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[摘 要]本文通过ANSYS软件对齿形滑环组合密封进行有限元分析，研究了其密封性能，得到了加载状态下齿形滑环组合密封的等效应力分布和接触压力分布云图，发现齿形滑环组合密封具有良好的高压密封性能。
[关键词]齿形滑环；组合密封；仿真研究；ANSYS
中图分类号：TB42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0384-01
引言
齿形滑环组合密封由一个齿形增强聚四氟乙烯（PTFE）滑环和一个O形橡胶圈组成。聚四氟乙烯具有化学稳定性好、耐腐蚀性强、耐磨性高等优点，直接与旋转轴或往复轴接触，具有较低的摩擦阻力，可以提高密封件的使用寿命。O形橡胶圈坐落在滑环上，与沟槽壁接触，组成性能良好的静态密封；又因其弹性好，对齿形滑环有一个弹性作用力，增加齿形滑环与旋转轴的接触力，提高组合密封的动态密封能力。齿形滑环一般设计有前后两个密封唇，前面一个具有特定几何形状的是主密封唇，它可以产生较尖锐的接触力，有利于建立理想的油膜，起主密封的作用；后面一个为副密封唇，主要起阻隔油膜和防尘的作用。目前，密封件的设计大多依靠实验进行，实验的诸多因素都会造成密封误差，导致密封实际应用时失效。随着有限元技术的迅速发展和日趋成熟，设计人员越来越多的依靠有限元软件对所设计的密封结构进行仿真分析，得到密封件的应力分布云图以及接触压力曲线等与密封能力直接相关的参数，对密封的寿命进行预测。本文通过ANSYS 软件对齿形滑环组合密封进行有限元分析，以研究其密封性能。
1 建立齿形滑环组合密封有限元模型
在安装挤压的过程中，旋转轴与密封导套相对于密封件的弹性变形量极小，可以将旋转轴与密封导套近似看作刚体，并作为整体进行分析，以简化模型。根据密封结构的轴对称特性，以及载荷和边界条件的施加特点，可以将组合密封的模型简化为二维平面轴对称模型。其中，旋转轴直径为25mm，滑环内径为25mm，O形圈线径为3.55mm，沟槽宽度为5.2mm，沟槽直径为33.6mm，径向间隙为0.15mm。旋转轴与密封导套的材料均为不锈钢 1Cr18Ni9Ti，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。齿形滑环组合密封的有限元模型如图1所示，模型中O形圈与密封导套、齿形滑环，齿形滑环与密封导套、旋转轴之间均设有接触对。根据接触对的定义准则，确定旋转轴和密封导套作为目标体，O形圈、滑环作为接触体，在O形圈与滑环的接触对中，O形圈作为接触体，滑环为目标体。旋转轴、密封导套和滑环采用线性实体单元PLANE42模拟，橡胶单元采用超弹单元PLANE182模拟。
在模型网格划分中，旋转轴和密封导套做刚体处理，基本不发生变形，故模型中网格划分较少，而O形圈和滑环的受力及变形是本节的重点研究内容，且在分析过程中形变位移较大，因此对而O形圈和滑环的网格划分较细。模型中共划分2153个单元，2872个节点。
2 施加载荷与约束
约束载荷的施加，先将密封导套外边界的X、Y方向位移定义为0，作为密封结构分析的基础（将旋转轴外边界的X方向位移定义为0，防止计算时出现压力不均衡，而得不到收敛的结果）；之后给旋转轴的-Y方向施加一个位移，使其到达安装位置，模拟齿形滑环组合密封安装状态下的压缩量；最后，在齿形滑环组合密封出现压力冲击的一侧施加一定压力载荷，模拟最终的接触变形状态。
分析的过程中，添加三处边界条件：第一是密封导套，其外边界位置固定不变；第二是旋转轴，其外边界X方向保持不变，完成压缩过程后整体保持不变；第三是引入的冲击压力载荷。将旋转轴-Y方向的位移定义为第一个载荷步，作用在O形圈上的高压载荷定义为第二个载荷步，求解时按照以上两个载荷步顺序进行。
3 有限元结果分析
