水下环境下不同密封结构形式性能分析

宋 强 张 浩 许 可 姚晨佼 赵飞虎

(1.中国船舶科学研究中心深海载人装备国家重点实验室 江苏无锡 214082;2.深海技术科学太湖实验室 江苏无锡 214082)

为满足人类社会发展的需要，水下工程装备研发力度越来越大，如在水下资源的调查、石油探测、抢险救生、水下土木工程建设及海洋军事等领域，均迫切需要开发各种不同类型、不同功能的水下作业装备，而水下作业装备研制的关键技术之一就是密封技术。据统计，水下作业装备由于密封问题诱发故障远高于电子元器件等问题诱发的故障[1]。由于深水作业环境的特殊性，水下作业装备需要穿舱件、电子罐、水密连接器、水下作动器等设备，它们的密封结构形式多为O形圈、格莱圈、X形圈及矩形圈等形式，这些密封结构能够满足一般用途的密封需要。但对于水下作业装备而言，密封可靠性尤为重要，若执行水下任务时出现密封失效，会直接导致任务的失败，甚至造成严重的水下作业装备事故。

目前，国内外学者已对格莱圈、O形圈、X形圈和矩形圈进行了较深入的研究，但主要集中在单种密封结构形式的研究。张建等人[2]通过ABAQUS二次开发计算模块对格莱圈的密封性能进行计算分析，研究介质压力对其密封性能的影响。周剑奇等[3]提出一种计算轴向振动作用下格莱圈密封泄漏量的计算方法，并分析了不同油液工作压力下格莱圈密封处的接触应力分布。汝绍锋和刘廷娇[4]分析了O形和Y形密封圈在预压缩过程中密封性能的变化情况，探讨了在不同压缩率、不同工作载荷条件下2种密封圈的密封性能。蔡智媛等[5]采用ANSYS建立液压格莱圈密封二维轴对称几何模型，采用轴向推进和径向压缩2种预压缩有限元模型对密封圈的静密封进行对比分析。陈飞等人[6]采用ABAQUS建立二维轴对称模型，对静密封中矩形密封圈与O形密封圈的密封性能进行对比分析，分析压缩率、材料硬度等对矩形密封圈变形、应力的影响。郭海丰等[7]研究不同摩擦因数、不同密封间隙及流体压力下对O形圈应力的影响规律。GAMAL和VANCE[8]、DENECKE等[9]通过实验研究了不同因素对O形圈密封性能的影响规律。MACIEJEWSKI等[10]和LUO和WU[11]分析了不同因素对O形圈寿命的影响。刘占军和邓忠林[12]借助ANSYS对X形圈变截面密封圈进行有限元分析，对比分析X形圈变截面和X形橡胶圈最大综合等效应力情况。侯珍秀等[13]对X形圈在往复轴的静压工作状态和往复工作状态下的性能进行了分析，研究其各应力的分布规律和各应力随不同工作压力的变化规律。李红振等[14]采用ABAQUS分析了不同流体压力和预压缩率对X形圈力学性能的影响，并对应力集中部位进行优化探讨。谭晶等人[15]分析了初始压缩率和液体压力对矩形圈变形和密封面处接触压力的影响，并与O形圈进行对比分析。韩传军和张杰[16]采用ABAQUS分析了初始压缩率、介质压力、橡胶材料硬度、摩擦因数以及轴筒运动速度对矩形密封圈的变形、接触应力和等效应力的影响。

水下装备密封设计时要进行密封结构选型，为减少选型时间，增加工程进度，有必要通过仿真的方法，对不同密封结构形式进行同工况条件下的对比分析，为水下作业装备密封结构的设计及选型提供技术支持。本文作者采用ABAQUS软件分别建立格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈4种密封结构的有限元分析模型，对比分析4种密封结构在预压缩阶段、不同初始压缩率和不同外界压力下的密封性能，研究其密封等效应力、接触应力和剪切应力的变化规律，给出密封性能最优的密封结构形式。

