摘 要：针对深海高压环境下的O形密封圈，建立了有限元模型，仿真分析了O形密封圈在不同硬度、不同工况下的密封性能，探讨了O形密封圈的材料硬度、径向压缩率和外界压力对密封接触压力的影响。研究表明，在径向压缩率为17%～26%的范围内，O形密封圈的材料硬度与截面压缩率相比，材料硬度的增加对初始接触压力的提高的影响更加显著；在静水压力的作用下，O形密封圈具有良好的自紧性能，并且接触压力始终大于外界静水压，其密封安全裕度的大小约为初始接触压力；经分析计算，邵氏硬度90 HA的聚氨酯O形密封圈，在22%的初始安装压缩率的条件下，密封安全裕度约为10 MPa，能满足6 km深海高压密封的要求。为进一步验证有限元分析的正确性，进行了O形密封圈的深海试验，试验结果表明密封可靠，与仿真结果相一致。
关键词：高压密封；O形密封圈；接触压力；密封性能；深海试验
引言
在进行深海生物资源开发利用的过程中，深海高压密封是突破深海高压屏障获取深海生物资源的重要基础，尤其是以电磁为基础的控制系统，对密封环境的要求更为苛刻。随着我国深海装备技术的发展，对密封件的密封安全性能的要求越来越高[1]。传统橡胶密封圈需要靠添加大量的填料获得较高的硬度来满足高压密封的需求， 而聚氨酯弹性体的硬度范围为邵氏10 HA至邵氏80 HD，在较高硬度下仍具有良好的弹性和延伸率，非常适合用于密封件[2]。
O形密封圈结构简单、成本低廉、安装方便，是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。近年来，国内的一些学者对O形密封圈的密封特性进行了深入的研究，王成刚[3] 、王杰[4] 、尚付成[5]等[6-9]分别用有限元的方法对O形密封圈进行了模拟分析，得出了O形密封圈的应力应变云图、密封面的接触压力及剪应力的分布状态，以及最大接触应力与外界压力及初始压缩率的关系。以上分析基本局限于单一性质的分析，缺少材料硬度对密封性能影响的研究，并且对O形密封圈密封安全裕度值的讨论甚少。崔玉涛[10]、张梅[11] 、王大伟等[12-13]分别用实验研究的方法对O形橡胶圈的密封性能进行了探讨。实验研究方法虽然直接，但存在研究周期长、成本高、参数调整困难等缺点。
以深海浮游生物取样器中的密封环境为例，对不同硬度的O形密封圈在不同径向压缩率的条件下进行了有限元分析，探讨了材料硬度、截面压缩率、外界静水压与密封接触压力的关系，确定了6 km级深海密封的O形密封圈的材料硬度及安装条件。安装在深海浮游生物取样器上进行了6 km深海试，进一步验证有限元分析的正确性。
1 有限元分析模型
1.1 Mooney-Rivlin模型
随着计算机性能的提高及大型非线性有限元软件的发展，使得工程设计人员对弹性体构件的有限元分析成为现实[14-15]。在各种有限元分析软件中，对橡胶类物理非线性材料，常用Mooney-Rivlin模型来描述。
(1)
式中， W为应变能密度； Cij为Rivlin系数； I1，I2分别为第一和第二Green应变不变量。仅用1个参数描述的Mooney-Rivlin模型称为Neo-Hookean Mooney-Rivlin模型[8]，由式(1)变成：
W=C10(I1-3)
(2)
材料模型中剪切模量是一个常数，在Neo-Hookean Mooney-Rivlin模型中，系数C10等于剪切模量的一半。聚氨酯可以看为近似不可压缩性材料，取泊松比μ≈0.5，弹性模量E≈3G。实际应用中很容易测得聚氨酯试样的硬度，并代入式(3)、式(4)得到模拟参数。
(3)
(4)
以材料硬度为邵氏70 HA、80 HA、90 HA、55 HD(96 HA)的O形密封圈为例，性能参数见表1。
表1 不同硬度聚氨酯材料的性能参数 MPa
1.2 模型建立与网格划分
以内径56 mm，截面直径3.55 mm的O形密封圈为例进行建模分析，密封槽尺寸按照对应国标建模。O形密封圈与密封槽结构及所受载荷成轴对称分布，将计算模型简化为轴对称的平面模型，如图1a所示。
密封槽材料的弹性模量远大于O形密封圈材料的弹性模量，将密封槽及密封盖假设为解析刚体，O形密封圈假设为近似不可压缩材料。为了简化模型，缩短计算时间，对密封圈进行分割处理，使模型的网格分布更为均匀，减少计算时间的同时提高计算精度，网格划分如图1b所示。
图1 O形密封圈有限元模型
1.3 接触条件分析
模型中包含3个接触对，分别是O形密封圈、密封槽及密封盖之间的两两接触。在分析过程中，密封盖和密封槽在接触对中作为主接触面，O形密封圈作为从接触面，摩擦系数参照文献[16]确定。
1.4 边界条件与加载方式
首先，约束密封槽的所有自由度，利用密封盖的强制位移模拟O形密封圈的安装过程，使O形密封圈获得一定的初始压缩，形成初始接触压力。O形密封圈的初始压缩率合格要求按ISO 03601-2：2008标准施加，如图2所示，d1为O形密封圈的截面直径，C为截面径向变形量与截面直径的比例，选择压缩率17%～26%作为初始加载条件。然后，在O形圈的外侧逐步施加均匀压力p，模拟海水静压力，分析O形密封圈接触压力的变化情况。
