基于流固耦合的橡膠O形圈老化對密封性能的影響研究*

顧志威 郭 飛 譚桂斌 項(xiàng) 沖 張留艷

(1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣東廣州 510006；2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084；3.廣東工業(yè)大學(xué)省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510006)

橡膠O形圈作為使用最為廣泛的一種靜密封形式，以其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、實(shí)用性能優(yōu)異而大量出現(xiàn)于各種機(jī)械液壓系統(tǒng)中[1-2]。某柴油機(jī)噴油泵使用的橡膠O形圈工作在高溫受壓環(huán)境下，發(fā)生了性能劣化，造成了泄漏。這是因?yàn)?，橡膠O形圈在使用過程中一直處于壓縮狀態(tài)，產(chǎn)生了壓縮永久變形，使得密封面的壓緊力降低；同時(shí)，高溫會(huì)導(dǎo)致橡膠材料的降解、交聯(lián)等反應(yīng)[3-4]，改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使橡膠材料發(fā)生老化，密封面壓緊力降低，最終造成O形圈密封能力下降，發(fā)生泄漏。所以研究橡膠O形圈在高溫、受壓環(huán)境下的老化行為對密封性能的影響是非常重要的[5]。

過往的研究中，於秋萍等[6]研究了常溫下應(yīng)力松弛對橡膠O形圈密封性能的影響，通過ANSYS分析了O形圈最大接觸壓力，使用逾滲理論計(jì)算了其泄漏率。陳亮等人[7]通過比較橡膠O形圈加速老化預(yù)測性能與實(shí)際性能，發(fā)現(xiàn)高溫等效加速結(jié)果與實(shí)際老化結(jié)果基本一致。

但是實(shí)際工況中，溫度和壓縮永久變形對橡膠O形圈的影響較復(fù)雜，不同老化程度對密封系統(tǒng)的影響并不能完全以最大接觸壓力和壓縮永久變形程度來判定。所以本文作者以氟橡膠O形圈為研究對象，結(jié)合以往對壓縮永久變形的研究，用模擬實(shí)際壓縮量的夾具裝配O形圈，使用熱空氣加速老化法對受壓的O形圈試樣進(jìn)行老化，以縮短橡膠老化時(shí)間；對不同老化時(shí)間的橡膠O形圈進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，測試其密封性能，構(gòu)建有限元仿真模型；將數(shù)值模型得到的泄漏率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，評估了模型的可靠性[8-12]。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用的是由氟橡膠制成的O形圈、圓柱狀和標(biāo)準(zhǔn) A 型啞鈴試樣。O形圈尺寸為φ(155±1.2)mm×(3.8±0.1)mm；單軸壓縮圓柱試樣尺寸為φ(10±0.3)mm×(10±0.3)mm；單軸拉伸試樣為標(biāo)準(zhǔn)A型啞鈴試樣。試樣表面平整、無明顯缺陷，密封介質(zhì)為美孚10W-40機(jī)油。法蘭材料為QT450，蓋板材料為16MnR，溝槽深度為2.72 mm。

在進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)時(shí)，基于GB/T 2491—2005的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)Arrhenius方程計(jì)算等效老化時(shí)間。在時(shí)間設(shè)置上根據(jù)GB/T 7759—2015所推薦的設(shè)置方式選取24 h的倍數(shù)。根據(jù)廠家提供的資料，該類型氟橡膠的穩(wěn)定工作溫度范圍為238～553 K。在自然狀態(tài)下的老化機(jī)制與加速老化下的老化機(jī)制相同的情況下，最終確定老化溫度為498 K(225 ℃)，老化時(shí)間分別為24、72、120 h，對應(yīng)140 ℃下，老化時(shí)間分別為1 252.8、3 756、6 259.2 h。

