作動筒用O形圈高壓工況下動/靜密封特性研究*

唐 斌，陳銘亮，王 舒，劉 勇， 趙登輝，黃 巍

(1.國營蕪湖機械廠 航空設備測控逆向工程安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241007； 2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引 言

作動筒是航空飛行器的重要組成部件，其結構通常由活塞、密封件、筒體等組成。由于制造成本低且性能可靠等優點，O形圈密封在飛行器作動筒液壓系統中有著極其廣泛的應用。作動筒用密封圈安裝在截面為矩形的溝槽內，起密封作用，適用于靜密封和往復運動密封[1]。作動筒用密封圈在靜密封和動密封過程中常見故障有：介質壓力過大使得摩擦力大于軸向力，導致O型圈在溝槽中發生滾動扭轉而發生破壞；當壓縮率超過使用極限時，O型圈由于應力集中導致破裂等。考慮材料壓縮量，為防止出現永久性塑性變形，O形密封圈在靜密封中允許的最大壓縮量約為30%，在動密封中約為20%[2]。

近年來，國內眾多學者對O形圈密封結構開展了大量研究工作[3]。吳廣平等[4]運用有限元方法分析了O形橡膠圈剪應力的分布，并探討了初始壓縮量、密封槽口圓角半徑、流體壓力以及摩擦系數等參數對剪應力的影響；吳瓊等[5]設計了往復式標準試驗臺，以內徑190 mm的丁腈橡膠圈為研究對象，分析了不同工況下橡膠圈的摩擦性能；顧東升等[6]研制了一種靜環用O形圈性能試驗裝置，對內徑分別為60、70、80 mm的O形丁腈橡膠圈進行靜態密封性能測試，分析了各因素對密封圈接觸應力和泄漏量的影響。

現代飛行器正向著輕量化、高壓化、變壓力等方向發展，勢必對飛行器作動筒的密封性能和尺寸提出越來越高的要求[7]。為了滿足日益高壓化、輕量化的作動筒發展趨勢，筆者以某系列卡環鎖作動筒用小尺寸O形圈為研究對象，探究其在高壓工況下的動/靜密封特性。利用Ansys建立了作動筒密封結構有限元分析模型，分析了介質工作壓力、徑向間隙以及密封圈直徑等對動/靜密封結構性能的影響。模擬O型圈在作動筒中的運動，探究作動筒中O型圈對密封性能的影響，以實現減少現實中作動筒泄露現象的發生。

1 工作原理與前處理設置

1.1 工作原理

圖1分別給出了作動筒中的O形密封圈動/靜密封結構工作原理。O形圈密封屬于一種擠壓型密封，其密封的基本工作原理是依靠密封件發生彈性變形并在密封接觸面上形成接觸壓力實現的。當接觸壓力高于被密封介質的內壓時，則不發生泄漏，反之則發生泄漏。對比靜密封和動密封，兩者的主要區別在于壁面的相對運動。

圖1 動/靜密封結構工作原理

1.2 幾何模型

考慮到O形圈密封結構具有軸對稱性，因此為了簡化計算、提高效率，文中將動/靜O形圈密封結構簡化為二維軸對稱模型來進行分析。同時考慮到丁腈橡膠的可壓縮性，在模型網格劃分中對接觸部分的網格進行細化。文中O形圈密封結構基本尺寸如表1所列，有限元模型網格劃分情況如圖2所示。

圖2 O形圈密封結構有限元模型

表1 O形圈密封結構尺寸

1.3 材料屬性

材料屬性上，活塞和筒體的材料采用常見的45#鋼，O形圈材料為丁腈橡膠(NBR)，其相關材料參數如表2所列。

表2 材料參數

丁腈橡膠作為超彈性體材料，在其材料特性上國內外學者提出了多種描述橡膠材料應力-應變關系的應變能函數形式。文中選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠超彈性材料在大變形下的力學特性[8]。Mooney-Rivlin模型的2參數彈性應變能函數表達式為：

(1)

式中：W為應變能密度；C10、C01為材料Mooney-Rivlin系數；I1、I2為第一、第二應變張量不變量。因此應力-應變關系即為：

(2)

將Mooney-Rivlin模型的兩個參數值C10、C01分別設為1.87和0.47，將其導入Ansys進行繪制，即可得到NBR應力應變曲線，如圖3所示。

圖3 NBR應力應變曲線

1.4 邊界條件

如圖4所示，在施加油壓邊界條件后，O形圈與活塞和筒體均有接觸。因此文中以筒體和活塞面為目標面，O形圈面為接觸面，建立了兩對接觸，同時考慮安裝O形圈時的預壓縮現象。在分析時，對應用于靜密封的O形圈密封結構，文中將約束及載荷的施加分為兩個載荷步，Step1在垂直筒體壁面的方向施加1個位移來模擬O形圈的初始壓縮量，Step2在O形圈左側通過Ansys中的APDL模塊施加工作過程中的油壓；對于有往復運動的動密封則在Step1上增加平行筒體壁面方向的往復位移。

