)力發(fā)生在其大倒角處，應(yīng)力越大，越會(huì)加速擋環(huán)的松弛，易引起初始裂紋。將全部仿真過程的擋環(huán)所受von Mises等效應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到如圖6所示的應(yīng)力曲線。

由圖6可看出，CPU擋環(huán)在施加35 MPa載荷后所承受的von Mises等效應(yīng)力最小，即該材料擋環(huán)的可靠性最好，擁有相對(duì)較長(zhǎng)的使用周期，可大大節(jié)約更換元件的成本。表3中對(duì)3種材料擋環(huán)進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)的量化比較，有助于科學(xué)地篩選出較為合適的擋環(huán)材料。

3 動(dòng)密封下?lián)醐h(huán)及O形圈有限元分析結(jié)果

3.1 O形圈密封結(jié)果分析

動(dòng)密封下3種材料擋環(huán)配合下的O形圈接觸應(yīng)力情況如圖7所示，O形圈相關(guān)對(duì)比數(shù)據(jù)見表4。

表4 動(dòng)密封下3種材料擋環(huán)及O形圈相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

由圖7和表4相關(guān)數(shù)據(jù)可看出，與靜密封情況相似，O形圈接觸應(yīng)力均能實(shí)現(xiàn)35 MPa下的密封效果，只是模型在O形圈接觸應(yīng)力和密封長(zhǎng)度上存在差異。CPU擋環(huán)配合下的O形圈密封接觸應(yīng)力略高于其他2種材料配合下的O形圈接觸應(yīng)力，密封接觸長(zhǎng)度也分別大于TPEE擋環(huán)、PTFE擋環(huán)配合的O形圈密封接觸長(zhǎng)度。

3.2 擋環(huán)變形結(jié)果分析

各材料的擋環(huán)變形情況如圖8所示。將3種材料的擋環(huán)最大變形數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制最大變形曲線如圖9所示。

從圖8、圖9可看出，在35 MPa動(dòng)密封條件下，CPU擋環(huán)變形程度和劇烈程度最小，可有效防止發(fā)生擠出或者咬傷失效情況的發(fā)生，從而更好地實(shí)現(xiàn)輔助密封功能。而PTFE和TPEE材料的耐蠕變性不及CPU材料，使得這2種材料的擋環(huán)在動(dòng)密封的情況下更容易發(fā)生形變且較難恢復(fù)，會(huì)較大程度地影響O形圈密封效果甚至發(fā)生失效。

3.3 擋環(huán)變形von Mises等效應(yīng)力結(jié)果分析

將動(dòng)密封仿真過程中所受von Mises應(yīng)力導(dǎo)出，繪制各材料擋環(huán)的最大von Mises應(yīng)力曲線如圖10所示。可看出，CPU擋環(huán)在施加35 MPa載荷后所承受的von Mises等效應(yīng)力最??；PTFE材料在變化程度上與CPU類似，von Mises等效應(yīng)力大于CPU材料擋環(huán);TPEE材料變化幅度最大且應(yīng)力最大。CPU材料擋環(huán)的可靠性最好，使用周期也相對(duì)較長(zhǎng)。表4中對(duì)3種材料擋環(huán)進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)的量化比較，有助于科學(xué)地篩選出較為合適的擋環(huán)材料。

4 試驗(yàn)裝置與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)簡(jiǎn)介

參考GB/T 32217—2015《液壓傳動(dòng) 密封裝置評(píng)定液壓往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封件性能的試驗(yàn)方法》和GB/T 35023—2018《液壓元件可靠性評(píng)估方法》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)液壓徑向靜密封用O形圈的幾種擋環(huán)性能進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)[16]。符合GB/T 32217—2015的試驗(yàn)裝置示意圖如圖11所示。

試驗(yàn)裝置左、右端蓋具有相同的且符合GB/T 3452.3—2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》規(guī)定的O形圈溝槽，將CPU擋環(huán)和一種對(duì)比擋環(huán)為一組安裝在溝槽中，液壓系統(tǒng)可通過油口向左、右密閉容腔施加循環(huán)壓力或耐壓壓力。試驗(yàn)在環(huán)境溫度下進(jìn)行，實(shí)際試驗(yàn)壓力為40 MPa，試驗(yàn)周期為1.6 s，時(shí)間總計(jì)1 207 min。完成上述試驗(yàn)后拆檢被試擋環(huán)，以擠出高度評(píng)價(jià)擋環(huán)抗擠出性能。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比

臺(tái)架試驗(yàn)后，TPEE擋環(huán)存在明顯的擠出和損傷，擠出高度在0.361～0.304 mm之間；PTFE擋環(huán)出現(xiàn)明顯的擠出，擠出高度在0.184～0.205 mm之間；而CPU擋環(huán)僅外觀有輕微變形，出現(xiàn)輕微擠出，擠出高度小于0.084 mm。

經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)后得出結(jié)論CPU擋環(huán)抗擠出性能最優(yōu)，PTFE擋環(huán)抗擠出性能次之，TPEE擋環(huán)抗擠出性能最差。抗擠出性能即抵抗變形的能力，此結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

以某新型CPU材料擋環(huán)以及PTFE與TPEE材料擋環(huán)建立二維對(duì)稱模型，對(duì)比3種擋環(huán)材料在高壓下動(dòng)、靜密封狀態(tài)下的性能。得出以下結(jié)論：

(1)CPU擋環(huán)在彈性、抗變形能力和硬度上等材料性能上具有一定優(yōu)勢(shì)，可更好地適應(yīng)擋環(huán)的工作環(huán)境和性能要求。

(2)CPU材料擋環(huán)配合的O形圈在接觸應(yīng)力達(dá)到39.483 MPa及以上，與缸體和活塞接觸處的密封長(zhǎng)度分別達(dá)到1.74、1.38 mm以上，能夠很好地實(shí)現(xiàn)密封效果。

(3)CPU材料擋環(huán)靜、動(dòng)密封最大變形分別為0.146 53和0.153 03 mm，具有較高的抗擠出性，可有效防止O形圈擠出、咬傷。經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)，TPEE擋環(huán)擠出高度為0.361～0.304 mm，PTFE擠出高度為0.184～0.205 mm，CPU擋環(huán)擠出高度小于等于0.084 mm，處于動(dòng)、靜密封2種狀態(tài)下的CPU材料擋環(huán)配合的O形圈在密封應(yīng)力和密封長(zhǎng)度方面整體略微優(yōu)于其他2種材料，而TPEE材料表現(xiàn)最差。

(4)擋環(huán)的最大von Mises應(yīng)力多集中在其倒角處，極易發(fā)生損壞，CPU材料的擋環(huán)承受最大von Mises為52.053 MPa，相較于其他材料應(yīng)力小，具有較高的可靠性和較長(zhǎng)的使用周期，可有效防止O形圈在高壓下的擠出、咬傷等失效情況的發(fā)生?？梢娫?5 MPa高壓下，采用剛度較大的材料作為擋環(huán)能更好地配合O形圈實(shí)現(xiàn)密封。擋環(huán)材料應(yīng)具有較高的硬度、較好的抗擠出性以及尺寸穩(wěn)定等特征。但材料剛性較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)難于裝配的情況。