熱氧老化加速實(shí)驗(yàn)所用儀器為電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，其型號(hào)為蘇珀101-4B。熱氧老化加速實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將橡膠O形圈撐開，安裝至法蘭的溝槽里，將O形圈壓至溝槽底部，保證O形圈沒有扭轉(zhuǎn)；安裝蓋板，使用扭力扳手以32 N的力將4個(gè)螺栓交叉緊固，即完成裝配，如圖1所示，此時(shí)橡膠O形圈壓縮率為27.6%；

圖1 橡膠O形圈裝配示意(mm)

(2)將老化箱溫度升溫至225 ℃，待溫度穩(wěn)定后，快速打開箱門，將夾具放置在老化箱中間層，關(guān)上箱門并開始計(jì)時(shí)；

(3)在第1、3、5天的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別將夾具取出并做好標(biāo)記，按照國標(biāo)GB/T 3512—2014規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫度下放置冷卻2 h后，進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)測試。

采用上述步驟2、3，分別對標(biāo)準(zhǔn)A型拉伸試樣和采用壓縮永久變形器(見圖2)壓縮25%的柱狀試樣進(jìn)行熱氧老化加速實(shí)驗(yàn)。

圖2 壓縮永久變形器

2 固體力學(xué)分析

2.1 熱空氣老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 老化橡膠材料力學(xué)性能

使用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對不同老化時(shí)間的橡膠拉伸壓縮試樣進(jìn)行(140±2)℃條件下的單軸拉伸、單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。每組試樣均進(jìn)行從小到大多個(gè)應(yīng)變水平的拉伸或壓縮實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到目標(biāo)拉伸(壓縮)倍率時(shí)，依據(jù)材料可承受最大拉伸(壓縮)倍率進(jìn)行設(shè)置，得到不同老化時(shí)間下橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 不同老化時(shí)間下橡膠應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖3(a)可知，在單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，相對于全新的橡膠材料，老化后的橡膠試樣拉伸極限顯著變低(圖中未老化試樣的拉伸曲線為部分，拉伸極限為27 MPa)；在拉伸變形較大時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率增大，即彈性模量增大，然后發(fā)生斷裂，說明老化后高分子橡膠的回彈性嚴(yán)重下降，性能降低；而老化1天的橡膠斷裂的應(yīng)變要大于3天，同時(shí)，老化3天和老化5天的橡膠斷裂極限幾乎相同，表明橡膠的拉伸性能隨老化時(shí)間的延長先迅速降低后趨于不變。由圖3(b)可知，在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，老化不同時(shí)間后的橡膠試樣性能相近，與未老化的橡膠試樣相比，彈性模量增大，材料整體變硬，變形能力降低。

2.1.2 老化橡膠O形圈截面及內(nèi)徑

將老化后的橡膠O形圈從夾具中取出，在平板上，室溫靜置2 h，讓O形圈適量回彈，采用光學(xué)輪廓掃描儀測試其內(nèi)徑。實(shí)驗(yàn)獲得的不同老化時(shí)間下橡膠O形圈的內(nèi)徑如表1所示。將O形圈截?cái)?，沿徑向切出一個(gè)較薄的片狀樣品，在光學(xué)輪廓掃描儀下測試其截面形狀。實(shí)驗(yàn)獲得的不同老化時(shí)間下橡膠O形圈的截面形狀如圖4所示。可見，隨著老化時(shí)間的增加，O形圈的截面輪廓發(fā)生改變，壓縮永久變形程度在增加，截面逐漸變方，上下兩個(gè)受壓面出現(xiàn)明顯的扁平趨勢，收縮側(cè)即左側(cè)也出現(xiàn)扁平趨勢，說明O形圈在老化過程中彈性大幅度下降。

