基于有限元的O形橡胶密封圈装配过程参数影响分析

    李记威+曹军伟+王国锐+张泽远

    

    

    

    摘 要： 利用有限元软件对某固体发动机O形橡胶密封圈装配过程进行仿真分析。 研究了装配过程中密封圈材料参数、 密封圈与发动机壳体摩擦系数、 轴向装配速度和结构参数对密封圈剪应力的影响。 结果表明， 材料参数、 摩擦系数以及装配速度是影响密封圈最大剪应力的主要因素。

    关键词： 固体发动机； O形橡膠密封圈； 装配； 有限元； 超弹性

    中图分类号： V435 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2017）06-0072-05[SQ0]

    0 引 言

    空空导弹固体发动机工作环境复杂[1]， 发动机工作过程中燃烧室承受高温、 高压燃气， 因此密封结构的可靠性是发动机设计的关键技术之一。 燃烧室零件之间的密封一般采用O形橡胶密封圈， 密封圈能否可靠工作直接关系到发动机任务成败。 发动机密封在设计、 生产、 使用等环节均需要重点关注。 特别是在生产环节的装配质量， 是决定密封结构是否可靠的关键一环。 但密封圈在装配过程中难以观察， 密封圈是否会发生剪切破坏不容易被发现， 因此通过对装配过程仿真， 从而在理论上获得各参数对装配的影响规律， 最大程度避免密封圈在生产过程中受剪切破坏。

    国内针对O形橡胶密封圈的密封性能研究较多[2-14]。 陆婷婷等[2]对O形橡胶密封圈的截面直径、 间隙张开量、 间隙张开时间、 压缩率和压力对密封圈密封性能的影响进行了仿真分析。 闫平义等[9]设计了橡胶回弹性测试仪， 对固体火箭发动机用氟橡胶圈密封材料回弹特性进行了研究。 陈汝训[13]对提高密封结构可靠性提出了有益的建议。

    国内研究主要集中在密封圈使用过程， 对密封圈装配过程研究较少。 本文对某型发动机前封头装配过程进行了有限元仿真， 对装配过程影响密封圈受剪切的几种因素进行梳理和参数影响分析， 得到了主要影响参数， 结论对设计与生产具有一定的参考意义。

    1 仿真分析

    1.1 假设条件及模型参数

    发动机密封圈装配过程仿真模拟， 假设：

    （1） 发动机各金属组成设为刚体；

    （2） 橡胶材料各向同性， 且近似不可压缩；

    （3） 考虑几何非线性效应；

    （4） 前封头装配过程与燃烧室筒体（以下简称筒体）完全对中。

    有限元软件用应变势能来表达超弹性材料的应力-应变关系， 有多种不同的应变势能模型。 此外， 有限元软件可直接输入试验数据， 包括：

    （1） 单轴拉伸和压缩；

    （2） 等双轴拉伸和压缩；

    （3） 平面拉伸和压缩；

    （4） 体积拉伸和压缩。

    由于单轴试验数据容易得到， 且应用最为广泛， 本文采用单轴拉伸试验数据。

    发动机前封头与筒体密封结构件如图1～2所示。 图1为装配前结构位置， 图2为装配后结构位置。

    模型橡胶密封圈参数中， 泊松比取0.499 99， 单轴拉伸数据如图3所示。 装配速度0.5 mm/s， 不计密封圈与筒体和前封头之间的摩擦。

    1.2 装配过程分析

    装配过程中， 密封圈在封头密封槽里， 封头沿轴向朝着筒体内部方向平行推进， 进入密封面倒角时， 密封圈被压缩变形， 当密封圈完全进入密封面后， 封头继续沿原方向移动， 直至达到安装。

    密封圈进入密封面的整个过程如图4～7所示。 由图可知， 密封圈通过筒体倒角时， 首先与封头的尖角a和筒体的尖角b接触， 此时由于密封圈变形较小， 未产生较大剪应力， 如图4所示。 在通过筒体尖角c时， 产生最大剪应力， 此时密封圈容易受剪切破坏， 达到最大剪应力， 如图5～6所示。 当密封圈全部进入筒体密封面后， 密封圈剪应力由外到内层层均匀增大， 如图7所示。

    2 参数影响分析

    密封圈装配过程影响因素较多， 通过辨识， 对O形橡胶密封圈材料参数、 结构参数、 摩擦系数和装配滑动速度进行参数化仿真分析， 得到了各参数对发动机密封圈装配过程影响程度结果。 为方便模型间对比分析， 所有计算结果均为密封圈上最大剪应力位置点随时间变化数据。

