寬溫域VL型密封結構應力分析及壽命預測

孫德清 馮子明 趙巖 董振剛

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403014

摘 要 建立VL密封結構模型，在不同溫度條件下，研究其應力狀態(tài)分布。以Miner損傷機理為基礎，疲勞累計損傷理論為指導，研究不同溫度條件下，VL型密封結構中O型橡膠圈、L型圈的疲勞壽命變化規(guī)律和疲勞壽命狀況。結果表明：隨著溫度增加，O型橡膠圈的Mises應力變化不大，疲勞壽命先增加后減小，當溫度為25 ℃時，危險點處疲勞壽命最大，為7.341×107次，且疲勞壽命隨著溫度的增加，由局部變化轉變?yōu)檎w變化;L型圈的Mises應力由60.19 MPa逐漸減小到26.38 MPa，位置由底部開始，向內壁轉移，最后到L型圈內部為止，最小疲勞壽命為2.21×105次。此外，在低溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較小，但平均疲勞壽命較大;在高溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較大，但平均疲勞壽命較小。

關鍵詞 VL型密封結構 寬溫域 疲勞累計損傷理論

中圖分類號 TB42?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0423?10

Stress Analysis and Life Prediction of the VL Sealing Structure in

Wide Temperature Ranges

SUN De?qing1， FENG Zi?ming2， ZHAO Yan1， DONG Zhen?gang3

（1. School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University; 2. College of Mechatronics

Engineering， Wenzhou University; 3. Daqing Oilfield Powerlift Pump Co.， Ltd.）

Abstract?? The VL sealing structure model was established to investigate stress distribution under different temperature conditions. Basing on analyzing Miner damage mechanism and being directed by the fatigue cumulative damage theory， the fatigue life variation law and fatigue life status of both O?ring and L?ring which boasting of VL sealing structure under different temperature conditions were studied. The results show that， with the increase of temperature， the Mises stress of O?ring doesnt change much， and the fatigue life first increases and then decreases. When the temperature stays at 25 ℃， the fatigue life at the danger point becomes maximum， which is 7.341×107 times. The Mises stress of the L?ring gradually decreases from 60.19 MPa to 26.38 MPa and the position shifts to the inner wall from the bottom， and finally reaches the inner part of the L?ring and the minimum fatigue life is 2.21×105 times. In addition， in the low temperature environment， the minimum fatigue life of L?ring becomes small， but the average fatigue life becomes large. In the high temperature environment， the minimum fatigue life of the L?ring is larger while the average fatigue life becomes smaller.

Key words??? VL sealing structure， wide temperature range， fatigue cumulative damage theory

Abstract?? In this paper， through establishing a numerical analysis model for the lip?shaped seal， both

static sealing performance and dynamic opening characteristics of the open lip seal were investigated and then verified through tests. The results show that， the medium pressure has obvious influence on the reverse opening pressure， and the reverse opening pressure increases 0.01 MPa for every 0.01 MPa increased in the medium pressure;and the influence of structural parameters is not obvious， and changing structural parameters of the lip can improve sealing performance in static contact. In addition， simulating actual working condition of the seal through tests and accurately measuring reverse opening pressure of the lip show that， the average error between test value and calculated value is about 10%.

Key words?? lip?shaped sealing ring， contact pressure， reverse opening pressure， sealing performance

作者簡介：孫德清（1999-）碩士研究生，從事游梁式抽油機防偏磨結構設計及分析工作。

通訊作者：馮子明（1973-），教授，從事于采油機械與流體機械研究工作，xueyuanfzm@163.com。

引用本文：孫德清，馮子明，趙巖，等.寬溫域VL型密封結構應力分析及壽命預測[J].化工機械，2024，51（3）：423-432.

密封結構裝置是機械領域中的重要部件，其性能優(yōu)劣直接影響整體機械的安全，而導致機械結構產生安全隱患很大一部分原因就是密封失效，橡膠材料密封圈作為標準的密封零件，具有較高抗拉壓的力學性能，已經廣泛應用于各個機械領域[1～3]。

VL型密封是瑞典Trelleborg公司于1998年推出的一種桿密封結構，該密封結構主要由O型圈和L型圈兩部分組成。其中，O型圈是橡膠結構，L型圈由PTFE材料構成，將這兩部分結合形成VL密封結構可以顯著提高各類機械液壓缸桿密封結構的密封性能，因此被廣泛應用于航天、汽車及輪船等重型機械領域。目前國內外學者已對VL密封結構應力分布、泄漏狀況和摩損性能進行系統(tǒng)的分析與討論。

