宽温域VL型密封结构应力分析及寿命预测

孙德清 冯子明 赵岩 董振刚

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403014

摘 要 建立VL密封结构模型，在不同温度条件下，研究其应力状态分布。以Miner损伤机理为基础，疲劳累计损伤理论为指导，研究不同温度条件下，VL型密封结构中O型橡胶圈、L型圈的疲劳寿命变化规律和疲劳寿命状况。结果表明：随着温度增加，O型橡胶圈的Mises应力变化不大，疲劳寿命先增加后减小，当温度为25 ℃时，危险点处疲劳寿命最大，为7.341×107次，且疲劳寿命随着温度的增加，由局部变化转变为整体变化;L型圈的Mises应力由60.19 MPa逐渐减小到26.38 MPa，位置由底部开始，向内壁转移，最后到L型圈内部为止，最小疲劳寿命为2.21×105次。此外，在低温环境下，L型圈最小疲劳寿命较小，但平均疲劳寿命较大;在高温环境下，L型圈最小疲劳寿命较大，但平均疲劳寿命较小。

关键词 VL型密封结构 宽温域 疲劳累计损伤理论

中图分类号 TB42   文献标志码 A   文章编号 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

作者简介：孙德清（1999-）硕士研究生，从事游梁式抽油机防偏磨结构设计及分析工作。

通讯作者：冯子明（1973-），教授，从事于采油机械与流体机械研究工作，xueyuanfzm@163.com。

引用本文：孙德清，冯子明，赵岩，等.宽温域VL型密封结构应力分析及寿命预测[J].化工机械，2024，51（3）：423-432.

密封结构装置是机械领域中的重要部件，其性能优劣直接影响整体机械的安全，而导致机械结构产生安全隐患很大一部分原因就是密封失效，橡胶材料密封圈作为标准的密封零件，具有较高抗拉压的力学性能，已经广泛应用于各个机械领域[1～3]。

VL型密封是瑞典Trelleborg公司于1998年推出的一种杆密封结构，该密封结构主要由O型圈和L型圈两部分组成。其中，O型圈是橡胶结构，L型圈由PTFE材料构成，将这两部分结合形成VL密封结构可以显著提高各类机械液压缸杆密封结构的密封性能，因此被广泛应用于航天、汽车及轮船等重型机械领域。目前国内外学者已对VL密封结构应力分布、泄漏状况和摩损性能进行系统的分析与讨论。

赵勇等为探讨VL密封件在实际使用过程中性能指标与密封件摩擦力、变形量等参数的关系，发现内径尺寸变化、截面轮廓变化程度及磨损量与泄漏速率呈现正相关关系;摩擦力变化与唇口处表面粗糙度变化与泄漏速率无直接关系[4]。易军等为深入研究航空作动器往复密封的问题，对航空用直线往复作动筒上的VL密封圈进行有限元仿真，利用ANSYS APDL绘制密封圈唇口接触压力分布图，并分析密封圈最大等效应力和唇口接触压力峰值随温度的变化情况[5]。

徐敏等为研究VL密封磨损量、摩擦力与接触应力之间的关系，通过往复密封试验台，得到了密封结构的接触应力，根据磨损试验，发现L型圈与沟槽形成的接触应力与磨损量无关，仅与密封压力的挤压作用有关[6]。吴长贵等利用ABAQUS流体压力渗透载荷的加载方式对航空作动器VL密封圈进行有限元仿真分析，该方法不但可以得到高压（35 MPa）下的收敛解而且可以自动寻找唇口接触与分离的临界点[7]。

欧阳小平等为提高航空作动器的往复密封性能，对VL密封结构进行特性分析。通过分析液压往复密封机理，指出接触压力分布对往复密封泄漏和摩擦的影响，并获得高性能密封的接触压力分布方法[8]。ZHANG Y等对VL组合密封模型在不同磨损条件下进行了有限元计算，得到了模型的接触压力分布。其考虑密封变形与润滑油膜的耦合作用，建立了VL组合密封的弹性流体动力润滑数学模型，VL组合密封的磨损、黏度的降低、粗糙度的增加和转速的提高都会导致润滑油膜的厚度和压力增大[9]。