1 有限元分析模型

1.1 几何模型

格莱圈由一个橡胶O形圈及方形圈组合而成，适合在动密封和静密封应用的场合；O形圈为施力元件，提供足够的密封力，并对方形圈起补偿作用，能实现双向密封。O形圈依靠自身变形提供密封力，适合在静密封和动密封应用的场合，能实现双向密封。X形圈组合是由X形圈和方形圈构成，方形圈的作用主要是防止X形圈在受力时被挤入密封间隙中，适合在静密封和动密封应用的场合，能实现单向密封。矩形圈其截面为正方形，用作密封件时其接触面积大，散热效果差，只能用于静密封，能实现双向密封。

格莱圈、O形圈、X形圈和矩形圈的几何模型如图1所示，静密封的初始压缩率一般在10%～15%范围内，可保证良好的密封性能和较低的摩擦力[17]。其压缩率ε通常由下式表示[18]：

(1)

式中：d0为橡胶圈在自由状态下的截面尺寸，mm；h0为密封槽凹槽深度，mm。

依据密封选型手册选择4种密封结构尺寸，其参数见表1。

图1 不同密封结构几何模型

表1 4种密封结构尺寸

1.2 材料模型

密封结构中所用的密封圈采用橡胶材料，其受力后会呈现大位移大应变，其本构关系是复杂的非线性函数，力学行为需要用超弹性本构模型来描述。4种密封结构中，O形圈、X形圈和矩形圈材料一般选择丁腈橡胶，均需采用超弹性本构模型来模拟；方形圈所用材料为聚四氟乙烯，其受力后不会出现大位移大应变，用弹性模量和泊松比描述其力学行为即可。根据连续介质力学理论，认为橡胶是各向同性材料，可采用Polynomial Form模型表征，其表达式[19-21]如下:

(2)

目前广泛采用Mooney-Rivlin模型来描述橡胶的应变能函数，其中Mooney-Rivlin模型即为Polynomial Form模型中n=1时的简化形式[22]。

(3)

1.3 边界约束及载荷条件

对密封结构进行有限元分析时，由于其边界条件的复杂性，将轴套、密封槽和密封圈作为整体来进行分析，密封圈与轴套、密封槽之间存在互相挤压作用，橡胶材料和金属材料之间存在接触。在ABAQUS中建立各密封圈的二维轴对称有限元分析模型，如图2所示。采用ABAQUS中的CAX4H型网格单元处理O形圈、方形圈、X形圈和矩形圈非线性性接触问题，应力单元类型选用Axisymmetric stress。经网格无关性验证，格莱圈中的O形圈网格单元个数为692，节点数为735，方形圈网格单元个数为320，节点数为363；O形圈网格单元个数为1 232，节点数为1 289；X形圈中的X形圈网格单元个数为2 511，节点数为2 602，方形圈网格单元个数为946，节点数为1 012；矩形圈网格单元个数为837，节点数为892。

定义4个分析步：(1) 初始分析步轴套施加固定位移约束，密封槽垂直位移方向约束为0，水平方向位移自由；(2) 密封槽施加径向位移，其数值等于密封圈的预压缩量；(3) 对密封圈与海水接触的一侧施加1 MPa的工作压力，目的是为了保证密封圈之间的接触对平稳建立接触关系，保证计算的收敛性；(4) 在第二步施加的基础上施加实际的海水压力。

图2 不同密封结构的有限元分析模型

2 计算结果与分析

2.1 基本参数

算例中O形圈、X形圈和矩形圈的材料均为丁腈橡胶，方形圈的材料为聚四氟乙烯，密封槽和轴套材料选用316L不锈钢，其材料参数见表2。

表2 密封圈组成材料参数

2.2 预压缩阶段密封性能分析

分析中分别给格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈的密封槽施加0.692 9、0.458 9、0.692 9、0.670 8位移量，对应其压缩率均为13%，轴套施加轴对称位移约束，并分别建立其接触对，则格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈在压缩率13%下的等效应力云图如图3所示。

