航空發(fā)動機橡膠密封圈密封性能分析

董紅莉 李少龍

摘要：橡膠O形密封圈在航空發(fā)動機密封系統(tǒng)中起到了非常重要的作用。按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了密封結(jié)構(gòu)的尺寸并建立數(shù)學(xué)模型，通過Mooney-Rivlin本構(gòu)模型描述了橡膠的力學(xué)行為，利用有限元分析軟件ABAQUS建立了有限元模型，分析了O形密封圈在靜態(tài)徑向密封的應(yīng)用場合下，工作壓力、拉伸率、壓縮率及摩擦系數(shù)對密封性能的影響。

關(guān)鍵詞：O形密封圈;數(shù)學(xué)模型;有限元分析;密封性能

橡膠O形密封圈由于其材料性能優(yōu)異、設(shè)計制造簡單、密封可靠性好，已成為使用頻率最高、應(yīng)用范圍最廣的密封件。在航空發(fā)動機中，橡膠O形密封圈也是最常用的密封件之一。

由于橡膠O形密封圈在實際工作過程中，涉及到流體力學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)及制造工藝等多個學(xué)科的綜合作用，難以通過理論公式對其密封性能進行分析。目前，航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中僅通過橡膠O形密封圈的截面直徑、內(nèi)徑與對象件溝槽尺寸的配合關(guān)系計算其壓縮率、拉伸率，從而為O形密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定基礎(chǔ)，但在實際工況條件下，影響橡膠O形密封圈密封性能的影響因素是很多的，如壓力、摩擦性能等。

O形密封圈用于密封航空發(fā)動機內(nèi)存在的氣體（空氣、熱燃氣等）和液體（潤滑油、燃油、液壓油等），密封圈失效會嚴(yán)重影響發(fā)動機的性能，這對密封系統(tǒng)提出了很高的要求，所以需要對O形密封圈的設(shè)計技術(shù)進行深入的研究。

1 概述

航空發(fā)動機所用O形密封圈的材料主要是氟橡膠、氟硅橡膠和硅橡膠等幾種高分子超彈性材料，密封圈受到密封槽和孔壁的擠壓作用后發(fā)生彈性變形，在接觸的密封面上產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力從而實現(xiàn)了密封功能。

以內(nèi)徑為11.2mm、截面直徑為2mm、氟橡膠FX-17材料、硬度HRA 79±5的O形密封圈為研究對象，建立密封系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和有限元分析模型，對O形密封圈在不同工作壓力、不同拉伸率、不同壓縮率及不同摩擦系數(shù)等工作條件下的密封性能進行研究，為密封圈在工況下的設(shè)計和使用提供一定的依據(jù)。

2 分析模型建立

O形密封圈是典型的擠壓型密封零件，在設(shè)計O形密封圈時，拉伸率和壓縮率是兩個非常重要的指標(biāo)參數(shù)。O形密封圈要達到良好的密封效果，就要選擇合適的拉伸率和壓縮率，拉伸率過小可導(dǎo)致O形密封圈安裝不穩(wěn)，拉伸率過大可導(dǎo)致O形密封圈斷裂或承受較高的內(nèi)應(yīng)力而過早失效;壓縮率過小，可造成密封面的接觸壓力不夠?qū)е滦孤秵栴}發(fā)生，壓縮率過大可導(dǎo)致O形密封圈破裂^[1]。要保證航空發(fā)動機密封系統(tǒng)的可靠性，與拉伸率和壓縮率相關(guān)的O形密封圈及其相配溝槽的尺寸設(shè)計就顯得十分重要。

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)選用的O形密封圈，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計密封溝槽和孔徑尺寸，建立密封結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。

O形密封圈拉伸率L為：

式中，

g為密封溝槽槽底直徑;

d₁為密封圈自由狀態(tài)下的內(nèi)徑。

壓縮率Y為：

式中，

h為密封溝槽槽深;

d₂為密封圈自由狀態(tài)下的截面直徑。

對于選用的O形密封圈，其拉伸率和壓縮率的范圍分別為4%～6%和18%～22%。

結(jié)合式（1）、式（2）及表1規(guī)定的拉伸率、壓縮率范圍，通過計算得出O形密封圈配合的溝槽底徑及孔徑尺寸，保證獲得合適的拉伸率和壓縮率，使得O形密封圈能夠更好地發(fā)揮密封作用。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定密封溝槽中的相關(guān)尺寸：倒圓角r為0.2mm，R為1mm，槽寬L為3.1mm，結(jié)合選定的O形密封圈尺寸，建立密封結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并構(gòu)建Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，以Abaqus為仿真平臺作建立密封結(jié)構(gòu)有限元分析模型。