    2.1 橡胶材料参数

    实际生产过程中， O形橡胶密封圈材料拉伸的应力-应变曲线均有不同程度差异。 表观上， 橡胶材料拉伸数据中同样应变条件下应力越大， 则材料硬度越高。 为研究拉伸曲线对密封圈装配过程影响， 对三种材料应力-应变曲线进行了仿真对比， 应力-应变曲线如图8所示， 其他参数与1.1节相同。

    橡胶硬度与材料拉伸曲线具有相关性， 相对来说橡胶材料A表现高硬度、 橡胶材料B中硬度、 橡胶材料C低硬度。

    图9所示为三种材料的剪应力-时间变化曲线。 从图9可以看出， 材料A最大剪应力高于材料B达2倍以上， 材料C也高于材料B， 因此材料力学性能曲线对装配过程具有较大影响。 此外， 当密封圈装入密封面后， 残余剪应力也与材料力学曲线相关。 表现为材料A最大， 材料B最小， 材料C略大于材料B。 而残余应力对橡胶老化具有较大影响[13]， 因此， 为避免装配过程中过高剪应力以及橡胶材料过快老化， 应选择应力-应变曲线适中的橡胶。

    2.2 结构参数

    由图4～5和图9可知， 密封圈在筒体尖角c位置产生最大剪应力， 因此对该尖角设计过渡圆弧并进行仿真计算， 结果如图10所示， 其他参数与1.1节相同。 由图10可知， 过渡圆弧对降低剪应力峰值有一定作用， 同时， 尖角c加过渡圆弧后， 剪应力上升更为平滑， 有利于密封圈滑入密封面， 建议尖角c增加过渡圆弧。

    2.3 摩擦系数

    密封圈装配过程中有一定的滑动距离， 特别在滑入密封面时， 密封圈与筒体的摩擦可能对剪应力最值产生影响。 因此， 对模型在不同摩擦系数下进行了仿真分析， 其他参数与1.1节相同， 结果如图11所示。 随着摩擦系数的增大， 剪应力极值出现在时间上逐渐后移， 且最大值随着摩擦系数增大逐渐上升。 出现这种现象的原因是密封圈与筒体摩擦越严重， 越不利于密封圈滑入密封面， 最大剪应力在时间上表现滞后。 此外， 随着摩擦系数的增加， 最大剪应力显著上升， 表明摩擦系数是装配过程的主要影响因素。

    为避免摩擦系数增加引起剪应力上升， 在密封圈安装前应均匀涂抹润滑脂或采取其他润滑措施， 降低安装过程剪切风险。

    2.4 装配速度

    密封圈装配速度是又一种影响剪应力的参数。 对三种装配速度进行仿真分析， 其他参数与1.1节相同， 结果如图12所示。 结果表明， 装配速度越快， 密封圈到达尖角c时的最大剪应力上升越快， 峰值越大， 且速度到达一定时， 与尖角b接触时剪应力极值急剧上升， 量级接近与尖角c接触时的剪应力极值。 出现这种现象的原因主要是密封圈在装配过程中需要挤压变形， 当挤压过快时， 密封圈来不及滑入密封面， 挤压变形很大， 剪应力快速上升， 这不利于对密封圈的保护。 因此， 密封圈挤入密封面时， 应尽量降低进给量， 避免剪切密封圈。

    3 结 论

    （1） 在满足密封需要的情况下， 密封圈硬度太高或太低对装配均不利， 且橡胶材料参数是密封圈残余剪应力的决定性因素。

    （2） 筒体密封面的尖角c应加工过渡圆弧， 该措施可降低密封圈最大剪应力峰值， 且使剪应力上升过程圆滑。 计算显示， 圆弧越大， 最大剪应力越小。

    （3） 密封圈和筒体的摩擦系数对装配过程最大剪应力影响较大， 安装过程中应在密封圈外部均匀涂抹润滑脂或采取其他润滑措施， 以降低密封圈剪切的风险。

    （4） 密封圈的轴向装配速度对密封圈挤入密封面过程影响同样较大， 速度越小， 剪应力上升越慢， 速度越大， 剪应力上升越快。 因此密封圈装配时， 应尽量降低装配速度。

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    Parameter Analysis of Assembling Rubber O Ring Based on Finite Element

    Li Jiwei， Cao Junwei， Wang Guorui， Zhang Zeyuan

    （China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）

    Abstract： The assembling rubber O ring of a solid motor is simulated by using finite element software. The influence of the rubber material parameter， the friction coefficient between O ring and motor case， the axial velocity of assembling and the configuration parameter on the shear stress of the O ring are studied. As a result， the main factor on the maximum shear stress of the O ring is rubber material parameter， friction coefficient and the axial velocity of assembling.

    Key words： solid motor； rubber O ring； assembling； finite element； hyper-elasticity