孫德清 馮子明 趙巖 董振剛

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403014

摘 要 建立VL密封結(jié)構(gòu)模型，在不同溫度條件下，研究其應(yīng)力狀態(tài)分布。以Miner損傷機理為基礎(chǔ)，疲勞累計損傷理論為指導(dǎo)，研究不同溫度條件下，VL型密封結(jié)構(gòu)中O型橡膠圈、L型圈的疲勞壽命變化規(guī)律和疲勞壽命狀況。結(jié)果表明：隨著溫度增加，O型橡膠圈的Mises應(yīng)力變化不大，疲勞壽命先增加后減小，當(dāng)溫度為25 ℃時，危險點處疲勞壽命最大，為7.341×107次，且疲勞壽命隨著溫度的增加，由局部變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎w變化;L型圈的Mises應(yīng)力由60.19 MPa逐漸減小到26.38 MPa，位置由底部開始，向內(nèi)壁轉(zhuǎn)移，最后到L型圈內(nèi)部為止，最小疲勞壽命為2.21×105次。此外，在低溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較小，但平均疲勞壽命較大;在高溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較大，但平均疲勞壽命較小。

關(guān)鍵詞 VL型密封結(jié)構(gòu) 寬溫域 疲勞累計損傷理論

中圖分類號 TB42?? 文獻標(biāo)志碼 A?? 文章編號 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

作者簡介：孫德清（1999-）碩士研究生，從事游梁式抽油機防偏磨結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析工作。

通訊作者：馮子明（1973-），教授，從事于采油機械與流體機械研究工作，xueyuanfzm@163.com。

引用本文：孫德清，馮子明，趙巖，等.寬溫域VL型密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及壽命預(yù)測[J].化工機械，2024，51（3）：423-432.

密封結(jié)構(gòu)裝置是機械領(lǐng)域中的重要部件，其性能優(yōu)劣直接影響整體機械的安全，而導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患很大一部分原因就是密封失效，橡膠材料密封圈作為標(biāo)準(zhǔn)的密封零件，具有較高抗拉壓的力學(xué)性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個機械領(lǐng)域[1～3]。

VL型密封是瑞典Trelleborg公司于1998年推出的一種桿密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)主要由O型圈和L型圈兩部分組成。其中，O型圈是橡膠結(jié)構(gòu)，L型圈由PTFE材料構(gòu)成，將這兩部分結(jié)合形成VL密封結(jié)構(gòu)可以顯著提高各類機械液壓缸桿密封結(jié)構(gòu)的密封性能，因此被廣泛應(yīng)用于航天、汽車及輪船等重型機械領(lǐng)域。目前國內(nèi)外學(xué)者已對VL密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、泄漏狀況和摩損性能進行系統(tǒng)的分析與討論。

趙勇等為探討VL密封件在實際使用過程中性能指標(biāo)與密封件摩擦力、變形量等參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑尺寸變化、截面輪廓變化程度及磨損量與泄漏速率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系;摩擦力變化與唇口處表面粗糙度變化與泄漏速率無直接關(guān)系[4]。易軍等為深入研究航空作動器往復(fù)密封的問題，對航空用直線往復(fù)作動筒上的VL密封圈進行有限元仿真，利用ANSYS APDL繪制密封圈唇口接觸壓力分布圖，并分析密封圈最大等效應(yīng)力和唇口接觸壓力峰值隨溫度的變化情況[5]。

徐敏等為研究VL密封磨損量、摩擦力與接觸應(yīng)力之間的關(guān)系，通過往復(fù)密封試驗臺，得到了密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力，根據(jù)磨損試驗，發(fā)現(xiàn)L型圈與溝槽形成的接觸應(yīng)力與磨損量無關(guān)，僅與密封壓力的擠壓作用有關(guān)[6]。吳長貴等利用ABAQUS流體壓力滲透載荷的加載方式對航空作動器VL密封圈進行有限元仿真分析，該方法不但可以得到高壓（35 MPa）下的收斂解而且可以自動尋找唇口接觸與分離的臨界點[7]。

歐陽小平等為提高航空作動器的往復(fù)密封性能，對VL密封結(jié)構(gòu)進行特性分析。通過分析液壓往復(fù)密封機理，指出接觸壓力分布對往復(fù)密封泄漏和摩擦的影響，并獲得高性能密封的接觸壓力分布方法[8]。ZHANG Y等對VL組合密封模型在不同磨損條件下進行了有限元計算，得到了模型的接觸壓力分布。其考慮密封變形與潤滑油膜的耦合作用，建立了VL組合密封的彈性流體動力潤滑數(shù)學(xué)模型，VL組合密封的磨損、黏度的降低、粗糙度的增加和轉(zhuǎn)速的提高都會導(dǎo)致潤滑油膜的厚度和壓力增大[9]。

