水下環境下不同密封結構形式性能分析

宋 強 張 浩 許 可 姚晨佼 趙飛虎

(1.中國船舶科學研究中心深海載人裝備國家重點實驗室 江蘇無錫 214082;2.深海技術科學太湖實驗室 江蘇無錫 214082)

為滿足人類社會發展的需要，水下工程裝備研發力度越來越大，如在水下資源的調查、石油探測、搶險救生、水下土木工程建設及海洋軍事等領域，均迫切需要開發各種不同類型、不同功能的水下作業裝備，而水下作業裝備研制的關鍵技術之一就是密封技術。據統計，水下作業裝備由于密封問題誘發故障遠高于電子元器件等問題誘發的故障[1]。由于深水作業環境的特殊性，水下作業裝備需要穿艙件、電子罐、水密連接器、水下作動器等設備，它們的密封結構形式多為O形圈、格萊圈、X形圈及矩形圈等形式，這些密封結構能夠滿足一般用途的密封需要。但對于水下作業裝備而言，密封可靠性尤為重要，若執行水下任務時出現密封失效，會直接導致任務的失敗，甚至造成嚴重的水下作業裝備事故。

目前，國內外學者已對格萊圈、O形圈、X形圈和矩形圈進行了較深入的研究，但主要集中在單種密封結構形式的研究。張建等人[2]通過ABAQUS二次開發計算模塊對格萊圈的密封性能進行計算分析，研究介質壓力對其密封性能的影響。周劍奇等[3]提出一種計算軸向振動作用下格萊圈密封泄漏量的計算方法，并分析了不同油液工作壓力下格萊圈密封處的接觸應力分布。汝紹鋒和劉廷嬌[4]分析了O形和Y形密封圈在預壓縮過程中密封性能的變化情況，探討了在不同壓縮率、不同工作載荷條件下2種密封圈的密封性能。蔡智媛等[5]采用ANSYS建立液壓格萊圈密封二維軸對稱幾何模型，采用軸向推進和徑向壓縮2種預壓縮有限元模型對密封圈的靜密封進行對比分析。陳飛等人[6]采用ABAQUS建立二維軸對稱模型，對靜密封中矩形密封圈與O形密封圈的密封性能進行對比分析，分析壓縮率、材料硬度等對矩形密封圈變形、應力的影響。郭海豐等[7]研究不同摩擦因數、不同密封間隙及流體壓力下對O形圈應力的影響規律。GAMAL和VANCE[8]、DENECKE等[9]通過實驗研究了不同因素對O形圈密封性能的影響規律。MACIEJEWSKI等[10]和LUO和WU[11]分析了不同因素對O形圈壽命的影響。劉占軍和鄧忠林[12]借助ANSYS對X形圈變截面密封圈進行有限元分析，對比分析X形圈變截面和X形橡膠圈最大綜合等效應力情況。侯珍秀等[13]對X形圈在往復軸的靜壓工作狀態和往復工作狀態下的性能進行了分析，研究其各應力的分布規律和各應力隨不同工作壓力的變化規律。李紅振等[14]采用ABAQUS分析了不同流體壓力和預壓縮率對X形圈力學性能的影響，并對應力集中部位進行優化探討。譚晶等人[15]分析了初始壓縮率和液體壓力對矩形圈變形和密封面處接觸壓力的影響，并與O形圈進行對比分析。韓傳軍和張杰[16]采用ABAQUS分析了初始壓縮率、介質壓力、橡膠材料硬度、摩擦因數以及軸筒運動速度對矩形密封圈的變形、接觸應力和等效應力的影響。

水下裝備密封設計時要進行密封結構選型，為減少選型時間，增加工程進度，有必要通過仿真的方法，對不同密封結構形式進行同工況條件下的對比分析，為水下作業裝備密封結構的設計及選型提供技術支持。本文作者采用ABAQUS軟件分別建立格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈4種密封結構的有限元分析模型，對比分析4種密封結構在預壓縮階段、不同初始壓縮率和不同外界壓力下的密封性能，研究其密封等效應力、接觸應力和剪切應力的變化規律，給出密封性能最優的密封結構形式。

