變化油壓沖擊下火炮制退機(jī)唇形密封圈的動(dòng)密封性能

2014-09-07 崔凱波 軍械工程學(xué)院火炮工程系

  研究制退機(jī)唇形橡膠圈在火炮高速發(fā)射時(shí)的動(dòng)密封性能。分析唇形密封圈的工作原理,利用微觀組織分析方法研究密封圈失效機(jī)制; 通過(guò)橡膠力學(xué)性能試驗(yàn)和擬合尋優(yōu),確定橡膠超彈性本構(gòu)模型,利用ABAQUS 建立密封圈軸對(duì)稱有限元模型; 通過(guò)ADAMS 仿真求解得到不同裝藥條件下制退機(jī)后坐速度、變化油壓等參數(shù),并綜合考慮初始過(guò)盈量、摩擦因數(shù)、動(dòng)密封速度等因素,分別對(duì)密封圈的安裝、靜密封和動(dòng)密封等工況進(jìn)行模擬; 根據(jù)密封圈失效準(zhǔn)則,研究變化油壓沖擊作用下的唇形橡膠圈動(dòng)密封性能,對(duì)研究和掌握火炮發(fā)射狀態(tài)下唇形密封圈的壽命規(guī)律具有一定參考價(jià)值。

  火炮發(fā)射時(shí)受高溫、高壓和強(qiáng)動(dòng)載作用,系統(tǒng)工況復(fù)雜,使用環(huán)境惡劣,而且具有多體接觸、多構(gòu)件撞擊的特性。制退機(jī)就是在火炮發(fā)射時(shí)提供液壓阻力的一種特殊液壓設(shè)備。制退機(jī)內(nèi)有多種密封件,最常用的便是動(dòng)密封唇形橡膠密封圈,其密封性能的好壞直接關(guān)系到火炮的射擊精度和可靠性。針對(duì)密封圈的材料本構(gòu)模型、失效形式、有限元仿真、密封性能和改進(jìn)設(shè)計(jì)方面,許多學(xué)者做了大量的工作,但多集中于對(duì)O 形密封圈進(jìn)行研究。唇形密封圈與O 形密封圈的工作原理、失效形式和使用條件并不相同。目前關(guān)于唇形橡膠圈的研究文獻(xiàn)不是很多。文獻(xiàn)利用密封原理,探討了軸用Yx 形密封圈的形狀尺寸,并對(duì)國(guó)內(nèi)外軸用Yx 形密封圈的形狀差異進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)采用有限元方法對(duì)Yx 形液壓密封圈的性能進(jìn)行模擬,分析其失效的位置和模式,研究參數(shù)對(duì)密封性能的影響,提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)對(duì)靜密封條件下的Y 形橡膠密封圈進(jìn)行了有限元分析,預(yù)測(cè)了Y 形密封圈可能出現(xiàn)裂紋的位置,總結(jié)了Y 形密封圈接觸壓力的變化規(guī)律。文獻(xiàn)對(duì)自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)件唇形橡膠密封圈進(jìn)行了非線性接觸有限元分析,對(duì)唇形密封圈在不同初始過(guò)盈量和油壓下的變形與應(yīng)力情況進(jìn)行了分析研究。

  從以上研究現(xiàn)狀來(lái)看,目前還沒(méi)有利用微觀分析技術(shù)對(duì)唇形橡膠密封圈進(jìn)行失效分析,對(duì)施加變化油壓下的動(dòng)密封情況進(jìn)行有限元仿真和密封性能研究的報(bào)道。為此,本文作者以火炮制退機(jī)唇形橡膠密封圈為研究對(duì)象,結(jié)合微觀分析技術(shù)、橡膠力學(xué)性能試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)仿真和有限元分析方法,對(duì)唇形橡膠圈的密封性能進(jìn)行了分析,從而為進(jìn)一步研究唇形橡膠圈的壽命規(guī)律提供依據(jù)。

1、密封圈失效微觀機(jī)制分析

1.1、密封原理簡(jiǎn)介

  唇形密封圈依靠其張開(kāi)的唇邊貼于密封副耦合面。無(wú)內(nèi)壓時(shí),僅僅因唇部的變形而產(chǎn)生很小的接觸壓力。在密封的情況下,與密封介質(zhì)接觸的每一點(diǎn)上均有與介質(zhì)壓力相等的法向壓力,所以唇形圈底部將受到軸向壓縮,唇部受到周向壓縮,與密封面接觸變寬,同時(shí)接觸應(yīng)力增加。當(dāng)內(nèi)壓再升高時(shí),接觸壓力的分布形式和大小進(jìn)一步改變,唇部與密封面配合更緊密,所以密封性更好,這是唇形密封圈的“自封作用”。圖1 為軸用唇形密封圈安裝示意圖。