表1 不同老化時(shí)間下橡膠O形圈的內(nèi)徑

2.2 有限元固體力學(xué)分析

為了獲取橡膠O形圈的靜態(tài)接觸壓力分布，使用有限元軟件ABAQUS建立了橡膠O形圈密封系統(tǒng)的有限元仿真模型，如圖5所示。由于密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和載荷均為軸對稱模型，因此建立了一個(gè)二維軸對稱模型，從而不僅減少了計(jì)算量，而且可更直觀地顯示密封系統(tǒng)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。將不同老化時(shí)間下的橡膠O形圈參數(shù)導(dǎo)入模型，得到模型參數(shù)設(shè)置，采用二階應(yīng)變能的polynomial模型來模擬其超彈性力學(xué)性能。由于蓋板和溝槽的剛度遠(yuǎn)高于橡膠O形圈，在建立模型時(shí)，設(shè)置它們?yōu)閯傮w。

圖5 有限元模型裝配

通過對溝槽和蓋板施加位移來模擬橡膠O形圈在裝配過程中的預(yù)緊情況，然后使用直接加壓法對橡膠O形圈施加0.3 MPa的壓力來模擬受到油側(cè)0.4 MPa和空氣側(cè)0.1 MPa的壓差，最終可以得到橡膠O形圈的密封面接觸壓力[13]。

2.3 仿真結(jié)果

提取密封面上每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和相應(yīng)的接觸壓力，得到接觸壓力隨x軸坐標(biāo)變化的曲線，如圖6所示。

圖6 不同老化時(shí)間下橡膠O形圈密封面接觸壓力

圖6所示為225 ℃熱空氣下不同老化時(shí)間后橡膠O形圈密封面接觸壓力分布?？梢钥闯觯S著老化時(shí)間的延長，密封端面最大接觸壓力和整體的接觸壓力都呈下降趨勢，接觸寬度也逐漸變短。無老化和老化1天的橡膠O形圈密封面接觸壓力分布呈現(xiàn)拋物線變化趨勢，最大接觸壓力遠(yuǎn)大于密封面兩端的流體壓差，可以起到良好的密封效果。老化3天的橡膠O形圈密封面的接觸壓力顯著降低；而老化5天的橡膠O形圈密封面接觸壓力已經(jīng)下降到接近流體壓差0.3 MPa的水平，橡膠O形圈彈性大幅下降，與密封面的貼合度不足，粗糙峰形成的微觀泄漏通道增多，密封能力大幅度下降。

3 靜密封模型分析

文中參考吳凡、和建森等[13-14]建立的流固耦合數(shù)值仿真模型，通過流固耦合的算法實(shí)現(xiàn)泄漏率的計(jì)算。

3.1 流固耦合分析

根據(jù)STANLEY和KATO[15]的模型，基于FFT提出了一種適用于彈塑性、超彈性無摩擦接觸的數(shù)值方法，通過該數(shù)值方法進(jìn)行了三維復(fù)雜粗糙表面的接觸計(jì)算，得到了壓力分布。將壓力分布代入接觸力學(xué)模型計(jì)算出確定性形貌的接觸矩陣和通道高度；然后基于史建成[16]在Presson建立的柵格泄漏模型，實(shí)現(xiàn)了泄漏通道尋找，生成了泄漏通道。

最后由Navier-Stokes方程和平行平板模型可以對流體的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行描述，得到一個(gè)微元的總泄漏率表達(dá)式：

式中：Qv為體積流量；dx為泄漏通道的單位寬度；h0表示截面泄漏通道形狀為三角形的高度；hi(i=1、2)表示泄漏通道的截面形狀為梯形的高度；μ為流體的動(dòng)力學(xué)黏度；dy為泄漏通道的單位長度(總長為接觸寬度)；Δp為密封面兩端的壓差。

3.2 數(shù)值模型參數(shù)輸入

采用三維白光測試儀測得材料的真實(shí)表面形貌及參數(shù)；將參數(shù)導(dǎo)入模型，可得到重構(gòu)的形貌，如圖7所示；將接觸壓力分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，設(shè)置壓差為0.3 MPa；根據(jù)材料應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入彈性模量；測試得到美孚10W-40機(jī)油在140 ℃時(shí)的流體黏度(為5.434 6 ×10-6Pa·s)，將其輸入程序，運(yùn)行即可得到泄漏率的數(shù)值。