2.2 有限元模型

O形密封圈結(jié)構(gòu)雖然簡單，但其本身具有高度的非線性，包括幾何變形的非線性，即在較小的外力作用下就能顯示出高度的變形能力^[2]，且變形很大程度取決外部結(jié)構(gòu);超彈性橡膠材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性，其應(yīng)力應(yīng)變曲線不像一般的工程材料，能用一條應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示^[3]。在O形密封圈有限元仿真分析中，Mooney-Rivlin模型被廣泛作為橡膠材料的本構(gòu)模型。橡膠材料作為超彈性體，Mooney-Rivlin模型應(yīng)用應(yīng)變能密度函數(shù)W對橡膠材料模型進行統(tǒng)一表征^[4]：

W=C₁₀（T₁-3）+C₀₁T₂-3） ??（3）

lgE=0.0198H-0.5432 ?????（4）

E=6（C₁₀+ C₀₁） ???????（5）

C₁₀=4C₀₁????????????（6）

式中，

T₁、T₂為應(yīng)變不變量;

C₁₀、C₀₁為材料Mooney常數(shù);

H為橡膠硬度，取HRA79;

E為彈性模量。

由式（3）～（6）可求得C₁₀=1.4，C₀₁=0.35。

鑒于O形密封圈結(jié)構(gòu)尺寸、工作邊界條件及材料等特點，采用二維軸對稱模型對密封結(jié)構(gòu)進行建模，見圖1，并對模型做出如下假設(shè)^[5]：

（1）密封圈材料為氟橡膠，其彈性模量和密封溝槽所采用的金屬材料相比相差上萬倍，在建模時將密封溝槽視為剛體;

（2）密封圈受到的拉伸和壓縮應(yīng)視為所約束的邊界運動產(chǎn)生的;

（3）O形密封圈沿各個方向的蠕變性質(zhì)相同，且不會引起體積的變化。

O形密封圈有限元模型分析模型中的接觸對為表面與表面接觸，分別選擇密封溝槽和孔壁為主面，密封圈截面輪廓為從面;設(shè)置密封圈與剛體間的摩擦系數(shù)，法向定為硬接觸;對密封圈施加系統(tǒng)的壓力載荷，對密封溝槽和孔壁等邊界約束施加相應(yīng)的位移產(chǎn)生等效的載荷;采用四節(jié)點雙線性軸對稱四邊形單元劃分網(wǎng)格，尺寸為0.1。

3 密封性能分析

將工作溫度設(shè)定為常溫，O形密封圈密封方式為靜態(tài)徑向密封，分析拉伸率、壓縮率、工作壓力及摩擦系數(shù)等參數(shù)對密封性能的影響。

通過有限元分析分析綜合等效應(yīng)力Von Miss和壓應(yīng)力在O形密封圈上的分布情況。Von Miss應(yīng)力反映了O形密封圈內(nèi)部應(yīng)力集中的分布情況，是超彈性體破壞的主要參考力，一般來說，Von Miss應(yīng)力越大的區(qū)域，密封圈越容易被撕裂;接觸應(yīng)力反映了密封圈與密封溝槽和孔壁的配合情況，接觸應(yīng)力越大的區(qū)域，密封介質(zhì)更難以泄露。因此可以參考Von Miss應(yīng)力和接觸應(yīng)力對O形密封圈的密封性能進行分析。

3.1 工作壓力對密封性能的影響

HB/Z 4-95《O型密封圈及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求》規(guī)定O形密封圈的最高工作壓力可達17Mpa，但在航空渦軸發(fā)動機中，O形密封圈實際使用的工作壓力一般低于1Mpa，故選取工作壓力為0.1Mpa、0.2Mpa、0.4Mpa、0.6Mpa、0.8Mpa、1.0Mpa、拉伸率4%、壓縮率20%、摩擦系數(shù)0.2，研究工作壓力對密封性能的影響。

不同工作壓力下的應(yīng)力云圖如圖2所示?？梢钥吹?，最大應(yīng)力的位置變化不大，最大應(yīng)力主要集中在密封圈與孔壁和密封槽接觸的上、下表面區(qū)域內(nèi)，此處極易引起O形密封圈的失效，航空發(fā)動機上使用的密封圈的分模面正處于此位置，應(yīng)此要特別注意分模面飛邊的處理。