XU S X等研究了压力、摩擦系数、粗糙度和驱动速度对外冲程和内冲程混合润滑模型的影响。通过有限体积法对混合润滑模型进行求解，该方法包括耦合流体力学、变形力学和接触力学分析，结果发现泄漏量对薄膜厚度敏感，油膜厚度越大，摩擦系数的影响越大，但油膜对摩擦的影响可以忽略不计[10]。摩擦主要由接触压力决定。张琦等建立了典型VL组合活塞杆密封的热弹流润滑模型，分析了热黏性对活塞杆密封系统的影响，并模拟了活塞杆密封的瞬态温度场，发现温度越高，润滑膜厚度越小，则摩擦越大[11]。

通过上述总结发现，目前大多数学者都旨在研究VL型密封结构的应力分布，或通过数学模型计算来得出油膜与密封泄漏之间的关系，鲜有学者研究温度变化对VL密封结构疲劳寿命的影响，且在工程实际中，密封失效原因多与温度变化有直接关系，如密封材料在工作过程中可能会产生高周疲劳，温度变化会直接影响密封材料的力学性能，加之工作环境较为恶劣等因素，导致机械设备密封失效。密封失效不仅会给企业带来经济损失，同时也会严重威胁人们的生命安全，故有必要对密封材料进行宽温域环境中温度变化对密封结构疲劳寿命的影响展开研究。

笔者首先建立VL密封结构模型，在不同温度条件下，研究其应力状态分布，随后以Miner损伤机理为基础，疲劳累计损伤为指导，分别对VL密封装置O型圈、L型圈的疲劳寿命进行计算，并对疲劳位置和寿命进行分析。

1 基础理论及研究方法

1.1 橡胶材料本构模型

采用Mooney?Rivlin模型来模拟橡胶圈的力学行为，Mooney?Rivlin模型作为一个经典模型可以模拟各类橡胶的力学行为，该模型适用于小变形（150%以内），但Mooney?Rivlin模型无法模拟多轴受力数据，因此通过试验获得的材料数据并不能直接用来模拟橡胶的力学行为，而ABAQUS软件则是可以根据不同需求，对原始本构模型进行展开，展开项数不同，运算量、模拟时间也不相同。应变能函数模型如下[12]：

W=C（I-3）i（I-3）j+（J-1）2i（1）

式中 d——材料的可压缩系数;

J——变形后体积与变形前体积的比值;

N——多项式阶数。

将上述公式中的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为Mooney?Rivlin模型的材料参数。

1.2 疲劳损伤机理

笔者以Miner损伤机理为基础，利用Fe?safe对VL密封圈进行疲劳计算。运用Miner理论的前提是：材料在各应力水平下的损伤是独立的，可以进行线性叠加;不同载荷的加载顺序对疲劳损伤没有影响。基于以上条件下，该理论认为：在变载荷作用下，各载荷应力水平不同，假设在某一固定应力下，材料进行了n次循环，此时应力为Δσ，疲劳循环次数为N，则单次循环的疲劳累积损伤为，当材料进行n次循环时所积累的疲劳损伤为Di=。若将疲劳破坏值设定为1时，材料将产生破坏，那么在不同幅值下所产生疲劳破坏计算公式为[13]：

D=D==1     （3）

式中 N——以Δσ应力进行循环加载时的疲劳

寿命;

n——以Δσ应力进行循环加载时的次数。

1.3 数值仿真方法

用ABAQUS软件建立VL结构密封模型，图1为ABAQUS软件中VL密封结构模型示意图，由于橡胶圈在计算过程中的收敛难度情况，所以本次设计将其四等分，划分完成后有利于网格的划分，使其可以更容易进行收敛计算，本次仿真中凹槽、活塞杆与L型圈选用的是二维轴对称单元CAX4R，橡胶采用的单元是CAX4RH，橡胶本构模型采用Mooney?Rivlin模型，凹槽与活塞杆的常规网格密度为0.2，局部加密0.05和0.01，L型圈网格密度为0.1，局部加密0.02，橡胶圈网格密度为0.02，VL密封结构网格划分如图2所示。

图3为VL密封结构的加载情况，本次仿真共进行两次加载，第1步加载另活塞杆上移0.5 mm实现预紧密封作用，第2步在橡胶圈和L型圈左侧施加28 MPa流体渗透载荷。

1.4 Fe?safe软件实现方法

疲劳分析的基本过程示意图如图4所示。笔者利用有限元分析软件ABAQUS和疲劳分析软件Fe?safe进行联合仿真，对往复液压密封装置进行疲劳寿命的预测，以对产品的疲劳性能提前了解，为产品的设计优化提供参考。基于ABAQUS和Fe?safe的有限元疲劳仿真主要有3个关键因素：疲劳载荷的有限元计算模型;材料的S?N曲线;实际承受的载荷谱。