圖7 鋼板(a)和橡膠O形圈(b)表面形貌

3.3 數(shù)值仿真運(yùn)行結(jié)果

運(yùn)行程序得到140 ℃下，不同老化時(shí)間后O形圈的理論泄漏率，如表2所示。

表2 泄漏率仿真結(jié)果

4 泄漏率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 泄漏率測試臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

使用的靜密封泄漏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，包括靜密封模塊、加熱模塊、冷卻模塊和液壓模塊。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖8 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

(1)O形圈裝配與老化實(shí)驗(yàn)相同，完成裝配后，用螺栓將夾具安裝在支架上，按進(jìn)油出油順序分別安裝通油管路，如圖9所示；

圖9 靜密封夾具實(shí)物

(2)接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，選定流體壓力為0.4 MPa，溫度為140 ℃，設(shè)定時(shí)間后開始實(shí)驗(yàn)；3～5 s后按下泵啟動(dòng)按鈕，實(shí)驗(yàn)臺(tái)到達(dá)預(yù)設(shè)溫度開始計(jì)時(shí)；

(3)用燒杯接取滴下的油滴，用滴管吸取未滴下的油液，測量泄漏量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，冷卻系統(tǒng)將油液溫度降至45 ℃后，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

4.2 泄漏臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果

泄漏臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。在140 ℃未老化的橡膠O形圈和老化1天后的橡膠O形圈在進(jìn)行泄漏測試時(shí)，均未發(fā)生泄漏。橡膠O形圈老化3天后開始發(fā)生泄漏，法蘭下端有油液附著在夾具表面；老化5天的橡膠O形圈泄漏率進(jìn)一步變大，在實(shí)驗(yàn)過程中法蘭下端有油液滴落。

表3 泄漏率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 結(jié)果驗(yàn)證

圖10所示為不同老化時(shí)間下，數(shù)值仿真模型得到的泄漏率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，數(shù)值仿真模型得到的泄漏率和實(shí)驗(yàn)測得的泄漏率的變化趨勢幾乎一致；未老化和老化1天的O形圈在仿真和實(shí)驗(yàn)中均未發(fā)生泄漏，說明此時(shí)O形圈密封性能良好；而老化3天的O形圈發(fā)生泄漏，其泄漏率實(shí)驗(yàn)值和仿真值的誤差為10.7%；老化5天的O形圈泄漏率實(shí)驗(yàn)值和仿真值的誤差為4.7%。

圖10 不同老化時(shí)間下仿真值與實(shí)驗(yàn)值對比

5 結(jié)論

(1)開展了橡膠O形圈和標(biāo)準(zhǔn)樣品的225 ℃熱空氣老化實(shí)驗(yàn)，測得了不同老化時(shí)間點(diǎn)下氟橡膠試樣的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元仿真模型，分析不同老化時(shí)間下橡膠O形圈的受力情況和變化規(guī)律。結(jié)果表明：由于高溫老化的作用，橡膠O形圈密封面的接觸壓力隨老化時(shí)間的延長而降低。

(2)開展了140 ℃下液體油壓為0.4 PMa的泄漏率臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，測得了不同老化時(shí)間的橡膠O形圈在標(biāo)準(zhǔn)工況下的泄漏情況。結(jié)果表明，在老化初期，O形圈仍舊保持足夠的密封效果，在老化的中后期(高溫老化3、5天)，O形圈的性能不足以實(shí)現(xiàn)密封，泄漏率逐漸增大。

(3)開展了流固耦合下橡膠O形密封圈的數(shù)值仿真、臺(tái)架測試對比研究，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性較好，證明了提出的理論模型可以為高溫下橡膠O形圈的全壽命周期服役性能和泄漏率分析預(yù)測，提供合適的理論與技術(shù)指導(dǎo)。