（1） 齿形滑环组合密封等效应力分布
齿形滑环组合密封中O形圈与滑环之间的密封属于相对静密封，具有较高的密封能力及寿命，因此不再进行分析。加载状态下，齿形滑环的综合等效应力分布如图2所示。
从图中可以看出，在齿形滑环的主密封唇和副密封唇处都存在着一定的应力集中，导致等效应力过大；而其他位置的应力分布比较均匀，且应力值较小，不会成为危险截面。同时，由于各密封唇处的应力集中，接触面便产生很高的接触压力，实现良好的密封效果。加载状态下齿形滑环的最大等效应力为7.61MPa，齿形滑环仍工作在许用范围之内，不会产生扭曲变形。
（2） 齿形滑环组合密封接触压力分布
加载状态下，齿形滑环组合密封的接触压力云图如图3所示。
从加载状态下组合密封接触压力的分布情况可以看出，接触压力在滑环尖角处与旋转轴接触面上出现峰值，其接触压力远远大于其他地方的接触压力。在工作条件下，O形圈受到介质挤压发生变形，产生一定径向力；而齿形滑环密封唇具有特殊的形状，使其在O形圈径向力作用下易于变形，在主密封唇与旋转轴的接触位置能够产生较大的接触压力。在二者的共同作用下，齿形滑环组合密封具备了良好的高压旋转密封效果，并且在此处容易形成理想的润滑油膜，即保持“临界油膜”厚度，延长组合密封的密封寿命。
4 结论
本文通过对加载状态下的齿形滑环组合密封进行有限元分析，得到了齿形滑环的等效应力分布云图，其最大等效应力为7.61MPa，在材料的许用范围之内；对组合密封的接触压力进行分析，发现在滑环尖角与旋转轴接触的动密封部位出现压力峰值，表明组合密封具备良好的高压密封效果。
参考文献
[1] 陈国定.O形密封圈的有限元力学分析[J].机械科学与技术，2000，19（5）：740-743.
[2] 孫杰，杨咸启.复合材料密封圈非线性大变形的有限元分析[J].润滑与密封，2006，（4）：115-118.
[3] 王建生.新型高压回转密封的试验研究[J].焦作工学院学报，1996，（4）：70-76，80.
作者简介
张雷（1981-）江苏徐州人，助理工程师，2004年毕业于中国矿业大学，主要从事矿井提升设备的检验与技术研究工作。
[关键词]齿形滑环；组合密封；仿真研究；ANSYS
中图分类号：TB42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0384-01
引言
齿形滑环组合密封由一个齿形增强聚四氟乙烯（PTFE）滑环和一个O形橡胶圈组成。聚四氟乙烯具有化学稳定性好、耐腐蚀性强、耐磨性高等优点，直接与旋转轴或往复轴接触，具有较低的摩擦阻力，可以提高密封件的使用寿命。O形橡胶圈坐落在滑环上，与沟槽壁接触，组成性能良好的静态密封；又因其弹性好，对齿形滑环有一个弹性作用力，增加齿形滑环与旋转轴的接触力，提高组合密封的动态密封能力。齿形滑环一般设计有前后两个密封唇，前面一个具有特定几何形状的是主密封唇，它可以产生较尖锐的接触力，有利于建立理想的油膜，起主密封的作用；后面一个为副密封唇，主要起阻隔油膜和防尘的作用。目前，密封件的设计大多依靠实验进行，实验的诸多因素都会造成密封误差，导致密封实际应用时失效。随着有限元技术的迅速发展和日趋成熟，设计人员越来越多的依靠有限元软件对所设计的密封结构进行仿真分析，得到密封件的应力分布云图以及接触压力曲线等与密封能力直接相关的参数，对密封的寿命进行预测。本文通过ANSYS 软件对齿形滑环组合密封进行有限元分析，以研究其密封性能。
1 建立齿形滑环组合密封有限元模型