由于橡胶材料属于非线性的大变形材料，而且仿真过程中涉及边界条件非线性，因此有限元的计算模型应该取疲劳载荷加载序列的极限载荷的应力场结果，然后在Fe?safe中对疲劳载荷加载序列状态的应力场结果进行组合定义，进行疲劳仿真分析。有限元计算模型是在ABAQUS中建立，随后进行橡胶材料属性的设置、定义分析步、创建耦合约束、施加载荷及边界条件等，最后计算得到极限载荷的应力场结果。橡胶材料的S?N曲线和载荷谱是Fe?safe进行疲劳分析的关键依据，对ABAQUS导入的有限元计算结果进行疲劳分析，最终求得橡胶悬置的疲劳寿命结果。

1.5 材料参数

通过查阅相关资料[14]获得具体数据，参数见表1～3。

2 结果与讨论

2.1 温度对VL型密封结构Mises应力影响

由图5可以看出，VL型密封结构整体最大Von?Mises应力最大值在25 ℃时存在分水岭，25 ℃前，最大Von Mises应力位置在L型圈前侧钝角处，当温度超过25 ℃以后，最大Von?Mises位置在L型圈与活塞杆里侧位置。从图6中可以看出，VL密封结构整体Von?Mises应力在低温时受温度影响不大，在高温时受到的温度影响较为明显。Von?Mises应力最大值从88.02 MPa提高至163.9 MPa，由图5可知，L型圈在受到径向压缩后，再受到左侧流体压力进一步挤压，导致L型圈变形，且下侧尖角处应力集中得以缓解。由于再温度变化过程中，温度会对O型圈及L型圈材料的弹性模量产生较大影响，温度越低，则橡胶及PTFE内部玻璃化程度越大，这是因为分子链受到温度影响，高分子链段被冻结，呈现出玻璃化趋势，材料硬度及脆性显著增加。随着温度逐渐增加，材料恢复弹性，变形量逐渐增大，当温度达到80 ℃以后，密封结构L型圈与活塞杆之间由点接触逐渐变成了面接触，但在温度逐渐升高过程中，O型圈和L型圈

均发生软化，流体压力不变的情况下，活塞杆受到组合密封的压力增加，使得应力显著增大。

最大应力曲线

2.2 温度对O型圈Mises应力影响

由图7可知，随着温度逐渐增加，应力最大值点逐渐向右上方转移，通过对整体密封装置分析可知，温度增加提高橡胶的柔顺性，应力集中点位由内部向外部转移。由图8可知，在不同温度下，O型圈表面出的Mises应力大小变化不大，这可能是由于在不同温度下，橡胶圈同时受到左侧介质的压力和底部L型圈的压力，Mises应力是这两种压力下共同作用的结果，随着温度的增加，L型圈变形较为明显，这对O型圈内部应力起到了一定的缓解作用，因此O型圈Von?Mises应力受温度影响的变化不大。

2.3 温度对L型圈Mises应力影响

由图9、10可知，随着温度增加，L型圈最大Mises应力位置由底部开始向内壁转移，最后到L型圈内部为止，且大小变化由60.19 MPa逐渐减小到26.38 MPa。这可能是因为温度较低时，L型圈材料硬度较大，变形量较小，局部应力高度集中。随着温度增加，L型圈材料逐渐软化，PTFE材料主要由C—C键构成，环境温度增加使得内部分子之间的相互作用力下降，材料逐渐变软，同时左侧的介质压力对L型圈进行挤压，导致最大Mises应力位置由底部尖角处转移到了L型圈内壁，而继续增加温度，L型圈进一步软化，变形量显著增加，缓解了应力集中的同时，最大Mises应力位置也从L型圈边缘转移到了L型圈内部。

2.4 温度对O型圈疲劳寿命影响

由图11、12可知，随着温度的增加，O型橡胶圈的最小疲劳寿命由1.182×105次增加到7.341×107次，再减小到2.073×104次。这是因为温度较低时，橡胶材料内部玻璃化程度较大，脆性增加，在密封装置往复运动过程中受到交变载荷的作用，导致疲劳寿命较低。而随着温度增加，橡胶的脆性变小，疲劳寿命显著增加;而当温度达到25 ℃以后，继续增加温度，橡胶疲劳寿命再次减小，这是因为橡胶材料在高温下产生了热氧老化，橡胶在高温高压条件下被氧化，自身的长分子链断裂成为短分子链，力学性能显著下降。此外，对于高温疲劳寿命和低温疲劳寿命分布有所区别，总体来说，高温区域材料的平均疲劳寿命要高于低温区域，这说明橡胶材料玻璃化程度对疲劳寿命的影响大于高温老化程度。