1 有限元分析模型

1.1 幾何模型

格萊圈由一個橡膠O形圈及方形圈組合而成，適合在動密封和靜密封應用的場合；O形圈為施力元件，提供足夠的密封力，并對方形圈起補償作用，能實現雙向密封。O形圈依靠自身變形提供密封力，適合在靜密封和動密封應用的場合，能實現雙向密封。X形圈組合是由X形圈和方形圈構成，方形圈的作用主要是防止X形圈在受力時被擠入密封間隙中，適合在靜密封和動密封應用的場合，能實現單向密封。矩形圈其截面為正方形，用作密封件時其接觸面積大，散熱效果差，只能用于靜密封，能實現雙向密封。

格萊圈、O形圈、X形圈和矩形圈的幾何模型如圖1所示，靜密封的初始壓縮率一般在10%～15%范圍內，可保證良好的密封性能和較低的摩擦力[17]。其壓縮率ε通常由下式表示[18]：

(1)

式中：d0為橡膠圈在自由狀態下的截面尺寸，mm；h0為密封槽凹槽深度，mm。

依據密封選型手冊選擇4種密封結構尺寸，其參數見表1。

圖1 不同密封結構幾何模型

表1 4種密封結構尺寸

1.2 材料模型

密封結構中所用的密封圈采用橡膠材料，其受力后會呈現大位移大應變，其本構關系是復雜的非線性函數，力學行為需要用超彈性本構模型來描述。4種密封結構中，O形圈、X形圈和矩形圈材料一般選擇丁腈橡膠，均需采用超彈性本構模型來模擬；方形圈所用材料為聚四氟乙烯，其受力后不會出現大位移大應變，用彈性模量和泊松比描述其力學行為即可。根據連續介質力學理論，認為橡膠是各向同性材料，可采用Polynomial Form模型表征，其表達式[19-21]如下:

(2)

目前廣泛采用Mooney-Rivlin模型來描述橡膠的應變能函數，其中Mooney-Rivlin模型即為Polynomial Form模型中n=1時的簡化形式[22]。

(3)

1.3 邊界約束及載荷條件

對密封結構進行有限元分析時，由于其邊界條件的復雜性，將軸套、密封槽和密封圈作為整體來進行分析，密封圈與軸套、密封槽之間存在互相擠壓作用，橡膠材料和金屬材料之間存在接觸。在ABAQUS中建立各密封圈的二維軸對稱有限元分析模型，如圖2所示。采用ABAQUS中的CAX4H型網格單元處理O形圈、方形圈、X形圈和矩形圈非線性性接觸問題，應力單元類型選用Axisymmetric stress。經網格無關性驗證，格萊圈中的O形圈網格單元個數為692，節點數為735，方形圈網格單元個數為320，節點數為363；O形圈網格單元個數為1 232，節點數為1 289；X形圈中的X形圈網格單元個數為2 511，節點數為2 602，方形圈網格單元個數為946，節點數為1 012；矩形圈網格單元個數為837，節點數為892。

定義4個分析步：(1) 初始分析步軸套施加固定位移約束，密封槽垂直位移方向約束為0，水平方向位移自由；(2) 密封槽施加徑向位移，其數值等于密封圈的預壓縮量；(3) 對密封圈與海水接觸的一側施加1 MPa的工作壓力，目的是為了保證密封圈之間的接觸對平穩建立接觸關系，保證計算的收斂性；(4) 在第二步施加的基礎上施加實際的海水壓力。

圖2 不同密封結構的有限元分析模型

2 計算結果與分析

2.1 基本參數

算例中O形圈、X形圈和矩形圈的材料均為丁腈橡膠，方形圈的材料為聚四氟乙烯，密封槽和軸套材料選用316L不銹鋼，其材料參數見表2。

表2 密封圈組成材料參數

2.2 預壓縮階段密封性能分析

分析中分別給格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈的密封槽施加0.692 9、0.458 9、0.692 9、0.670 8位移量，對應其壓縮率均為13%，軸套施加軸對稱位移約束，并分別建立其接觸對，則格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈在壓縮率13%下的等效應力云圖如圖3所示。

