深海液压系统X形橡胶圈密封性能分析

　　利用ANSYS 软件建立深海环境下工作的液压系统的X 形圈密封结构的二维轴对称模型，计算X 形圈在不同密封状态下的应力分布，分析压缩率、密封压力、摩擦因数等因素对其密封性能和相关应力的影响。结果表明：应力随压缩率、密封压力、摩擦因数的增大而增大； 静态密封时，X 形圈内侧与密封槽会形成密闭空腔，不适合应用于深海环境；承载密封时，密封压力对接触应力、等效应力、剪切应力的影响依次减小；滑动密封时，摩擦应力逐渐趋于稳定，且密封压力和摩擦因数对摩擦应力影响较大。

　　X 形橡胶圈是在O形圈的基础上改进而来，在液压系统中可以替代O形圈。与O形圈相比，X 形圈具有较低的摩擦力，能较好地克服扭转，可获得更好的密封效果。深海液压系统工作在深海环境下，在深海5 000 m 处环境压力达到50 MPa，对X 形圈的密封性能提出了更高的要求。

　　目前，国内外学者对X 形圈的密封性能的研究较少。本文作者利用ANSYS 有限元软件建立了深海液压系统X 形橡胶圈密封结构的二维轴对称模型，分析了不同密封状态下，压缩率、密封压力、摩擦因数等因素对其密封性能和相关应力的影响，为研究深海环境下X 形圈的密封性能提供参考。

　　1、有限元分析模型

　　1.1、仿真模型

　　根据密封技术手册确定深海液压系统X 形圈密封结构及其仿真模型，如图1 所示。

图1 X 形圈密封结构及其仿真模型

　　X 形圈密封结构中，X 形圈线径为3.53 mm，密封槽宽度为3.9 mm，槽底圆角半径为0.3 mm，倒角半径为0.1 mm，最大压缩量为0.5 mm。

　　仿真模型中，X 形橡胶圈采用超弹性单元PLANE182，弹性模量E = 14.04 MPa，泊松比ν =0.499，X 形圈密封结构的接触类型为刚柔接触，刚性面为目标面、柔性面为接触面，接触单元分别采用TARGE169、CONTA172 单元。

　　1.2、橡胶模型

　　橡胶是一种近似不可压缩、高弹性、高度非线性的超弹性体，在ANSYS 中可采用简化后仅有2 个材料参数的Mooney-Rivlin 模型，即W =C10( I1 - 3) +C01( I2 - 3) ，其中I1，I2为应力张量不变量，C10、C01分别取1.87、0.47 MPa。

　　1.3、基本假设

　　根据模型边界特点，可做如下假设：

　　(1) 密封槽壁的刚度远大于橡胶，视为X 形圈的边界约束；

　　(2) X 形圈具有确定的弹性模量、泊松比；

　　(3) X 形圈受到的压缩视为由缸体约束边界的位移引起；

　　(4) X 形圈材料是均匀连续的。

　　1.4、载荷

　　基于以上假设，可施加以下载荷:

　　(1) 预压缩，根据预压缩率，沿压缩方向施加一定的位移；

　　(2) 环境压力，深海环境压力为50 MPa；

　　(3) 密封压力，在X 形圈接触油液的一侧施加密封压力；

　　(4) 位移，缸体相对密封槽向右移动10 mm。

　　根据静态密封和动态往复密封的具体要求，分别施加不同载荷。

　　3、结论

　　(1) 静态密封时，X 形圈内侧与密封槽会形成密闭空腔，不适合应用于深海环境；承载和滑动密封时，不会形成密闭空腔，可应用于深海环境。

　　(2) X 形圈等效、剪切、接触、摩擦应力随压缩率、密封压力和摩擦因数的增大而增大。

　　(3) 承载密封时，X 形圈密封压力对接触应力、等效应力、剪切应力变化的影响依次减小。

　　(4) 滑动过程中，摩擦应力不断变化之后逐渐趋于稳定，摩擦因数、密封压力、压缩率对摩擦应力变化的影响依次减小。