2.5 温度对L型圈疲劳寿命影响

由图13、14可知，随着温度增加，L型圈最小疲劳寿命曲线呈现增减增趋势。出现该现象的原因是多方面的，一方面PTFE材料受环境影响，在低温环境下内部分子运动较低，材料显脆性，在介质载荷作用下，应力集中位置优先发生疲劳破坏，而其他非应力集中位置疲劳寿命较高。在高温环境中，PTFE容易发生塑性蠕变，在介质载荷作用下，整体的疲劳寿命显著下降，与低温环境下的疲劳寿命不同的是，高温条件下的材料平均疲劳寿命大幅下降，且最小疲劳寿命的位置发生变化导致L型圈最小疲劳寿命曲线呈现不规律性。但就总体趋势来说，在低温环境下，L型圈最小疲劳寿命较小，但平均疲劳寿命较大，在高温环境下，L型圈最小疲劳寿命较大，但平均疲劳寿命较小。

3 结论

3.1 通过对整体VL密封结构的分析可知，温度较低时的VL密封结构最大Von?Mises应力要低于高温环境下的应力，当温度超过25 ℃以后，最大Von?Mises应力显著增加。

3.2 通过对O型圈分析可知，随着温度增加，O型圈最大Von?Mises应力位置由内部向外侧转移，但由于组合密封关系，最大Mises应力变化不大。通过对O型圈疲劳寿命分析可知，材料疲劳寿命随温度增加呈现先增后减趋势，在25 ℃时，整体结构的平均疲劳寿命最高。

3.3 通过对L型圈分析可知，环境温度增加，L型圈最大Von?Mises应力减小，且位置由底部到内壁再到结构内部。通过对L型圈疲劳寿命分析可知，材料疲劳寿命在低温环境下，L型圈最小疲劳寿命较小，但平均疲劳寿命较大，在高温环境下，L型圈最小疲劳寿命较大，但平均疲劳寿命较小。

参 考 文 献

[1] 水浩澈，张付英，杨俊梅.温度变化对压裂封隔器胶筒密封性能和疲劳寿命的影响研究[J].机械设计，2020，37（6）：43-48.

[2] 陈祺鑫，黄伟，任志英，等.大环径比O形金属橡胶密封件的疲劳力学特性及试验研究[J].摩擦学学报，2021，41（3）：293-303.

[3] 马宇，谢良喜，加闯，等.液压摆缸叶片密封的疲劳失效研究[J].润滑与密封，2022，47（5）：38-44.

[4] 赵勇，黄乐，王培杰，等.VL密封件泄漏影响因素试验研究[J].润滑与密封，2022，47（8）：164-169.

[5] 易军，周清和，张鹏飞.直线往复运动VL型密封圈性能分析[J].兵工自动化，2020，39（8）：67-71;80.

[6] 徐敏，徐时贤，陆明.磨损对VL结构密封性能的影响分析[J].液压气动与密封，2019，39（2）：45-48;53.

[7] 吴长贵，索双富，张开会，等.基于ABAQUS的航空作动器VL密封圈有限元分析[J].液压与气动，2016（1）：60-65.

[8] 欧阳小平，薛志全，彭超，等.航空作动器的VL密封特性分析[J].浙江大学学报（工学版），2015，49（9）：1755-1761.

[9] ZHANG Y，XIONG S Y，ZHONG S P，et al.Solution and analysis of VL combined seal lubrication model under the effect of wear[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2022，36：5599-5609.

[10] XU S X，SU Z T，WU J.Analysis on sealing performan? ce of VL seals based on mixed lubrication theory[J].Industrial Lubrication and Tribology，2019，71（1）：54-60.

[11] 张琦，时剑文，索双富，等.基于Mooney?Rivlin模型和Yeoh模型的橡胶材料有限元分析[J].合成橡胶工业，2020，43（6）：468-471.

[12] 黄相又.基于Miner累积损伤理论的模数式伸缩装置疲劳寿命研究[D].重庆：重庆交通大学，2019.

[13] 王慧明，吕晓仁，王世杰.原油温度对丁腈橡胶溶胀及耐磨损性能的影响[J].润滑与密封，2015，40（9）：30-34.

[14] 刘炼.三种典型工程塑料老化行为与摩擦学性能研究[D].北京：机械科学研究总院，2022.

（收稿日期：2023-05-02，修回日期：2024-05-08）