趙勇等為探討VL密封件在實際使用過程中性能指標與密封件摩擦力、變形量等參數的關系，發(fā)現內徑尺寸變化、截面輪廓變化程度及磨損量與泄漏速率呈現正相關關系;摩擦力變化與唇口處表面粗糙度變化與泄漏速率無直接關系[4]。易軍等為深入研究航空作動器往復密封的問題，對航空用直線往復作動筒上的VL密封圈進行有限元仿真，利用ANSYS APDL繪制密封圈唇口接觸壓力分布圖，并分析密封圈最大等效應力和唇口接觸壓力峰值隨溫度的變化情況[5]。

徐敏等為研究VL密封磨損量、摩擦力與接觸應力之間的關系，通過往復密封試驗臺，得到了密封結構的接觸應力，根據磨損試驗，發(fā)現L型圈與溝槽形成的接觸應力與磨損量無關，僅與密封壓力的擠壓作用有關[6]。吳長貴等利用ABAQUS流體壓力滲透載荷的加載方式對航空作動器VL密封圈進行有限元仿真分析，該方法不但可以得到高壓（35 MPa）下的收斂解而且可以自動尋找唇口接觸與分離的臨界點[7]。

歐陽小平等為提高航空作動器的往復密封性能，對VL密封結構進行特性分析。通過分析液壓往復密封機理，指出接觸壓力分布對往復密封泄漏和摩擦的影響，并獲得高性能密封的接觸壓力分布方法[8]。ZHANG Y等對VL組合密封模型在不同磨損條件下進行了有限元計算，得到了模型的接觸壓力分布。其考慮密封變形與潤滑油膜的耦合作用，建立了VL組合密封的彈性流體動力潤滑數學模型，VL組合密封的磨損、黏度的降低、粗糙度的增加和轉速的提高都會導致潤滑油膜的厚度和壓力增大[9]。

XU S X等研究了壓力、摩擦系數、粗糙度和驅動速度對外沖程和內沖程混合潤滑模型的影響。通過有限體積法對混合潤滑模型進行求解，該方法包括耦合流體力學、變形力學和接觸力學分析，結果發(fā)現泄漏量對薄膜厚度敏感，油膜厚度越大，摩擦系數的影響越大，但油膜對摩擦的影響可以忽略不計[10]。摩擦主要由接觸壓力決定。張琦等建立了典型VL組合活塞桿密封的熱彈流潤滑模型，分析了熱黏性對活塞桿密封系統(tǒng)的影響，并模擬了活塞桿密封的瞬態(tài)溫度場，發(fā)現溫度越高，潤滑膜厚度越小，則摩擦越大[11]。

通過上述總結發(fā)現，目前大多數學者都旨在研究VL型密封結構的應力分布，或通過數學模型計算來得出油膜與密封泄漏之間的關系，鮮有學者研究溫度變化對VL密封結構疲勞壽命的影響，且在工程實際中，密封失效原因多與溫度變化有直接關系，如密封材料在工作過程中可能會產生高周疲勞，溫度變化會直接影響密封材料的力學性能，加之工作環(huán)境較為惡劣等因素，導致機械設備密封失效。密封失效不僅會給企業(yè)帶來經濟損失，同時也會嚴重威脅人們的生命安全，故有必要對密封材料進行寬溫域環(huán)境中溫度變化對密封結構疲勞壽命的影響展開研究。

筆者首先建立VL密封結構模型，在不同溫度條件下，研究其應力狀態(tài)分布，隨后以Miner損傷機理為基礎，疲勞累計損傷為指導，分別對VL密封裝置O型圈、L型圈的疲勞壽命進行計算，并對疲勞位置和壽命進行分析。

1 基礎理論及研究方法

1.1 橡膠材料本構模型

采用Mooney?Rivlin模型來模擬橡膠圈的力學行為，Mooney?Rivlin模型作為一個經典模型可以模擬各類橡膠的力學行為，該模型適用于小變形（150%以內），但Mooney?Rivlin模型無法模擬多軸受力數據，因此通過試驗獲得的材料數據并不能直接用來模擬橡膠的力學行為，而ABAQUS軟件則是可以根據不同需求，對原始本構模型進行展開，展開項數不同，運算量、模擬時間也不相同。應變能函數模型如下[12]：

W=C（I-3）i（I-3）j+（J-1）2i（1）

式中 d——材料的可壓縮系數;

J——變形后體積與變形前體積的比值;

