變化油壓沖擊下火炮制退機唇形密封圈的動密封性能

2014-09-07 崔凱波軍械工程學院火炮工程系

　　研究制退機唇形橡膠圈在火炮高速發(fā)射時的動密封性能。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制; 通過橡膠力學性能試驗和擬合尋優(yōu)，確定橡膠超彈性本構模型，利用ABAQUS 建立密封圈軸對稱有限元模型; 通過ADAMS 仿真求解得到不同裝藥條件下制退機后坐速度、變化油壓等參數(shù)，并綜合考慮初始過盈量、摩擦因數(shù)、動密封速度等因素，分別對密封圈的安裝、靜密封和動密封等工況進行模擬; 根據密封圈失效準則，研究變化油壓沖擊作用下的唇形橡膠圈動密封性能，對研究和掌握火炮發(fā)射狀態(tài)下唇形密封圈的壽命規(guī)律具有一定參考價值。

　　火炮發(fā)射時受高溫、高壓和強動載作用，系統(tǒng)工況復雜，使用環(huán)境惡劣，而且具有多體接觸、多構件撞擊的特性。制退機就是在火炮發(fā)射時提供液壓阻力的一種特殊液壓設備。制退機內有多種密封件，最常用的便是動密封唇形橡膠密封圈，其密封性能的好壞直接關系到火炮的射擊精度和可靠性。針對密封圈的材料本構模型、失效形式、有限元仿真、密封性能和改進設計方面，許多學者做了大量的工作，但多集中于對O 形密封圈進行研究。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。目前關于唇形橡膠圈的研究文獻不是很多。文獻利用密封原理，探討了軸用Yx 形密封圈的形狀尺寸，并對國內外軸用Yx 形密封圈的形狀差異進行了對比分析。文獻采用有限元方法對Yx 形液壓密封圈的性能進行模擬，分析其失效的位置和模式，研究參數(shù)對密封性能的影響，提出了結構優(yōu)化模型。文獻對靜密封條件下的Y 形橡膠密封圈進行了有限元分析，預測了Y 形密封圈可能出現(xiàn)裂紋的位置，總結了Y 形密封圈接觸壓力的變化規(guī)律。文獻對自行設計的非標準件唇形橡膠密封圈進行了非線性接觸有限元分析，對唇形密封圈在不同初始過盈量和油壓下的變形與應力情況進行了分析研究。

　　從以上研究現(xiàn)狀來看，目前還沒有利用微觀分析技術對唇形橡膠密封圈進行失效分析，對施加變化油壓下的動密封情況進行有限元仿真和密封性能研究的報道。為此，本文作者以火炮制退機唇形橡膠密封圈為研究對象，結合微觀分析技術、橡膠力學性能試驗、動力學仿真和有限元分析方法，對唇形橡膠圈的密封性能進行了分析，從而為進一步研究唇形橡膠圈的壽命規(guī)律提供依據。

1、密封圈失效微觀機制分析

1.1、密封原理簡介

　　唇形密封圈依靠其張開的唇邊貼于密封副耦合面。無內壓時，僅僅因唇部的變形而產生很小的接觸壓力。在密封的情況下，與密封介質接觸的每一點上均有與介質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，同時接觸應力增加。當內壓再升高時，接觸壓力的分布形式和大小進一步改變，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. 運動軸

圖1 唇形橡膠密封圈示意圖

1.2、失效機制分析

　　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) ，通過加入補強劑、硫化劑、增塑劑及防老劑等配合劑進行混煉，經過模具成型和硫化交聯(lián)得到的橡膠材料。

　　用INCA350 型能譜儀對橡膠材料進行能譜分析，元素測試結果如圖2 所示�？梢园l(fā)現(xiàn)丁腈-26 生膠中存在大量內含物，最常見的為ZnO2、CaCO3和硫化物，這些內含物便是為了提高橡膠密封圈的性能，在制備過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 型掃描電鏡對唇形橡膠密封圈橫斷面和下唇部表面進行觀察，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聚物和孔穴。團聚物面積約為40 μm × 90 μm，Mathew等稱之為橡膠球，孔穴直徑為20 ～ 50 μm。這是因為丁腈生膠與各種配合劑在混煉過程中沒有均勻混合或者在使用過程中受應力循環(huán)作用，部分填充物顆粒脫離基體，經過重組與合并，在基體某些部位出現(xiàn)

　　團聚和孔穴。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，由于下唇與運動軸之間的往復高速運動，造成下唇接觸面磨損，表面凹凸不平，呈現(xiàn)魚鱗狀或山脊狀，在這些粗糙表面上也分布著很多由填充物顆粒形成的團聚物。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。文獻通過研究得出，在應力載荷作用下，微小的填充物顆粒更易合并為大直徑的團聚物，團聚物充當了裂紋的引發(fā)劑，促使材料化學鍵斷裂更快，從而導致疲勞破壞加快。

唇形橡膠密封圈SEM 圖像

圖3 唇形橡膠密封圈SEM 圖像

　　據此分析認為，從微觀機制角度出發(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循環(huán)應力的沖擊作用，促進了團聚物和孔穴的產生，從而引發(fā)密封圈表面硬化、龜裂直至產生深層裂紋。另外，惡劣的使用環(huán)境容易使雜質顆粒混入密封耦合面，運動軸與密封圈的長期反復相對運動，均容易造成密封圈唇部表面產生磨損，嚴重時將會發(fā)生油液泄漏。因此，嚴重磨損和生成裂紋是導致唇形橡膠圈密封失效的主要原因。