基于CAE的Y形高壓往復密封材料性能對比

陳國強，楊 鎏，李 彥，秦沛志，楊 可

（湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411104）

隨著科技的發展和進步，目前人們對密封性能的要求都朝著高壓、高生存能力等方向發展.Y 形密封圈因其密封性能好、生產加工方便以及摩擦小等優點，被廣泛地用于高低壓液壓機械、水壓、氣動機械往復活塞運動中活塞桿的密封.Y 形密封圈在工作過程中靠唇口與軸和缸筒相接觸擠壓來達到密封效果，此外，Y 形密封圈的性能在很大程度上決定了機械設備的使用壽命和工作性能.

近年來，國內外學者對密封性能問題進行了較為深入的研究.WU J B 等［1］分析了O 形密封圈的結構尺寸與材料性能對密封性能的影響；陳國強等［2］利用有限元方法研究了高壓介質的U 形密封圈在閥桿的不同運動速度、不同摩擦系數下對動態密封性能的影響規律；雷雨念等［3］運用ANSYS 分析了往復狀態下不同密封唇高度差對接觸應力的影響；王國榮等［4］通過仿真分析了往復軸用Y 形密封圈內外唇的應力分布和內外行程的應力變化；文獻［5］～［7］研究了Y 形密封圈的結構參數在閥桿靜止和運動情況下的應力及接觸應力的分布和大小規律.徐璁等［8］對比了氟硅橡膠與氟橡膠O 形圈在不同壓縮率時的密封性能.

已有文獻表明，對密封系統的性能研究大多為不同密封結構以及不同密封條件對密封系統力學性能的影響.而對于不同材質的密封系統，以及高壓情形下的密封性能研究甚少，并且主要研究對象為O 形密封圈，少有對Y 形往復密封圈進行研究.

本文選取高壓往復密封件的常用材料聚氨酯和丁腈橡膠，以Y 形密封結構為研究對象，基于ANSYS 仿真軟件對其開展不同工況參數下的密封性能研究.

1 Y形圈密封結構有限元模型的建立

1.1 幾何模型結構參數

以液壓活塞軸用往復密封圈為對象，密封圈型號為Y70×85×12.5［《往復運動橡膠密封圈結構尺寸系列第一部分：單向密封橡膠密封圈》（GB/T10708.1-2000）］，其安裝尺寸、流體密封處和工作過程如圖1 所示.

圖1 Y形密封圈的密封結構圖

1.2 密封圈材料本構模型

橡膠材料屬于超彈性材料，其力學模型表現為復雜的材料非線性、幾何非線性和接觸非線性.目前，國內外學者已經提出了基于熱力學理論的Neo-Hookea 模型、Kuhn-Grun 模型、Arruda-Boyce模型等和基于唯象理論的Mooney-Rivlin 模型、Yeoh 模型、Ogeden 模型.而Mooney-Rivlin 模型作為一個比較經典的模型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學行為，適合于中小變形，一般適用于應變約為100%（拉伸）和30%（壓縮）的情況.故本文選用Mooney-Rivlin 本構模型來表征橡膠超彈性材料在大變形下的力學行為，其應變能函數為［9］

式中，I1、I2為應變不變量；Cij為材料常數.

通過查閱文獻，選取材料的M-R模型參數［10-11］.其中丁腈橡膠的材料參數為：C10=0.202 MPa，C01=6.858 MPa；聚氨酯的材料參數為：C10=0.88 MPa，C01=2.27 Mpa.

設置閥桿和缸體為線性鋼材，密度為780 0kg/m3,彈性模量E=210 Gpa，泊松比μ=0.3.

因為橡膠材料具有近似不可壓縮的物理性質，為了避免有限元分析時因剛度過大而發生體積鎖定，導致計算不收斂，所以需要在Y 形圈插入命令流，激活Y 形圈的mixed up 算法.

1.3 有限元模型建立

圖1 所示的Y 形密封圈密封結構為二維軸對稱型，為了提高計算效率和節省計算時間，本文將模型簡化為平面軸對稱結構并進行有限元建模.

在建立Y 形圈密封結構有限元模型之前，首先要做四點假設：

（1）忽略其在運動過程中會發生的松弛和蠕變；

（2）將橡膠密封圈的材料抽象為近似不可壓縮；

（3）將密封圈材料視為各向同性且均勻連續；

（4）忽略溫度的影響.