图3 不同密封结构预压缩阶段等效应力云图(MPa)

由图3可知，在预压缩的情况下，格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈均呈现扁平状，水平方向被压缩的同时垂直方向被拉长，因此在挤压的作用下发生了应力分配。其中格莱圈和O形圈的最大等效应力均出现在中间位置，格莱圈最大等效应力为2.793 MPa，O形圈最大等效应力为2.788 MPa，两者应力值基本接近。X形圈组合最大等效应力出现在底部非密封唇圆弧位置，最大等效应力为4.666 MPa，其4个密封唇内部位置应力值也较大。矩形圈最大等效应力出现在4个角位置，最大等效应力为6.117 MPa。由图3还可看出，格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈应力均呈现内、外对称分布。由此得出结论：在相同的压缩率下产生的最大等效应力矩形圈最大，X形圈组合、格莱圈次之，O形圈最小。

格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈在压缩率13%下的接触应力云图如图4所示。

图4 不同密封结构预压缩阶段接触应力云图(MPa)

由图4可知，在预压缩的情况下，格莱圈的最大接触应力为3.728 MPa，O形圈的最大接触应力为3.791 MPa，两者接触应力基本接近，且最大接触应力均出现在O形圈左右两侧，正是主密封面位置；X形圈组合最大接触应力为5.152 MPa，最大接触应力的位置出现在4个密封唇的位置；矩形圈最大接触应力为9.333 MPa，最大接触应力的位置出现在4个角的位置。可见，矩形圈接触应力最大，X形圈组合、O形圈次之，格莱圈最小，且矩形圈的接触应力远大于格莱圈、O形圈和X形圈组合，表明矩形圈的密封性能最优，但会导致矩形圈摩擦力大，磨损更严重，所以矩形圈一般用于静密封中。由图4还可看出，格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈的接触应力呈现由接触中心对称分布的趋势。

格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈在压缩率13%下的剪切应力云图如图5所示。可知，格莱圈和O形圈的最大剪切应力分别为0.842 8和0.854 7 MPa，两者基本接近且最大剪切应力均出现在对角位置；X形圈组合的最大剪切应力为1.997 MPa，矩形圈的最大剪切应力为2.982 MPa，两者的剪切应力也出现在对角位置。剪切应力很容易诱发密封圈撕裂破坏，由剪切应力云图可知，4种密封圈发生破坏时均是在对角位置，且矩形圈最容易发生失效，然后依次为X形圈组合、O形圈、格莱圈。由图5还可看出，格莱圈、O形圈和矩形圈的剪切应力呈现由对角中心对称分布的趋势，而X形圈组合不遵循该规律，表现为X形圈压力侧所受剪切应力较大，非压力侧受剪切应力较小，表明方形圈起到一定减缓剪切应力增大的作用。

图5 不同密封结构预压缩阶段剪切应力云图(MPa)

2.3 变压缩率下密封性能分析

格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈在安装之后均会存在初始压缩，不同的初始压缩率对后续密封结构受外压之后的力学性能存在不同的影响，因此有必要分析各密封结构在不同初始压缩下的力学性能。分别给定初始压缩率为7%、9%、11%和13%，提取格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈的最大等效应力、接触应力和剪切应力结果，结果分别如图6—8所示。