唇形橡膠密封圈示意圖

1. 唇形密封圈2. 安裝槽3. 間隙4. 運(yùn)動(dòng)軸

圖1 唇形橡膠密封圈示意圖

1.2、失效機(jī)制分析

  本文作者研究的是丁腈橡膠唇形密封圈,其主要成分是丁腈-26 生膠( 由丁二烯和丙烯腈單體聚合而成) ,通過(guò)加入補(bǔ)強(qiáng)劑、硫化劑、增塑劑及防老劑等配合劑進(jìn)行混煉,經(jīng)過(guò)模具成型和硫化交聯(lián)得到的橡膠材料。

  用INCA350 型能譜儀對(duì)橡膠材料進(jìn)行能譜分析,元素測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)丁腈-26 生膠中存在大量?jī)?nèi)含物,最常見(jiàn)的為ZnO2、CaCO3和硫化物,這些內(nèi)含物便是為了提高橡膠密封圈的性能,在制備過(guò)程中必須添加的配合劑。

丁腈橡膠材料能譜圖

圖2 丁腈橡膠材料能譜圖

  利用S-4800 型掃描電鏡對(duì)唇形橡膠密封圈橫斷面和下唇部表面進(jìn)行觀察,如圖3 所示。其中圖3( a) 、( b) 、( c) 為密封圈橫斷面組織,從圖3( a) 可看出,丁腈橡膠基體上均勻散布著很多填充顆粒,這是起到改善橡膠性能作用的配合劑成分。從圖3( b)和( c) 發(fā)現(xiàn),在丁腈橡膠基體上還存在少量的團(tuán)聚物和孔穴。團(tuán)聚物面積約為40 μm × 90 μm,Mathew等稱之為橡膠球,孔穴直徑為20 ~ 50 μm。這是因?yàn)槎‰嫔z與各種配合劑在混煉過(guò)程中沒(méi)有均勻混合或者在使用過(guò)程中受應(yīng)力循環(huán)作用,部分填充物顆粒脫離基體,經(jīng)過(guò)重組與合并,在基體某些部位出現(xiàn)

  團(tuán)聚和孔穴。圖3( d) 、( e) 、( f) 為密封圈下唇部表面形貌,從圖3( d) 中可以看到,由于下唇與運(yùn)動(dòng)軸之間的往復(fù)高速運(yùn)動(dòng),造成下唇接觸面磨損,表面凹凸不平,呈現(xiàn)魚鱗狀或山脊?fàn),在這些粗糙表面上也分布著很多由填充物顆粒形成的團(tuán)聚物。從圖3( e)和( f) 中可觀察到,在下唇根部還存在很深的裂紋。Le Cam 等[8]提出: 疲勞破壞大多是由于孔穴現(xiàn)象而引起的,而這些孔穴主要是由于氧化鋅和膠體之間的剝離造成。文獻(xiàn)通過(guò)研究得出,在應(yīng)力載荷作用下,微小的填充物顆粒更易合并為大直徑的團(tuán)聚物,團(tuán)聚物充當(dāng)了裂紋的引發(fā)劑,促使材料化學(xué)鍵斷裂更快,從而導(dǎo)致疲勞破壞加快。

唇形橡膠密封圈SEM 圖像

圖3 唇形橡膠密封圈SEM 圖像

  據(jù)此分析認(rèn)為,從微觀機(jī)制角度出發(fā),唇形橡膠密封圈由于受到制備工藝條件的限制和工作時(shí)循環(huán)應(yīng)力的沖擊作用,促進(jìn)了團(tuán)聚物和孔穴的產(chǎn)生,從而引發(fā)密封圈表面硬化、龜裂直至產(chǎn)生深層裂紋。另外,惡劣的使用環(huán)境容易使雜質(zhì)顆粒混入密封耦合面,運(yùn)動(dòng)軸與密封圈的長(zhǎng)期反復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng),均容易造成密封圈唇部表面產(chǎn)生磨損,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)發(fā)生油液泄漏。因此,嚴(yán)重磨損和生成裂紋是導(dǎo)致唇形橡膠圈密封失效的主要原因。

2、結(jié)論

  (1) 通過(guò)材料微觀分析技術(shù),明確了唇形橡膠密封圈的失效機(jī)制,嚴(yán)重磨損和生成裂紋是導(dǎo)致唇形橡膠圈密封失效的主要原因。

  (2) 確定了丁腈橡膠采用Van der Waals 超彈性材料本構(gòu)模型,建立了唇形密封圈軸對(duì)稱有限元模型,利用火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型和液壓阻力方程,求解了不同裝藥號(hào)時(shí)密封圈的動(dòng)密封速度和變化油壓,明確了唇形密封圈的失效準(zhǔn)則。

  (3) 對(duì)唇形密封圈的安裝、靜密封和動(dòng)密封進(jìn)行了仿真模擬,并根據(jù)密封圈失效準(zhǔn)則,對(duì)0# 和6# 裝藥時(shí)的動(dòng)密封性能進(jìn)行了分析驗(yàn)證,為探索唇形密封圈的實(shí)際壽命規(guī)律提供了依據(jù)和參考。