N——多項式階數。

將上述公式中的N取值1，可以得到Mooney?Rivlin模型：

W=C（I-3）+C（I-3）+（J-1）2??? （2）

其中，C、C為Mooney?Rivlin模型的材料參數。

1.2 疲勞損傷機理

筆者以Miner損傷機理為基礎，利用Fe?safe對VL密封圈進行疲勞計算。運用Miner理論的前提是：材料在各應力水平下的損傷是獨立的，可以進行線性疊加;不同載荷的加載順序對疲勞損傷沒有影響。基于以上條件下，該理論認為：在變載荷作用下，各載荷應力水平不同，假設在某一固定應力下，材料進行了n次循環(huán)，此時應力為Δσ，疲勞循環(huán)次數為N，則單次循環(huán)的疲勞累積損傷為，當材料進行n次循環(huán)時所積累的疲勞損傷為Di=。若將疲勞破壞值設定為1時，材料將產生破壞，那么在不同幅值下所產生疲勞破壞計算公式為[13]：

D=D==1???? （3）

式中 N——以Δσ應力進行循環(huán)加載時的疲勞

壽命;

n——以Δσ應力進行循環(huán)加載時的次數。

1.3 數值仿真方法

用ABAQUS軟件建立VL結構密封模型，圖1為ABAQUS軟件中VL密封結構模型示意圖，由于橡膠圈在計算過程中的收斂難度情況，所以本次設計將其四等分，劃分完成后有利于網格的劃分，使其可以更容易進行收斂計算，本次仿真中凹槽、活塞桿與L型圈選用的是二維軸對稱單元CAX4R，橡膠采用的單元是CAX4RH，橡膠本構模型采用Mooney?Rivlin模型，凹槽與活塞桿的常規(guī)網格密度為0.2，局部加密0.05和0.01，L型圈網格密度為0.1，局部加密0.02，橡膠圈網格密度為0.02，VL密封結構網格劃分如圖2所示。

圖3為VL密封結構的加載情況，本次仿真共進行兩次加載，第1步加載另活塞桿上移0.5 mm實現預緊密封作用，第2步在橡膠圈和L型圈左側施加28 MPa流體滲透載荷。

1.4 Fe?safe軟件實現方法

疲勞分析的基本過程示意圖如圖4所示。筆者利用有限元分析軟件ABAQUS和疲勞分析軟件Fe?safe進行聯(lián)合仿真，對往復液壓密封裝置進行疲勞壽命的預測，以對產品的疲勞性能提前了解，為產品的設計優(yōu)化提供參考。基于ABAQUS和Fe?safe的有限元疲勞仿真主要有3個關鍵因素：疲勞載荷的有限元計算模型;材料的S?N曲線;實際承受的載荷譜。

由于橡膠材料屬于非線性的大變形材料，而且仿真過程中涉及邊界條件非線性，因此有限元的計算模型應該取疲勞載荷加載序列的極限載荷的應力場結果，然后在Fe?safe中對疲勞載荷加載序列狀態(tài)的應力場結果進行組合定義，進行疲勞仿真分析。有限元計算模型是在ABAQUS中建立，隨后進行橡膠材料屬性的設置、定義分析步、創(chuàng)建耦合約束、施加載荷及邊界條件等，最后計算得到極限載荷的應力場結果。橡膠材料的S?N曲線和載荷譜是Fe?safe進行疲勞分析的關鍵依據，對ABAQUS導入的有限元計算結果進行疲勞分析，最終求得橡膠懸置的疲勞壽命結果。

1.5 材料參數

通過查閱相關資料[14]獲得具體數據，參數見表1～3。

2 結果與討論

2.1 溫度對VL型密封結構Mises應力影響

由圖5可以看出，VL型密封結構整體最大Von?Mises應力最大值在25 ℃時存在分水嶺，25 ℃前，最大Von Mises應力位置在L型圈前側鈍角處，當溫度超過25 ℃以后，最大Von?Mises位置在L型圈與活塞桿里側位置。從圖6中可以看出，VL密封結構整體Von?Mises應力在低溫時受溫度影響不大，在高溫時受到的溫度影響較為明顯。Von?Mises應力最大值從88.02 MPa提高至163.9 MPa，由圖5可知，L型圈在受到徑向壓縮后，再受到左側流體壓力進一步擠壓，導致L型圈變形，且下側尖角處應力集中得以緩解。由于再溫度變化過程中，溫度會對O型圈及L型圈材料的彈性模量產生較大影響，溫度越低，則橡膠及PTFE內部玻璃化程度越大，這是因為分子鏈受到溫度影響，高分子鏈段被凍結，呈現出玻璃化趨勢，材料硬度及脆性顯著增加。隨著溫度逐漸增加，材料恢復彈性，變形量逐漸增大，當溫度達到80 ℃以后，密封結構L型圈與活塞桿之間由點接觸逐漸變成了面接觸，但在溫度逐漸升高過程中，O型圈和L型圈