由图6—8可知，随着压缩率的增大，格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈的最大等效应力、最大接触应力和最大剪切应力均随之增大，其中矩形圈的等效应力、接触应力和剪切应力最大，然后依次是X形圈组合中的X形圈、O形圈、格莱圈中的O形圈、格莱圈中的方形圈、X形圈组合中的方形圈。说明在初始压缩阶段，受力变形较大的主要是丁腈橡胶密封圈，聚四氟乙烯方形圈变形较小。此外，矩形圈的最大等效应力、最大接触力和最大剪切应力增长率较明显，在压缩率由7%增大到13%时，最大等效应力由3.328 MPa增大到6.117 MPa，接触应力由4.072 MPa增大到9.333 MPa，剪切应力由0.906 6增大到2.982 MPa。由图6—8还可看出，O形圈和格莱圈中的O形圈等效应力、接触应力和剪切应力基本相同，这主要是由于格莱圈中方形圈的位置位于O形圈受压的方向，方形圈充当了轴套的作用。

图6 变压缩率下最大等效应力分布

图7 变压缩率下最大接触应力分布

图8 变压缩率下最大剪切应力分布

2.4 施加压力时密封性能分析

格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈在承受外界海水压力时会发生进一步的变形，变形后的密封圈才是反遇其密封能力的最终状态。为了研究格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈在不同外界压力下的密封性能，给定初始压缩率13%，分别施加5、10、15、20 MPa的外界载荷，得出其最大等效应力、最大接触应力和最大剪切应力分布，分别如图9—11所示。

图9 最大等效应力随载荷的变化

图10 最大接触应力随载荷的变化

图11 最大剪切应力随载荷的变化

由图9—11可知，在一定压缩率情况下，格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈随外界压力的增大而增大。如图9所示，格莱圈中的方形圈最大等效应力随外界压力的增大变化较明显，针对丁腈橡胶密封圈，最大等效应力矩形圈最大，然后依次为X形圈、O形圈、格莱圈，且丁腈橡胶密封圈最大等效应力变化比较平缓。如图10所示，矩形圈的最大接触应力随外界压力的增大变化较明显，针对丁腈橡胶密封圈，最大接触应力矩形圈最大，然后依次为X形圈、O形圈、格莱圈，且格莱圈、O形圈和X形圈接触应力基本接近。如图11所示，X形圈组合中X形圈最大剪切应力随外界压力的增大变化较明显，针对丁腈橡胶密封圈，最大剪切应力X形圈最大，然后依次为矩形圈、O形圈、格莱圈，此外矩形圈在外界压力超过10 MPa后剪切应力变化较平缓。

评价密封性能优劣主要通过等效应力、剪切应力和接触应力三方面，接触应力反映该密封圈的密封能力，而等效应力和剪切应力反映该密封圈是否发生失效。通过对比分析发现，矩形圈和X形圈组合在密封能力方面较优，但是其最大等效应力和最大剪切力较大，更容易诱发失效。格莱圈和O形圈虽然在密封能力方面不如矩形圈和X形圈组合，但其最大等效应力和最大剪切力较小，故其用作密封时寿命更长。

3 结论

(1)在相同的初始压缩率下，矩形圈最大等效应力最大，然后依次为X形圈组合、格莱圈、O形圈，矩形圈最大接触应力和最大剪切应力最大，然后依次为X形圈组合、O形圈、格莱圈，矩形圈在初始压缩阶段具有更好的密封性能，但由于其最大等效应力和最大剪切应力较大，更容易诱发失效。

(2)随着初始压缩率的增大，格莱圈、O形圈、X形圈和矩形圈的最大等效应力、接触应力、剪切应力随之增大，其中矩形圈的增长速率最为明显；最大等效应力、接触应力和剪切应力随初始压缩率的增大由大到小的顺序未发生改变，从大到小依次为矩形圈、X形圈组合、O形圈、格莱圈。

(3) 在相同初始压缩率下，随着外界压力的增大，格莱圈、O形圈、X形圈组合和矩形圈的最大等效应力、接触应力、剪切应力随之增大。其中X形圈组合中的X形圈和矩形圈的变化趋势较为明显；矩形圈最大等效应力和最大接触应力最大，然后依次为X形圈组合、O形圈、格莱圈，X形圈组合最大剪切应力最大，然后依次为矩形圈、O形圈、格莱圈。