XU S X等研究了壓力、摩擦系數(shù)、粗糙度和驅(qū)動速度對外沖程和內(nèi)沖程混合潤滑模型的影響。通過有限體積法對混合潤滑模型進行求解，該方法包括耦合流體力學(xué)、變形力學(xué)和接觸力學(xué)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)泄漏量對薄膜厚度敏感，油膜厚度越大，摩擦系數(shù)的影響越大，但油膜對摩擦的影響可以忽略不計[10]。摩擦主要由接觸壓力決定。張琦等建立了典型VL組合活塞桿密封的熱彈流潤滑模型，分析了熱黏性對活塞桿密封系統(tǒng)的影響，并模擬了活塞桿密封的瞬態(tài)溫度場，發(fā)現(xiàn)溫度越高，潤滑膜厚度越小，則摩擦越大[11]。

通過上述總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)學(xué)者都旨在研究VL型密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，或通過數(shù)學(xué)模型計算來得出油膜與密封泄漏之間的關(guān)系，鮮有學(xué)者研究溫度變化對VL密封結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，且在工程實際中，密封失效原因多與溫度變化有直接關(guān)系，如密封材料在工作過程中可能會產(chǎn)生高周疲勞，溫度變化會直接影響密封材料的力學(xué)性能，加之工作環(huán)境較為惡劣等因素，導(dǎo)致機械設(shè)備密封失效。密封失效不僅會給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，同時也會嚴(yán)重威脅人們的生命安全，故有必要對密封材料進行寬溫域環(huán)境中溫度變化對密封結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響展開研究。

筆者首先建立VL密封結(jié)構(gòu)模型，在不同溫度條件下，研究其應(yīng)力狀態(tài)分布，隨后以Miner損傷機理為基礎(chǔ)，疲勞累計損傷為指導(dǎo)，分別對VL密封裝置O型圈、L型圈的疲勞壽命進行計算，并對疲勞位置和壽命進行分析。

1 基礎(chǔ)理論及研究方法

1.1 橡膠材料本構(gòu)模型

采用Mooney?Rivlin模型來模擬橡膠圈的力學(xué)行為，Mooney?Rivlin模型作為一個經(jīng)典模型可以模擬各類橡膠的力學(xué)行為，該模型適用于小變形（150%以內(nèi)），但Mooney?Rivlin模型無法模擬多軸受力數(shù)據(jù)，因此通過試驗獲得的材料數(shù)據(jù)并不能直接用來模擬橡膠的力學(xué)行為，而ABAQUS軟件則是可以根據(jù)不同需求，對原始本構(gòu)模型進行展開，展開項數(shù)不同，運算量、模擬時間也不相同。應(yīng)變能函數(shù)模型如下[12]：

W=C（I-3）i（I-3）j+（J-1）2i（1）

式中 d——材料的可壓縮系數(shù);

J——變形后體積與變形前體積的比值;

N——多項式階數(shù)。

將上述公式中的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為Mooney?Rivlin模型的材料參數(shù)。

1.2 疲勞損傷機理

筆者以Miner損傷機理為基礎(chǔ)，利用Fe?safe對VL密封圈進行疲勞計算。運用Miner理論的前提是：材料在各應(yīng)力水平下的損傷是獨立的，可以進行線性疊加;不同載荷的加載順序?qū)ζ趽p傷沒有影響?；谝陨蠗l件下，該理論認(rèn)為：在變載荷作用下，各載荷應(yīng)力水平不同，假設(shè)在某一固定應(yīng)力下，材料進行了n次循環(huán)，此時應(yīng)力為Δσ，疲勞循環(huán)次數(shù)為N，則單次循環(huán)的疲勞累積損傷為，當(dāng)材料進行n次循環(huán)時所積累的疲勞損傷為Di=。若將疲勞破壞值設(shè)定為1時，材料將產(chǎn)生破壞，那么在不同幅值下所產(chǎn)生疲勞破壞計算公式為[13]：

D=D==1???? （3）

式中 N——以Δσ應(yīng)力進行循環(huán)加載時的疲勞

壽命;

n——以Δσ應(yīng)力進行循環(huán)加載時的次數(shù)。

1.3 數(shù)值仿真方法

用ABAQUS軟件建立VL結(jié)構(gòu)密封模型，圖1為ABAQUS軟件中VL密封結(jié)構(gòu)模型示意圖，由于橡膠圈在計算過程中的收斂難度情況，所以本次設(shè)計將其四等分，劃分完成后有利于網(wǎng)格的劃分，使其可以更容易進行收斂計算，本次仿真中凹槽、活塞桿與L型圈選用的是二維軸對稱單元CAX4R，橡膠采用的單元是CAX4RH，橡膠本構(gòu)模型采用Mooney?Rivlin模型，凹槽與活塞桿的常規(guī)網(wǎng)格密度為0.2，局部加密0.05和0.01，L型圈網(wǎng)格密度為0.1，局部加密0.02，橡膠圈網(wǎng)格密度為0.02，VL密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖3為VL密封結(jié)構(gòu)的加載情況，本次仿真共進行兩次加載，第1步加載另活塞桿上移0.5 mm實現(xiàn)預(yù)緊密封作用，第2步在橡膠圈和L型圈左側(cè)施加28 MPa流體滲透載荷。