圖3 不同密封結構預壓縮階段等效應力云圖(MPa)

由圖3可知，在預壓縮的情況下，格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈均呈現扁平狀，水平方向被壓縮的同時垂直方向被拉長，因此在擠壓的作用下發生了應力分配。其中格萊圈和O形圈的最大等效應力均出現在中間位置，格萊圈最大等效應力為2.793 MPa，O形圈最大等效應力為2.788 MPa，兩者應力值基本接近。X形圈組合最大等效應力出現在底部非密封唇圓弧位置，最大等效應力為4.666 MPa，其4個密封唇內部位置應力值也較大。矩形圈最大等效應力出現在4個角位置，最大等效應力為6.117 MPa。由圖3還可看出，格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈應力均呈現內、外對稱分布。由此得出結論：在相同的壓縮率下產生的最大等效應力矩形圈最大，X形圈組合、格萊圈次之，O形圈最小。

格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈在壓縮率13%下的接觸應力云圖如圖4所示。

圖4 不同密封結構預壓縮階段接觸應力云圖(MPa)

由圖4可知，在預壓縮的情況下，格萊圈的最大接觸應力為3.728 MPa，O形圈的最大接觸應力為3.791 MPa，兩者接觸應力基本接近，且最大接觸應力均出現在O形圈左右兩側，正是主密封面位置；X形圈組合最大接觸應力為5.152 MPa，最大接觸應力的位置出現在4個密封唇的位置；矩形圈最大接觸應力為9.333 MPa，最大接觸應力的位置出現在4個角的位置?？梢?，矩形圈接觸應力最大，X形圈組合、O形圈次之，格萊圈最小，且矩形圈的接觸應力遠大于格萊圈、O形圈和X形圈組合，表明矩形圈的密封性能最優，但會導致矩形圈摩擦力大，磨損更嚴重，所以矩形圈一般用于靜密封中。由圖4還可看出，格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈的接觸應力呈現由接觸中心對稱分布的趨勢。

格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈在壓縮率13%下的剪切應力云圖如圖5所示?？芍?，格萊圈和O形圈的最大剪切應力分別為0.842 8和0.854 7 MPa，兩者基本接近且最大剪切應力均出現在對角位置；X形圈組合的最大剪切應力為1.997 MPa，矩形圈的最大剪切應力為2.982 MPa，兩者的剪切應力也出現在對角位置。剪切應力很容易誘發密封圈撕裂破壞，由剪切應力云圖可知，4種密封圈發生破壞時均是在對角位置，且矩形圈最容易發生失效，然后依次為X形圈組合、O形圈、格萊圈。由圖5還可看出，格萊圈、O形圈和矩形圈的剪切應力呈現由對角中心對稱分布的趨勢，而X形圈組合不遵循該規律，表現為X形圈壓力側所受剪切應力較大，非壓力側受剪切應力較小，表明方形圈起到一定減緩剪切應力增大的作用。

圖5 不同密封結構預壓縮階段剪切應力云圖(MPa)

2.3 變壓縮率下密封性能分析

格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈在安裝之后均會存在初始壓縮，不同的初始壓縮率對后續密封結構受外壓之后的力學性能存在不同的影響，因此有必要分析各密封結構在不同初始壓縮下的力學性能。分別給定初始壓縮率為7%、9%、11%和13%，提取格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈的最大等效應力、接觸應力和剪切應力結果，結果分別如圖6—8所示。