在安装挤压的过程中，旋转轴与密封导套相对于密封件的弹性变形量极小，可以将旋转轴与密封导套近似看作刚体，并作为整体进行分析，以简化模型。根据密封结构的轴对称特性，以及载荷和边界条件的施加特点，可以将组合密封的模型简化为二维平面轴对称模型。其中，旋转轴直径为25mm，滑环内径为25mm，O形圈线径为3.55mm，沟槽宽度为5.2mm，沟槽直径为33.6mm，径向间隙为0.15mm。旋转轴与密封导套的材料均为不锈钢 1Cr18Ni9Ti，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。齿形滑环组合密封的有限元模型如图1所示，模型中O形圈与密封导套、齿形滑环，齿形滑环与密封导套、旋转轴之间均设有接触对。根据接触对的定义准则，确定旋转轴和密封导套作为目标体，O形圈、滑环作为接触体，在O形圈与滑环的接触对中，O形圈作为接触体，滑环为目标体。旋转轴、密封导套和滑环采用线性实体单元PLANE42模拟，橡胶单元采用超弹单元PLANE182模拟。
在模型网格划分中，旋转轴和密封导套做刚体处理，基本不发生变形，故模型中网格划分较少，而O形圈和滑环的受力及变形是本节的重点研究内容，且在分析过程中形变位移较大，因此对而O形圈和滑环的网格划分较细。模型中共划分2153个单元，2872个节点。
2 施加载荷与约束
约束载荷的施加，先将密封导套外边界的X、Y方向位移定义为0，作为密封结构分析的基础（将旋转轴外边界的X方向位移定义为0，防止计算时出现压力不均衡，而得不到收敛的结果）；之后给旋转轴的-Y方向施加一个位移，使其到达安装位置，模拟齿形滑环组合密封安装状态下的压缩量；最后，在齿形滑环组合密封出现压力冲击的一侧施加一定压力载荷，模拟最终的接触变形状态。
分析的过程中，添加三处边界条件：第一是密封导套，其外边界位置固定不变；第二是旋转轴，其外边界X方向保持不变，完成压缩过程后整体保持不变；第三是引入的冲击压力载荷。将旋转轴-Y方向的位移定义为第一个载荷步，作用在O形圈上的高压载荷定义为第二个载荷步，求解时按照以上两个载荷步顺序进行。
3 有限元结果分析
（1） 齿形滑环组合密封等效应力分布
齿形滑环组合密封中O形圈与滑环之间的密封属于相对静密封，具有较高的密封能力及寿命，因此不再进行分析。加载状态下，齿形滑环的综合等效应力分布如图2所示。
从图中可以看出，在齿形滑环的主密封唇和副密封唇处都存在着一定的应力集中，导致等效应力过大；而其他位置的应力分布比较均匀，且应力值较小，不会成为危险截面。同时，由于各密封唇处的应力集中，接触面便产生很高的接触压力，实现良好的密封效果。加载状态下齿形滑环的最大等效应力为7.61MPa，齿形滑环仍工作在许用范围之内，不会产生扭曲变形。
（2） 齿形滑环组合密封接触压力分布
加载状态下，齿形滑环组合密封的接触压力云图如图3所示。
从加载状态下组合密封接触压力的分布情况可以看出，接触压力在滑环尖角处与旋转轴接触面上出现峰值，其接触压力远远大于其他地方的接触压力。在工作条件下，O形圈受到介质挤压发生变形，产生一定径向力；而齿形滑环密封唇具有特殊的形状，使其在O形圈径向力作用下易于变形，在主密封唇与旋转轴的接触位置能够产生较大的接触压力。在二者的共同作用下，齿形滑环组合密封具备了良好的高压旋转密封效果，并且在此处容易形成理想的润滑油膜，即保持“临界油膜”厚度，延长组合密封的密封寿命。
4 结论
本文通过对加载状态下的齿形滑环组合密封进行有限元分析，得到了齿形滑环的等效应力分布云图，其最大等效应力为7.61MPa，在材料的许用范围之内；对组合密封的接触压力进行分析，发现在滑环尖角与旋转轴接触的动密封部位出现压力峰值，表明组合密封具备良好的高压密封效果。
参考文献
[1] 陈国定.O形密封圈的有限元力学分析[J].机械科学与技术，2000，19（5）：740-743.
[2] 孫杰，杨咸启.复合材料密封圈非线性大变形的有限元分析[J].润滑与密封，2006，（4）：115-118.
[3] 王建生.新型高压回转密封的试验研究[J].焦作工学院学报，1996，（4）：70-76，80.
作者简介
张雷（1981-）江苏徐州人，助理工程师，2004年毕业于中国矿业大学，主要从事矿井提升设备的检验与技术研究工作。