均發(fā)生軟化，流體壓力不變的情況下，活塞桿受到組合密封的壓力增加，使得應力顯著增大。

最大應力曲線

2.2 溫度對O型圈Mises應力影響

由圖7可知，隨著溫度逐漸增加，應力最大值點逐漸向右上方轉移，通過對整體密封裝置分析可知，溫度增加提高橡膠的柔順性，應力集中點位由內部向外部轉移。由圖8可知，在不同溫度下，O型圈表面出的Mises應力大小變化不大，這可能是由于在不同溫度下，橡膠圈同時受到左側介質的壓力和底部L型圈的壓力，Mises應力是這兩種壓力下共同作用的結果，隨著溫度的增加，L型圈變形較為明顯，這對O型圈內部應力起到了一定的緩解作用，因此O型圈Von?Mises應力受溫度影響的變化不大。

2.3 溫度對L型圈Mises應力影響

由圖9、10可知，隨著溫度增加，L型圈最大Mises應力位置由底部開始向內壁轉移，最后到L型圈內部為止，且大小變化由60.19 MPa逐漸減小到26.38 MPa。這可能是因為溫度較低時，L型圈材料硬度較大，變形量較小，局部應力高度集中。隨著溫度增加，L型圈材料逐漸軟化，PTFE材料主要由C—C鍵構成，環(huán)境溫度增加使得內部分子之間的相互作用力下降，材料逐漸變軟，同時左側的介質壓力對L型圈進行擠壓，導致最大Mises應力位置由底部尖角處轉移到了L型圈內壁，而繼續(xù)增加溫度，L型圈進一步軟化，變形量顯著增加，緩解了應力集中的同時，最大Mises應力位置也從L型圈邊緣轉移到了L型圈內部。

2.4 溫度對O型圈疲勞壽命影響

由圖11、12可知，隨著溫度的增加，O型橡膠圈的最小疲勞壽命由1.182×105次增加到7.341×107次，再減小到2.073×104次。這是因為溫度較低時，橡膠材料內部玻璃化程度較大，脆性增加，在密封裝置往復運動過程中受到交變載荷的作用，導致疲勞壽命較低。而隨著溫度增加，橡膠的脆性變小，疲勞壽命顯著增加;而當溫度達到25 ℃以后，繼續(xù)增加溫度，橡膠疲勞壽命再次減小，這是因為橡膠材料在高溫下產生了熱氧老化，橡膠在高溫高壓條件下被氧化，自身的長分子鏈斷裂成為短分子鏈，力學性能顯著下降。此外，對于高溫疲勞壽命和低溫疲勞壽命分布有所區(qū)別，總體來說，高溫區(qū)域材料的平均疲勞壽命要高于低溫區(qū)域，這說明橡膠材料玻璃化程度對疲勞壽命的影響大于高溫老化程度。

2.5 溫度對L型圈疲勞壽命影響

由圖13、14可知，隨著溫度增加，L型圈最小疲勞壽命曲線呈現增減增趨勢。出現該現象的原因是多方面的，一方面PTFE材料受環(huán)境影響，在低溫環(huán)境下內部分子運動較低，材料顯脆性，在介質載荷作用下，應力集中位置優(yōu)先發(fā)生疲勞破壞，而其他非應力集中位置疲勞壽命較高。在高溫環(huán)境中，PTFE容易發(fā)生塑性蠕變，在介質載荷作用下，整體的疲勞壽命顯著下降，與低溫環(huán)境下的疲勞壽命不同的是，高溫條件下的材料平均疲勞壽命大幅下降，且最小疲勞壽命的位置發(fā)生變化導致L型圈最小疲勞壽命曲線呈現不規(guī)律性。但就總體趨勢來說，在低溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較小，但平均疲勞壽命較大，在高溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較大，但平均疲勞壽命較小。

3 結論

3.1 通過對整體VL密封結構的分析可知，溫度較低時的VL密封結構最大Von?Mises應力要低于高溫環(huán)境下的應力，當溫度超過25 ℃以后，最大Von?Mises應力顯著增加。

3.2 通過對O型圈分析可知，隨著溫度增加，O型圈最大Von?Mises應力位置由內部向外側轉移，但由于組合密封關系，最大Mises應力變化不大。通過對O型圈疲勞壽命分析可知，材料疲勞壽命隨溫度增加呈現先增后減趨勢，在25 ℃時，整體結構的平均疲勞壽命最高。

3.3 通過對L型圈分析可知，環(huán)境溫度增加，L型圈最大Von?Mises應力減小，且位置由底部到內壁再到結構內部。通過對L型圈疲勞壽命分析可知，材料疲勞壽命在低溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較小，但平均疲勞壽命較大，在高溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較大，但平均疲勞壽命較小。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-05-02，修回日期：2024-05-08）