1.3.1 接觸設置

該密封模型共設置3 個接觸對，如圖2 所示，且均采用非對稱接觸，目的是使引入的穿透更加準確.其中Y 形圈作為接觸面，接觸單元是CONTA172，閥桿和缸體作為目標面，目標單元是TARGE169.

圖2 接觸關系示意圖

1.3.2 網格劃分

缸體網格尺寸、閥桿網格尺寸均為0.8 mm，并對Y 形密封圈的接觸邊和暴露在介質壓力部分進行細化.Y 形密封圈得到828 個節點和775 個單元.Y 形密封圈密封系統的有限元網格模型如圖3 所示.

圖3 Y形密封圈密封系統的有限元網格模型

1.3.3 加載過程

Y 形密封圈的分析分為4 個載荷步.第1 步為空載，利用程序的接觸算法將模型穿透消除，用來模擬密封圈裝配后的初始狀態；第2 步是在流體壓力一側的Y 形圈表面上施加壓力滲透載荷；第3 步給閥桿一個位移來模擬閥桿內行程；第4 步給閥桿一個反向位移來模擬閥桿外行程.通過這4 個載荷步模擬Y 形密封圈的裝配、靜態受載荷、閥桿往復運動時的載荷情形.

2 失效準則及失效判據

目前普遍采用最大密封接觸壓力大于工作介質壓力以及最大剪切應力小于密封材料的許用抗剪強度［12］的準則進行判斷.

2.1 最大接觸壓力判據

當液壓密封圈工作時，作用在密封面上的接觸壓力必須足夠大，以確保密封的液體不會發生泄漏，因此最大接觸應力判據就是液壓密封圈與剛性壁的接觸壓力必須大于等于系統或者介質壓力，其公式為

式中，P為介質壓力；P1為密封圈所受的最大接觸壓力值.

2.2 最大剪切應力判據

由于間隙的存在，液壓密封圈會受到剪切力作用，在工作過程中如果剪切力過大，就會引起剪切破壞.因此，最大剪切應力判據為所采用的液壓密封圈材料許用剪切應力必須大于由間隙產生的最大剪切應力，公式為

式中，tmax為密封圈所受最大剪切應力；tb為密封圈材料的許用抗剪強度.根據公式：

可以計算出選用兩種材料的抗剪強度值：聚氨酯橡膠抗剪強度為15.86 MPa；丁腈橡膠抗剪強度為14.12 MPa.

3 計算結果與規律分析

本文分析了不同介質壓力（20 MPa、24 MPa、28 MPa、32 MPa、36 MPa、40 MPa）、不同摩擦系數（0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.15）、不同往復速度（30 mm/s、50 mm/s、70 mm/s、90 mm/s、110 mm/s、130 mm/s、150 mm/s）等狀態下，兩種不同材質的Y形密封圈的應力分布規律.

3.1 介質壓力對密封性能的影響規律

設置摩擦系數為0.1，往復速度為30 mm/s 的工況下，基于ANSYS 軟件對丁腈橡膠密封和聚氨酯密封分別施加不同大小的流體介質壓力，對其進行分析，其結果如圖4、圖5 所示.

圖4 介質壓力對最大接觸壓力的影響

圖5 介質壓力對最大剪切應力的影響

由圖4 可以看出，對兩種材質的密封圈施加不同介質壓力時，密封圈與活塞桿接觸面的接觸壓力隨介質壓力增大而增大，且最大接觸壓力總是大于介質壓力，滿足密封的可靠準則.聚氨酯密封的最大接觸壓力在20～32 MPa 時總保持略小于丁腈橡膠密封的最大接觸壓力，當介質壓力到達36 MPa時，聚氨酯密封的最大接觸壓力略微超過丁腈橡膠密封的最大接觸壓力.

由圖5 可以看出，在20～36 MPa 的介質壓力下，丁腈橡膠密封的最大剪切應力始終保持在材料許用抗剪強度以下，滿足密封的可靠準則.而聚氨酯密封在介質壓力為36 MPa 時，最大剪切應力超過了材料許用抗剪強度，在工作中會引起密封失效.

