两种密封结构橡胶密封圈密封性对比分析

机械密封以其寿命长、运行稳定、性能参数高、密封可靠等突出特点而被广泛应用于石化、制药、航天等领域的旋转机械设备中。随着机械密封向高速、高温、高压及大直径的方向发展，对机械密封的设计提出了更高的要求[1-2]。橡胶密封圈因具有良好的密封性、结构简单、安装方便及成本低等特点，在机械行业中被广泛应用，是机械密封中重要的组成部分[3-5]。

目前，国内很多学者对影响橡胶密封圈密封性能的因素进行了研究。王财生[6]研究了O形密封圈的预压缩率、介质压力及凹槽宽度对密封性能的影响，发现密封性能随着预压缩率和介质压力的增大、凹槽宽度的减小而提高，但这些参数都需要控制在一定范围内。秦亚军、胡殿印等[7-8]分析了密封结构参数、介质压力及工作温度对橡胶O形圈密封性能的影响，发现随工作温度的升高，O形圈的密封性能呈变差的趋势。关文锦等[9]研究了预压缩率和介质压力对O形圈密封性能的影响，结果表明，O形圈和密封槽转角接触部位容易失效；接触应力呈抛物线分布，接触应力、接触长度随着预压缩率、介质压力增大而增大。张婧和金圭[10]研究了O形圈的结构参数对其接触压力的影响，并用统计分析方法得到接触压力与O形圈的截面尺寸、内径、压缩率及硬度关系的回归方程 。

在机械密封中，橡胶密封圈的使用环境温度会发生变化，便会导致密封圈的密封性能因应力变化而受影响，严重时可能还会造成泄漏现象，密封作用失效，从而使机械设备不能正常使用[11]。某发动机出水口处密封结构中的橡胶密封圈采用了四孔螺栓装配结构，本文作者利用有限元分析软件ABAQUS，分析温度对该结构中橡胶密封圈密封性的影响，并与三孔螺栓预紧结构中橡胶密封圈的密封性能和应力状态进行比较，对发动机辅助密封的优化设计和进一步提高机械密封性能有着重要意义。

1 计算模型的建立

1.1 橡胶密封圈密封结构

在对发动机出水口处橡胶密封圈进行有限元分析时，考虑到其边界条件的复杂性，将密封圈和密封结构的盖板、槽体作为整体分析。一般情况下，根据密封结构的几何模型、边界条件的特点，将密封圈的装配模型简化成平面轴对称模型或平面应变模型来研究其密封性能[12-14]。文中分别探讨了盖板可变形性和不可变形性对密封圈的密封性能和应力状态的影响，为了能反映出复杂的密封结构，并完整地分析密封圈的密封性能，利用ABAQUS软件分别建立了三孔、四孔螺栓预紧结构下橡胶密封圈的三维几何模型及其装配模型，如图1、图2所示。

图1 三孔结构橡胶密封圈的几何模型及装配模型
Fig 1 Geometric model and assembly model of the rubber
sealing ring with three-hole structure

图2 四孔结构橡胶密封圈的几何模型及装配模型
Fig 2 Geometric model and assembly model of the rubber
sealing ring with four-hole structure

1.2 有限元模型的建立

橡胶类非线性材料，其应力应变关系需要使用应变能函数描述，而应变能函数本构模型的选择根据模型的材料和变形程度综合考虑[15]。文中研究对象橡胶密封圈存在大变形的接触问题，为了提高有限元计算精度，采用了Ogden本构模型作为应变能函数[16]。研究的橡胶密封圈材料的Ogden本构模型相关参数如表1所示。2种结构橡胶密封圈使用的材料一致，各部件材料性能参数如表2所示。

表1 橡胶材料Ogden本构模型相关参数
Table 1 Related parameters of Ogden constitutive
model of rubber material

表2 各部件材料性能参数
Table 2 Material performance parameters of each component

密封圈分析包括其安装过程和工作过程，其中安装过程包括密封圈压缩和螺栓预紧板盖及槽体结构，工作过程包括安装好的密封圈随温度的变化过程。根据密封圈的安装及工作过程，将密封圈有限元分析分为两步。首先，利用ABAQUS/Standard隐式算法对密封圈结构进行分析，将螺栓预紧力施加在结构上，提取螺栓孔位置处盖板与槽体的相对变形量，作为密封圈显式分析压入行程输入；然后，利用ABAQUS/Explicit显式算法分析橡胶密封圈在被压入槽体内后在不同温度下的密封性能和应力状态。