图2 O形密封圈安装合格要求
2 模拟数据分析
2.1 安装预紧过程分析
在O形密封圈的安装过程中，密封接触面上形成初始接触压力，如图3a所示，此时在没有外界压力或压力很小的情况下，O形密封圈依靠自身的弹性力作用实现密封。如图3b，O形密封圈的最大Mises应力出现在密封圈的中间部分，成哑铃状分布，作用范围较大，该区域最容易出现材料的永久压缩变形，导致O形密封圈的压溃失效。
图3 邵氏A90的密封圈安装过程应力云图
图4a为邵氏硬度90 HA的O形密封圈在截面压缩率由17%～26%的安装过程中密封面上的接触压力分布图。可以看出，截面压缩率在17%～26 %的变化过程中，O形密封圈a、b、d的接触区域出现了压力集中，形成初始密封屏障。O形密封圈的c区域与密封槽无接触，接触压力出现负值，处于被拉伸的状态。
如图4b所示，四种硬度的O形密封圈在截面压缩率由17%～26%的安装过程中密封面最大接触压力的变化情况，最大接触压力的变化范围分别为2.5～3.8 MPa、 4.5～7 MPa、 8～13 MPa、 23～38 MPa。由接触压力曲线的变化趋势可以看出，在材料硬度较低的情况下，提高安装压缩率，接触压力的变化并不明显。相同压缩率的条件下增加O形密封圈材料硬度可以显著提高密封接触压力。
图4 安装过程密封面上的接触压力布
由分析可以看出，在截面压缩率为17%～26%的范围内，增加O形密封圈的材料硬度与增加截面压缩率相比，材料硬度的增加对初始接触压力提高的影响更加显著。
2.2 密封性能分析
以最大接触压力准则作为判断密封失效的依据，当密封面接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。
图5为邵氏硬度90 HA的O形密封圈在截面压缩率22%、密封间隙0.02 mm，静水压力载荷60 MPa时的应力应变云图。在静水压力p的作用下O形密封圈被挤压至密封沟槽的内侧边。O形密封圈在自紧性能的作用下，密封接触压力随静水压力的增大而增大。O形密封圈Mises应力的分布区域进一步扩展，最大Mises应力向密封圈被挤出方向聚集。
图5 密封圈在60 MPa静水压力作用下的应力云图
图6a为邵氏硬度90 HA的O形密封圈，在安装压缩率22%时，随静水压力变化过程中密封接触压力的变化情况。可以看出，在初始接触压力及O形密封圈自紧性能的作用下，O形密封圈的密封压力始终大于外部静水压力。
图6 工作过程密封面上的接触压力分布
图6b为静水压力对O形密封圈自紧性能的影响曲线，从图可以看出，在静水压力增加的过程中，安装压缩率为22%的四种密封圈密封面接触压力基本成直线增加，O形密封圈呈现出良好的自紧性能，并使密封压力始终超出静水压一个安全裕度值。邵氏硬度为70 HA、80 HA、90 HA、55 HD的O形密封圈对应安全裕度值分别为2.5 MPa、5.5 MPa、10 MPa、28 MPa，大小约为相应密封圈的初始接触压力值。
可以看出，初始接触压力是O形密封圈密封安全可靠性的基础，其大小直接依赖于密封圈的材料硬度及初始安装条件。
根据不同的密封环境及安全等级的要求，在O形密封圈的选择中，选择合理的材料硬度，适当的安装条件，能有效确保设备的安全运行。经对比分析，邵氏硬度90 HA的O形密封圈，在安装压缩率为22%情况下，可以提供约为10 MPa的密封安全裕度，能满足6000 m深海的高压密封。
3 O形密封圈密封性能深海试验
对O形密封圈进行了6 km深海试验，实验装置如图7所示，将O形密封圈安装在深海浮游生物采集器中的密封环境中，并在密封圈内侧布置水分检测试纸，随深海浮游生物采集器下放到6 km深海环境。试验完成之后密封环境中的水分检测试纸没有发生颜色变化，试验结果表明，邵氏硬度90 HA的O形密封圈，在安装压缩率22 %的情况下，能实现6 km深海环境下的安全密封。
图7 O形圈密封性能试验
4 结论
(1) 用于静密封的O形密封圈最大Mises应力出现在密封圈的中间部分，并成哑铃状分布；随外界静水压力的增大，Mises应力的作用区域范围扩大，最大Mises应力向密封圈被挤出方向聚集；
(2) 在径向压缩率为17%～26 %的范围内，增加O形密封圈的材料硬度与增加截面压缩率相比，材料硬度的增加对初始密封压力提高的影响更加显著;
(3) 在静水压的作用下，O形密封圈具有很好的自紧性能，使密封压力始终超出静水压一个安全裕度值，安全裕度值的大小为相应密封圈的初始密封压力值;
(4) 初始密封压力是O形密封圈密封可靠性的基础，其直接依赖于密封圈的材料硬度及初始安装条件;
(5) 深海试验结果表明：选择邵氏硬度90 HA的O形密封圈，在截面压缩率22%的情况下，密封安全裕度约为10 MPa，能满足60 MPa高压密封的要求