由圖6、圖7 可以看出，在其他設置條件保持一致的前提下，不論是在20 MPa 還是32 MPa 的介質壓力下，丁腈橡膠密封的最大接觸壓力總大于聚氨酯密封；且聚氨酯密封圈在20 MPa 介質壓力下，其密封圈與活塞桿接觸一面的最大接觸壓力區域基本分布在短唇邊處，而當介質壓力增大到32 MPa時，最大接觸壓力分布區域增加.較大的密封面最大接觸壓力將加速密封的磨損，進而加速密封失效.最大接觸壓力除受介質壓力影響之外，還受密封圈自身尺寸等其他因素影響，故可根據實際工況對密封結構進行優化，以提高工作壽命.

圖7 20 MPa（a）和32 MPa（b）介質壓力下聚氨酯密封的接觸壓力云圖

3.2 摩擦系數對密封性能的影響規律

制造精度、工作介質的浸入以及摩擦磨損等問題會導致密封圈與槽壁之間的摩擦因數發生變化.設置載荷壓力為32 MPa、往復速度為30 mm/s 的工況下，丁腈橡膠和聚氨酯密封圈在不同摩擦系數下的最大剪切應力和最大接觸壓力變化如圖8、圖9所示.

圖8 摩擦系數對最大剪切應力的影響

圖9 摩擦系數對最大接觸壓力的影響

由圖8 可以看出，隨著摩擦系數增大，丁腈橡膠密封圈和聚氨酯密封圈的最大剪切應力隨摩擦系數的增大呈線性增加趨勢，并且在同樣的工況條件下，增大摩擦系數的同時，聚氨酯密封比丁腈橡膠密封先達到最大剪切應力的臨界值，當μ=0.15 時，聚氨酯密封圈的剪切應力已經超過了材料許用抗剪強度，根據最大剪切壓力準則，此時聚氨酯密封圈在工作時會發生剪切破壞失效，并導致密封失效.

由圖9 可以看出，隨著摩擦系數增大，丁腈橡膠密封圈和聚氨酯密封圈的最大接觸壓力隨摩擦系數的增大而呈現增加趨勢.但是聚氨酯密封的最大接觸壓力隨摩擦系數增大的增長率大于丁腈橡膠密封的增長率.并且在μ=0.15 時，聚氨酯密封的最大接觸壓力開始超過丁腈橡膠密封的最大接觸壓力.

3.3 往復速度對密封性能的影響規律

設置載荷壓力為32 MPa，密封面摩擦因數為μ=0.1 的工況下，丁腈橡膠和聚氨酯密封圈在不同往復速度下的最大接觸壓力變化如圖10 所示.可以看出，往復速度對最大接觸壓力影響較小，且聚氨酯密封圈的最大接觸壓力依然偏小于丁腈橡膠密封圈的最大接觸壓力.但過小的往復速度容易使密封圈出現爬行現象，使密封圈加速損壞，且這一現象會隨介質壓力提高而更加明顯.因此在其他工況條件相同的前提下，在相對較高的往復速度的工作場合中，聚氨酯橡膠密封圈優于丁腈橡膠密封圈.

圖10 往復速度對最大接觸壓力的影響

4 結論

針對目前高壓背景下最常用的兩種橡膠材料的Y 形密封圈進行有限元仿真，對其在不同介質壓力、摩擦系數和往復速度的密封性能進行仿真分析，得到如下結論：

（1）聚氨酯Y 形密封的最大接觸壓力隨介質壓力增大逐漸接近并大于丁腈橡膠Y 形密封；增大介質壓力，聚氨酯密封的最大剪切應力最先超過材料許用抗剪強度.

（2）聚氨酯Y形密封的最大接觸壓力分布區域隨介質壓力增大而增加，會加速密封圈發生磨損失效.

（3）聚氨酯密封比丁腈橡膠密封更早達到材料的許用抗剪強度，導致工作時密封失效；并且聚氨酯密封的最大接觸壓力增長率大于丁腈橡膠密封，在μ=0.15時超過了丁腈橡膠密封的最大接觸壓力值.

（4）根據仿真結論可知，在特定高壓密封的情況下，聚氨酯Y 形密封適用于往復速度相對較大和摩擦力相對較小的場合.