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O型橡胶圈动密封结构的有限元分析

发布于:2025-03-30 21:48
有限元分析

      在早期,国内报道的深海旋转轴密封主要是从承压型密封方面来考虑的。1982 年,我国的张训义就提出了深海动态密封,主要是分析O型密封圈在深海环境下 1000m内的往复运动、旋转运动和振荡运动的动态密封情况;1993 年,国内学者从材料的选择、结构特点和经济效益等方面报道了机械密封在水下机器人中的应用;1994 年,美国报道了一种用于深海旋转轴的双重密封专利。
      深海承压型密封相当于常压环境中使用的高压密封,它的不同之处在于,常压下的高压密封一般可以防止流体从设备内部向外部泄漏,而深海密封是防止外部流体沿密封件进入设备内部,并且其允许的泄漏量很小。
      推进系统的主要功能是为水下装备的航行提供所需要的推进动力,其密封的可靠性直接影响装备作战任务的完成。针对推进系统无润滑密封问题,应用可靠性技术、材料学、动密封技术和磨损理论等,分析了该系统的动态特性和失效机理,并建立系统有限元模型,用于研究不同载荷和环境条件下系统密封件的变形情况和密封特性。
      橡胶是一种各向同性、可高度变形、高弹性和压缩性较小的材料,其不仅具有类似于金属材料的弹性,还具有类似于黏性液体吸收能量的性质。同时,由于橡胶材料的特性非常复杂,其材料和几何特性均呈非线性变化,在实际应用中,往往还存在着边界条件复杂和接触非线性等问题。所以,橡胶结构的有限元分析属于非线性有限元范畴,其非线性突出地表现在以下3方面:①橡胶材料的应力应变关系是一个非常复杂的非线性函数,用应变能函数表示;②橡胶在力的作用下,一般伴随着大位移、大应变,其应变位移关系也是非线性函数;③密封计算的边界条件非常复杂,必须包含接触面的受力计算,呈非线性关系。
      根据密封系统的结构特点、密封件实际尺寸和沟槽尺寸,建立具有刚柔接触的密封系统有限元模型。密封件的材料为橡胶材料,近似为不可压缩超弹性体,密封套固定约束,密封套和外轴均与橡胶圈接触。
      对此模型进行网格划分,模型全部采用六面体单元,并且在外轴外侧划分 4 层较密网格。这是因为这部分单元与密封圈、密封套接触,存在应变,而外轴内部几乎不存在变形。
      O 型橡胶圈是一种挤压型密封。挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形,在密封接触面上造成接触压力,接触压力大于被密封介质的内压,则不发生泄漏;反之,则发生泄漏。在动密封系统中,O 型橡胶圈与外轴、密封套有3个接触面。根据 O 型橡胶圈的密封工作原理,3处接触面的接触压力皆大于工作水压时,才能达到密封效果。因此,在以下的分析中,分别计算、分析了O型橡胶圈3个接触面在指定工作水压和工作转速下的接触压力,并判定O型橡胶圈是否可以达到密封效果,进而确定工作水压和工作转速对O型橡胶圈密封性能的影响。
      在此次分析中,分别在水压为 0 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa 时分析动密封系统,并得出在各水压下O型橡胶圈所承受的接触压力。
      从分析结果中可以看出,当水压为 0 MPa、0.5 MPa时,只有Ⅰ、Ⅲ接触面上的接触压力较为明显。随着水压的增大,在水压达到 1 MPa 后,Ⅱ接触面上的接触压力逐渐明显且趋于稳定,各水压下 O 型橡胶圈所承受的接触压力也是在不断增大的。至于接触压力不均,则是因为在外轴运动的过程中,所产生的波动可能会导致接触压力的受力不均,并且橡胶圈的爬行可能会加剧这种情况的发生而引起的。



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