1.4 Fe?safe軟件實現(xiàn)方法

疲勞分析的基本過程示意圖如圖4所示。筆者利用有限元分析軟件ABAQUS和疲勞分析軟件Fe?safe進行聯(lián)合仿真，對往復(fù)液壓密封裝置進行疲勞壽命的預(yù)測，以對產(chǎn)品的疲勞性能提前了解，為產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化提供參考?；贏BAQUS和Fe?safe的有限元疲勞仿真主要有3個關(guān)鍵因素：疲勞載荷的有限元計算模型;材料的S?N曲線;實際承受的載荷譜。

由于橡膠材料屬于非線性的大變形材料，而且仿真過程中涉及邊界條件非線性，因此有限元的計算模型應(yīng)該取疲勞載荷加載序列的極限載荷的應(yīng)力場結(jié)果，然后在Fe?safe中對疲勞載荷加載序列狀態(tài)的應(yīng)力場結(jié)果進行組合定義，進行疲勞仿真分析。有限元計算模型是在ABAQUS中建立，隨后進行橡膠材料屬性的設(shè)置、定義分析步、創(chuàng)建耦合約束、施加載荷及邊界條件等，最后計算得到極限載荷的應(yīng)力場結(jié)果。橡膠材料的S?N曲線和載荷譜是Fe?safe進行疲勞分析的關(guān)鍵依據(jù)，對ABAQUS導(dǎo)入的有限元計算結(jié)果進行疲勞分析，最終求得橡膠懸置的疲勞壽命結(jié)果。

1.5 材料參數(shù)

通過查閱相關(guān)資料[14]獲得具體數(shù)據(jù)，參數(shù)見表1～3。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對VL型密封結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力影響

由圖5可以看出，VL型密封結(jié)構(gòu)整體最大Von?Mises應(yīng)力最大值在25 ℃時存在分水嶺，25 ℃前，最大Von Mises應(yīng)力位置在L型圈前側(cè)鈍角處，當(dāng)溫度超過25 ℃以后，最大Von?Mises位置在L型圈與活塞桿里側(cè)位置。從圖6中可以看出，VL密封結(jié)構(gòu)整體Von?Mises應(yīng)力在低溫時受溫度影響不大，在高溫時受到的溫度影響較為明顯。Von?Mises應(yīng)力最大值從88.02 MPa提高至163.9 MPa，由圖5可知，L型圈在受到徑向壓縮后，再受到左側(cè)流體壓力進一步擠壓，導(dǎo)致L型圈變形，且下側(cè)尖角處應(yīng)力集中得以緩解。由于再溫度變化過程中，溫度會對O型圈及L型圈材料的彈性模量產(chǎn)生較大影響，溫度越低，則橡膠及PTFE內(nèi)部玻璃化程度越大，這是因為分子鏈?zhǔn)艿綔囟扔绊?，高分子鏈段被凍結(jié)，呈現(xiàn)出玻璃化趨勢，材料硬度及脆性顯著增加。隨著溫度逐漸增加，材料恢復(fù)彈性，變形量逐漸增大，當(dāng)溫度達到80 ℃以后，密封結(jié)構(gòu)L型圈與活塞桿之間由點接觸逐漸變成了面接觸，但在溫度逐漸升高過程中，O型圈和L型圈

均發(fā)生軟化，流體壓力不變的情況下，活塞桿受到組合密封的壓力增加，使得應(yīng)力顯著增大。

最大應(yīng)力曲線

2.2 溫度對O型圈Mises應(yīng)力影響

由圖7可知，隨著溫度逐漸增加，應(yīng)力最大值點逐漸向右上方轉(zhuǎn)移，通過對整體密封裝置分析可知，溫度增加提高橡膠的柔順性，應(yīng)力集中點位由內(nèi)部向外部轉(zhuǎn)移。由圖8可知，在不同溫度下，O型圈表面出的Mises應(yīng)力大小變化不大，這可能是由于在不同溫度下，橡膠圈同時受到左側(cè)介質(zhì)的壓力和底部L型圈的壓力，Mises應(yīng)力是這兩種壓力下共同作用的結(jié)果，隨著溫度的增加，L型圈變形較為明顯，這對O型圈內(nèi)部應(yīng)力起到了一定的緩解作用，因此O型圈Von?Mises應(yīng)力受溫度影響的變化不大。