建立螺栓预紧力分析有限元模型，盖板和槽体都采用四面体单元；盖板与槽体建立面面接触,槽体上表面为接触面，盖板下表面为目标面，摩擦因数为0.1；给槽体底面施加固定约束，将盖板x、y平动方向约束；螺栓型号为M6*P1.0,用带预紧力的梁单元模拟。为了更好地模拟真实情况，把梁单元分成了三段，在中间一段加预紧力，预紧力为6 667 N。盖板可变形时，将其设置为变形体，不可变形时，设置为刚体，其他设置相同。三孔、四孔螺栓预紧结构下橡胶密封圈预紧力有限元模型如图3、图4所示。

图3 三孔结构橡胶密封圈预紧力有限元模型
Fig 3 Finite element model of pre-tightening force of the
rubber sealing ring with three-hole structure

图4 四孔结构橡胶密封圈预紧力有限元模型
Fig 4 Finite element model of pre-tightening force of the
rubber sealing ring with four-hole structure

显式分析是密封圈压入槽体过程以及温度变化过程，橡胶密封圈、槽体采用四面体实体单元，划分结果如图5、图6所示。在密封圈表面与槽体内表面、盖板下表面与密封圈上表面以及盖板下表面与槽体上表面建立接触对；给槽体底面施加固定约束，盖板施加竖直向下的位移约束；在预定义场中设置橡胶密封圈的初始温度工况，并在后续分析步中将温度减少或增加到预期设定值。

图5 三孔密封结构显式分析有限元模型
Fig 5 Explicit analysis finite element model of
three-hole sealing structure

图6 四孔密封结构显式分析有限元模型
Fig 6 Explicit analysis finite element model of
four-hole sealing structure

2 计算结果与分析

2.1 三孔结构有限元分析结果

2.1.1 螺栓预紧工况

三孔结构螺栓预紧工况，考虑了盖板的变形性和不可变形性对螺栓孔位置处盖板与槽体的相对变形量的影响。盖板为变形体时，变形量为0.024 0 mm，如图7(a)所示；盖板为刚体时，变形量为0.015 7 mm，如图7(b)所示。

图7 三孔结构螺栓预紧工况变形量
Fig 7 Deformation of three-hole structural bolt pre-tightening
condition(a)the cover plate is a deformable body;
(b)the cover plate is a rigid body

2.1.2 温度工况

三孔螺栓预紧结构下密封圈性能分析的温度工况分为3种情况，工况一温度为23 ℃，该工况下压缩橡胶密封圈至盖板与槽体贴合；工况二温度由23 ℃下降到-40 ℃；工况三温度由-40 ℃上升到150 ℃。考虑到每个工况需要描述的结果云图很多，且每个工况结果云图相似，文中只列出工况一的结果云图，其余工况用表格列出分析结果。

三孔结构在工况一下，盖板为刚体时的von Mises应力峰值为7.29 MPa，出现在加强筋处，如图8所示；最大真实应变为0.281，主要集中于密封圈上、下表面接触区域，如图9所示；橡胶密封圈上表面的最大接触应力为9.34 MPa，上表面的接触宽度为1.77 mm，接触区域连续均匀，如图10和图11所示。三孔结构各工况有限元分析结果如表3所示。

图8 23 ℃下三孔结构密封圈的von Mises应力云图 图9 23 ℃下三孔结构密封圈的应变云图
Fig 8 Von Mises stress nephogram of sealing ring Fig 9 Strain nephogram of sealing ring with
with three-hole structure at 23 ℃ three-hole structure at 23 ℃

图10 23 ℃下三孔结构密封圈上表面的接触应力云图 图11 23 ℃下三孔结构密封圈上表面的接触宽度
Fig 10 Contact stress nephogram of the upper surface of Fig 11 Contact width of the upper surface of sealing
sealing ring with three-hole structure at 23 ℃ ring with three-hole structure at 23 ℃

表3 三孔结构密封圈各工况下有限元分析结果
Table 3 Finite element analysis results of sealing ring with three-hole structure at different working conditions

由表3可以看出，温度的变化对橡胶密封圈的密封性能和应力状态都有一定的影响。随着温度的升高，橡胶密封圈受到的von Mises应力、接触应力、最大真实应变及接触宽度均逐渐增大。在同一工况下，盖板的刚度不同，橡胶密封圈的密封性能和应力状态也有所差异。同时可看出，盖板为刚体和为变形体2种情况下的有限元分析结果相差不大，在10%以内，可认为在误差允许范围内。因此，在对三孔螺栓预紧结构下的密封圈进行有限元分析时，可以不考虑盖板的变形性，直接视为刚体。

2.2 四孔结构有限元分析结果

2.2.1 螺栓预紧工况

四孔结构螺栓预紧工况同三孔结构一样，考虑了盖板的变形性和不可变形性对螺栓孔位置处盖板与槽体的相对变形量的影响。盖板为变形体时，变形量为0.025 3 mm，如图12(a)所示；盖板为刚体时，变形量为0.017 9 mm，如图12(b)所示。