不同工作壓力下最大應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的曲線如圖3所示。發(fā)動機正常工作壓力內(nèi)，O形密封圈最大應(yīng)力隨著工作壓力的增加呈平穩(wěn)增長;最大接觸應(yīng)力在工作壓力（0.2～0.8）Mpa內(nèi)增速相較其他工作壓力時要快，隨后雖然接觸應(yīng)力增速趨緩，但接仍遠大于工作壓力，這說明在正常的工作情況下，壓力的波動不會對O形密封圈的密封性能造成太大的影響。

3.2?拉伸率對密封性能的影響

根據(jù)選定的O形密封圈、密封溝槽及孔壁的尺寸，選取拉伸率0%、2%、4%、6%、8%、10%，工作壓力0.6Mpa、壓縮率20%、摩擦系數(shù)0.2，研究拉伸率對密封性能的影響。

不同拉伸率下最大應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯?，隨著拉伸率的增加，密封圈最大接觸壓力反而下降，導(dǎo)致密封性能下降;且拉伸率超過6%時，最大Von Miss應(yīng)力增速加快，過大的拉伸率會加速密封圈的蠕變松弛，導(dǎo)致密封圈的失效。

所以，選擇合適的O形密封圈拉伸率是十分必要的，在合適的范圍內(nèi)，最大接觸應(yīng)力能夠維持在較高的水平，最大Von Miss應(yīng)力增速也比較緩慢，密封圈的密封性能和可靠性較高。

3.3 壓縮率對密封性能的影響

選取O形密封圈壓縮率分別為4%、8%、12%、16%、20%、24%，工作壓力0.6Mpa、拉伸率4%、摩擦系數(shù)0.2，研究壓縮率對密封性能的影響。

不同壓縮率下最大應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的曲線如圖5所示。

可以看出，壓縮率對最大Von Miss應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力影響較大，隨著壓縮率的增加，且最大Von Miss應(yīng)力增速有加快的趨勢。增大壓縮率能夠提高接觸應(yīng)力，但過高的壓縮比會導(dǎo)致O形密封圈的永久變形和損傷，反而會影響密封圈的性能，應(yīng)此實際設(shè)計過程中壓縮率并非越大越好。

3.4 摩擦系數(shù)對密封性能的影響

選取O形密封圈的摩擦系數(shù)分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35，工作壓力0.6Mpa、拉伸率4%、壓縮率20%，研究摩擦系數(shù)對密封性能的影響。

不同摩擦系數(shù)下最大應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的曲線如圖6所示。摩擦系數(shù)對最大Von Miss應(yīng)力的影響不大，隨著摩擦系數(shù)的增加，最大接觸應(yīng)力小幅增加。最大Von Miss應(yīng)力在摩擦系數(shù)超過0.2后從平穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為小幅增加狀態(tài)。摩擦系數(shù)增加，會使密封表面變得粗糙，更加凹凸不平，一方面會使密封效果不太理想，另一方面會加劇密封圈的磨損。

結(jié)合圖6可以得出摩擦系數(shù)為0.2的密封結(jié)構(gòu)是一個較好的選擇，既能夠滿足密封的要求，同時最大Von Miss應(yīng)力較低，O形密封圈有較長的使用壽命。

4 結(jié)束語

建立橡膠O形密封圈密封系統(tǒng)有限元模型，分析不同工作壓力、拉伸率、壓縮率及摩擦系數(shù)等對其密封性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）正常工作壓力下，壓力的波動不會對O形密封圈的密封性能造成明顯的影響;

2）拉伸率增加，密封圈最大接觸壓力下降，密封性能下降，最大綜合等效應(yīng)力增加很快，會導(dǎo)致密封圈過早的失效;

3）壓縮率能提高密封圈密封效果，但過高的壓縮率反而會影響密封圈的使用壽命;

4）摩擦系數(shù)增加對最大綜合等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力影響不大，但過大的摩擦系數(shù)一方面會使密封表面粗糙造成密封效果不太理想，另一方面會加劇密封圈的磨損。

通過對橡膠O形密封圈密封性能的仿真分析，為O形密封圈的結(jié)構(gòu)、密封溝槽結(jié)構(gòu)等設(shè)計技術(shù)提供理論支撐，為探索O形密封圈的損傷模式及使用壽命具有十分重要的意義。

參考文獻

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作者簡介：董紅莉（1985-）女，碩士，工程師。主要研究方向：航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計。