2.3 溫度對L型圈Mises應(yīng)力影響

由圖9、10可知，隨著溫度增加，L型圈最大Mises應(yīng)力位置由底部開始向內(nèi)壁轉(zhuǎn)移，最后到L型圈內(nèi)部為止，且大小變化由60.19 MPa逐漸減小到26.38 MPa。這可能是因為溫度較低時，L型圈材料硬度較大，變形量較小，局部應(yīng)力高度集中。隨著溫度增加，L型圈材料逐漸軟化，PTFE材料主要由C—C鍵構(gòu)成，環(huán)境溫度增加使得內(nèi)部分子之間的相互作用力下降，材料逐漸變軟，同時左側(cè)的介質(zhì)壓力對L型圈進行擠壓，導(dǎo)致最大Mises應(yīng)力位置由底部尖角處轉(zhuǎn)移到了L型圈內(nèi)壁，而繼續(xù)增加溫度，L型圈進一步軟化，變形量顯著增加，緩解了應(yīng)力集中的同時，最大Mises應(yīng)力位置也從L型圈邊緣轉(zhuǎn)移到了L型圈內(nèi)部。

2.4 溫度對O型圈疲勞壽命影響

由圖11、12可知，隨著溫度的增加，O型橡膠圈的最小疲勞壽命由1.182×105次增加到7.341×107次，再減小到2.073×104次。這是因為溫度較低時，橡膠材料內(nèi)部玻璃化程度較大，脆性增加，在密封裝置往復(fù)運動過程中受到交變載荷的作用，導(dǎo)致疲勞壽命較低。而隨著溫度增加，橡膠的脆性變小，疲勞壽命顯著增加;而當(dāng)溫度達到25 ℃以后，繼續(xù)增加溫度，橡膠疲勞壽命再次減小，這是因為橡膠材料在高溫下產(chǎn)生了熱氧老化，橡膠在高溫高壓條件下被氧化，自身的長分子鏈斷裂成為短分子鏈，力學(xué)性能顯著下降。此外，對于高溫疲勞壽命和低溫疲勞壽命分布有所區(qū)別，總體來說，高溫區(qū)域材料的平均疲勞壽命要高于低溫區(qū)域，這說明橡膠材料玻璃化程度對疲勞壽命的影響大于高溫老化程度。

2.5 溫度對L型圈疲勞壽命影響

由圖13、14可知，隨著溫度增加，L型圈最小疲勞壽命曲線呈現(xiàn)增減增趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是多方面的，一方面PTFE材料受環(huán)境影響，在低溫環(huán)境下內(nèi)部分子運動較低，材料顯脆性，在介質(zhì)載荷作用下，應(yīng)力集中位置優(yōu)先發(fā)生疲勞破壞，而其他非應(yīng)力集中位置疲勞壽命較高。在高溫環(huán)境中，PTFE容易發(fā)生塑性蠕變，在介質(zhì)載荷作用下，整體的疲勞壽命顯著下降，與低溫環(huán)境下的疲勞壽命不同的是，高溫條件下的材料平均疲勞壽命大幅下降，且最小疲勞壽命的位置發(fā)生變化導(dǎo)致L型圈最小疲勞壽命曲線呈現(xiàn)不規(guī)律性。但就總體趨勢來說，在低溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較小，但平均疲勞壽命較大，在高溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較大，但平均疲勞壽命較小。

3 結(jié)論

3.1 通過對整體VL密封結(jié)構(gòu)的分析可知，溫度較低時的VL密封結(jié)構(gòu)最大Von?Mises應(yīng)力要低于高溫環(huán)境下的應(yīng)力，當(dāng)溫度超過25 ℃以后，最大Von?Mises應(yīng)力顯著增加。

3.2 通過對O型圈分析可知，隨著溫度增加，O型圈最大Von?Mises應(yīng)力位置由內(nèi)部向外側(cè)轉(zhuǎn)移，但由于組合密封關(guān)系，最大Mises應(yīng)力變化不大。通過對O型圈疲勞壽命分析可知，材料疲勞壽命隨溫度增加呈現(xiàn)先增后減趨勢，在25 ℃時，整體結(jié)構(gòu)的平均疲勞壽命最高。

3.3 通過對L型圈分析可知，環(huán)境溫度增加，L型圈最大Von?Mises應(yīng)力減小，且位置由底部到內(nèi)壁再到結(jié)構(gòu)內(nèi)部。通過對L型圈疲勞壽命分析可知，材料疲勞壽命在低溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較小，但平均疲勞壽命較大，在高溫環(huán)境下，L型圈最小疲勞壽命較大，但平均疲勞壽命較小。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-05-02，修回日期：2024-05-08）