图12 四孔结构螺栓预紧工况变形量
Fig 12 Deformation of four-hole structural bolt pre-tightening
condition (a)the cover plate is a deformable body;
(b)the cover plate is a rigid body

2.2.2 温度工况

四孔螺栓预紧结构下密封圈性能分析的温度工况与三孔螺栓预紧结构下相同。在工况一下，盖板为刚体时，von Mises应力峰值为7.98 MPa，出现在加强筋处，如图13所示；最大真实应变为0.299，主要集中于密封圈上、下表面接触区域，如图14所示；橡胶密封圈上表面的最大接触应力分别为10.8 MPa，上表面的接触宽度为1.89 mm，接触区域连续均匀，如图15和图16所示。四孔结构各工况有限元分析结果如表4所示。

图13 23 ℃下四孔结构密封圈的von Mises应力云图
Fig 13 Von Mises stress nephogram of sealing ring
with four-hole structure at 23 ℃

图14 23 ℃下四孔结构密封圈的应变云图
Fig 14 Strain nephogram of sealing ring with
four-hole structure at 23 ℃

图15 23 ℃下四孔结构密封圈的接触压力云图
Fig 15 Contact stress nephogram of sealing ring with
four-hole structure at 23 ℃

图16 23 ℃下四孔结构密封圈上表面的接触宽度
Fig 16 Contact width of the upper surface of sealing
ring with four-hole structure at 23 ℃

由表4可以看出。随着温度的升高，四孔结构的分析结果同三孔结构的分析结果变化趋势一致，橡胶密封圈受到的von Mises应力、接触应力、最大真实应变及接触宽度均逐渐增大。在同一工况下，四孔结构在盖板为刚体和为变形体2种情况下的分析结果也存在差异，但是误差小于10%。因此，在误差允许范围内，四孔结构密封圈进行有限元分析时，也可以不考虑盖板的变形性，直接视为刚体。

表4 四孔结构密封圈各工况下有限元分析结果
Table 4 Finite element analysis results of sealing ring with four-hole structure at different working conditions

3 对比分析及验证

只考虑盖板为刚体，表5中给出了三孔和四孔螺栓预紧结构下密封圈在各工况下的密封性能及应力状态。可以看出，2种结构下密封圈在各工况下的密封性能及应力状态均满足要求，密封宽度均大于1.5 mm。三、四孔螺栓预紧结构下密封圈在各工况下的von Mises应力和上、下表面的接触应力均较小，能承受常规的油压冲击。在各工况下，四孔螺栓预紧结构下橡胶密封圈的von Mises应力峰值均比三孔螺栓预紧结构下密封圈的von Mises应力峰值大，特别是在极限工况-40 ℃时，两密封圈的应力峰值相差了2.84 MPa；同一工况下，三、四孔螺栓紧结构下密封圈上、下表面的接触应力相差不大。在相同的工作温度下，三孔与四孔螺栓预紧结构下密封圈的密封性能相差不大。

表5 三、四孔结构密封圈分析结果对比
Table 5 Comparison of analysis results of the sealing rings with three-hole and four-hole structures

从上述分析结果可知，三孔和四孔螺栓预紧结构下密封圈在各工况下均满足密封要求，但三孔螺栓预紧结构下密封圈的von Mises应力峰值均小于四孔螺栓预紧结构，因此采用三孔螺栓预紧结构在满足密封性能的前提下可提高密封圈的使用寿命。

为验证三孔螺栓预紧密封结构的可靠性，将生产的三孔螺栓密封样品在发动机上进行了3种工作温度下的实验模拟，实验过程中未发生泄漏现象。

4 结论

利用有限元软件ABAQUS分析计算了橡胶密封圈在三孔和四孔螺栓装配结构下橡胶密封圈的应变、von Mises应力分布及接触密封表面上的接触应力和接触宽度，讨论了温度的变化和盖板的变形性对橡胶密封圈的密封性能和应力状态的影响，对比分析了三孔和四孔结构下密封圈在不同工作温度下的密封性能和应力状态。结论如下：

(1)温度的变化对橡胶密封圈的密封性能和应力状态都有一定的影响，随着温度的升高，橡胶密封圈的von Mises应力、接触应力、最大真实应变及接触宽度均逐渐增大。

(2)盖板的变形性对橡胶密封圈的密封性能和应力状态影响不大，在误差允许的范围内，可将盖板视为刚体。

(3)采用三孔和四孔螺栓预紧结构时密封圈在各工况下均满足密封要求，但同一工况下，采用三孔结构时密封圈具有更小的von Mises应力峰值，因此为提高密封圈的使用寿命，在常规水压冲击下，可以选择使用三孔螺栓的密封结构。