圖4 工作油壓28 MPa時的邊界條件

2 結果分析

2.1 靜密封結果分析

通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈靜密封進行分析，得到了如圖5所示的O形圈靜密封的最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖。從圖5(a)不難看出，在高油壓工況下，兩種壓縮率的O形圈都出現了較大的變形，其中5%壓縮率的O形圈的變形比20%壓縮率的O形圈的變形小了10%左右；并且在5%壓縮率時，O形圈在垂直油壓方向和低壓側變形較大，最大變形量達到了0.91 mm，發生了擠隙現象。當壓縮率為20%時，最大變形量為0.82 mm，主要發生在低壓側內壁處。得益于較高的壓縮率，此時并未出現擠隙現象。

圖5 O形圈靜密封最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖

由O形圈密封原理可知，要實現密封功能，其接觸處的應力須高于所受的介質壓力。接觸應力是衡量O形圈密封性能的一個重要指標，圖5(b)、(c)給出了O形圈靜密封的接觸應力及Von-mises應力云圖。從圖中不難看出，在不同壓縮率下接觸應力的分布情況類似，最大接觸應力位置均出現在密封圈和溝槽壁面接觸處。當壓縮率為20%時，密封結構接觸應力最大為65.5 MPa，比5%壓縮率下的最大接觸應力低了4%左右。而在Von-mises應力分布上，5%壓縮率下由于O形圈擠隙現象較嚴重，出現了應力集中現象，最大Von-mises應力(45.7 MPa)在O形圈與溝槽壁面轉角接觸處。

2.2 動密封結果分析

同樣，通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈動密封進行分析，得到了如圖6所示的O形圈動密封的最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖。從圖6(a)可以看出，在O形圈動密封情況下，隨著壓縮率的減小，最大變形同樣逐漸增大；并且在8%壓縮率時O形圈最大變形量達到0.84 mm，同時發生了擠隙現象。

圖6 O形圈動密封最大變形、接觸應力及Von-mises應力云圖

從圖6(b)和6(c)同樣可以看出，O形圈動密封和靜密封一樣，在較低壓縮率時出現了擠隙和應力集中現象。在8%壓縮率下，O形圈動密封在擠隙現象發生處也產生了應力集中現象，最大Von-mises應力達到了38 MPa，并且此壓縮率下的O形圈具有較高的最大接觸應力(45.9 MPa)。

3 典型參數對密封性能的影響

3.1 工作油壓的影響

為了進一步探究工作油壓對O形圈密封的影響，文中針對不同壓縮率下的相同尺寸O形圈靜密封施加了從0～28 MPa的油液壓力，得到了如圖7所示的油壓-最大接觸應力變化曲線。由圖可以看出，在10 MPa油壓以下，最大接觸應力均隨O形圈工作油壓的增加而線性升高；而當工作油壓高于10 MPa后，壓縮率對O形圈靜密封的接觸應力起到顯著的影響，表現為較低壓縮率的O形圈靜密封的接觸應力會較大。

圖7 最大接觸應力隨油壓的變化曲線

3.2 直徑的影響

除了工作油壓外，O形密封圈直徑對密封性能也具有一定影響。圖8為工作油壓為28 MPa、安裝間隙0.1 mm條件下不同直徑O形圈在20%壓縮率時的動/靜密封分析結果。由圖可見，隨著O形圈直徑的增大， 最大Von-mises應力和接觸應力均在減小，即：在高壓工況下，當壓縮率相同時，O形圈的直徑越大，最大接觸應力和Von-mises應力越小，兩者和直徑大小呈負相關。

圖8 直徑-最大Von-mises應力、直徑-最大接觸應力變化圖

4 結 論

針對高壓工況下O型密封圈的泄露條件需求，文中重點對影響作動筒中O型圈密封性能的典型因素進行了分析，得出以下結論。

(1) 通過對28 MPa工作油壓下不同壓縮率的O形圈動/靜密封的有限元分析發現，在高壓工況下，較高的O形圈壓縮率能預防擠隙現象，避免應力集中。

(2) O形圈靜密封研究表明，工作油壓對密封圈最大接觸應力的影響近似呈線性變化；并且在較高油壓下，壓縮率越高的O形圈密封的最大接觸應力越小。

(3) 在高壓工況下，當壓縮率相同時，無論是動密封還是靜密封，O形圈的直徑越大，最大接觸應力和Von-mises應力均越小，兩者和直徑大小呈負相關。

此次研究分析了介質工作壓力、徑向間隙以及密封圈直徑對O型圈密封效果的影響，為O形圈密封在飛行器作動筒液壓系統的應用提供了依據參考，對于作動筒用O型圈的選用具有重要意義。