由圖6—8可知，隨著壓縮率的增大，格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈的最大等效應力、最大接觸應力和最大剪切應力均隨之增大，其中矩形圈的等效應力、接觸應力和剪切應力最大，然后依次是X形圈組合中的X形圈、O形圈、格萊圈中的O形圈、格萊圈中的方形圈、X形圈組合中的方形圈。說明在初始壓縮階段，受力變形較大的主要是丁腈橡膠密封圈，聚四氟乙烯方形圈變形較小。此外，矩形圈的最大等效應力、最大接觸力和最大剪切應力增長率較明顯，在壓縮率由7%增大到13%時，最大等效應力由3.328 MPa增大到6.117 MPa，接觸應力由4.072 MPa增大到9.333 MPa，剪切應力由0.906 6增大到2.982 MPa。由圖6—8還可看出，O形圈和格萊圈中的O形圈等效應力、接觸應力和剪切應力基本相同，這主要是由于格萊圈中方形圈的位置位于O形圈受壓的方向，方形圈充當了軸套的作用。

圖6 變壓縮率下最大等效應力分布

圖7 變壓縮率下最大接觸應力分布

圖8 變壓縮率下最大剪切應力分布

2.4 施加壓力時密封性能分析

格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈在承受外界海水壓力時會發生進一步的變形，變形后的密封圈才是反遇其密封能力的最終狀態。為了研究格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈在不同外界壓力下的密封性能，給定初始壓縮率13%，分別施加5、10、15、20 MPa的外界載荷，得出其最大等效應力、最大接觸應力和最大剪切應力分布，分別如圖9—11所示。

圖9 最大等效應力隨載荷的變化

圖10 最大接觸應力隨載荷的變化

圖11 最大剪切應力隨載荷的變化

由圖9—11可知，在一定壓縮率情況下，格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈隨外界壓力的增大而增大。如圖9所示，格萊圈中的方形圈最大等效應力隨外界壓力的增大變化較明顯，針對丁腈橡膠密封圈，最大等效應力矩形圈最大，然后依次為X形圈、O形圈、格萊圈，且丁腈橡膠密封圈最大等效應力變化比較平緩。如圖10所示，矩形圈的最大接觸應力隨外界壓力的增大變化較明顯，針對丁腈橡膠密封圈，最大接觸應力矩形圈最大，然后依次為X形圈、O形圈、格萊圈，且格萊圈、O形圈和X形圈接觸應力基本接近。如圖11所示，X形圈組合中X形圈最大剪切應力隨外界壓力的增大變化較明顯，針對丁腈橡膠密封圈，最大剪切應力X形圈最大，然后依次為矩形圈、O形圈、格萊圈，此外矩形圈在外界壓力超過10 MPa后剪切應力變化較平緩。

評價密封性能優劣主要通過等效應力、剪切應力和接觸應力三方面，接觸應力反映該密封圈的密封能力，而等效應力和剪切應力反映該密封圈是否發生失效。通過對比分析發現，矩形圈和X形圈組合在密封能力方面較優，但是其最大等效應力和最大剪切力較大，更容易誘發失效。格萊圈和O形圈雖然在密封能力方面不如矩形圈和X形圈組合，但其最大等效應力和最大剪切力較小，故其用作密封時壽命更長。

3 結論

(1)在相同的初始壓縮率下，矩形圈最大等效應力最大，然后依次為X形圈組合、格萊圈、O形圈，矩形圈最大接觸應力和最大剪切應力最大，然后依次為X形圈組合、O形圈、格萊圈，矩形圈在初始壓縮階段具有更好的密封性能，但由于其最大等效應力和最大剪切應力較大，更容易誘發失效。

(2)隨著初始壓縮率的增大，格萊圈、O形圈、X形圈和矩形圈的最大等效應力、接觸應力、剪切應力隨之增大，其中矩形圈的增長速率最為明顯；最大等效應力、接觸應力和剪切應力隨初始壓縮率的增大由大到小的順序未發生改變，從大到小依次為矩形圈、X形圈組合、O形圈、格萊圈。

(3) 在相同初始壓縮率下，隨著外界壓力的增大，格萊圈、O形圈、X形圈組合和矩形圈的最大等效應力、接觸應力、剪切應力隨之增大。其中X形圈組合中的X形圈和矩形圈的變化趨勢較為明顯；矩形圈最大等效應力和最大接觸應力最大，然后依次為X形圈組合、O形圈、格萊圈，X形圈組合最大剪切應力最大，然后依次為矩形圈、O形圈、格萊圈。