中国测试  2019, Vol. 45 Issue (9): 138-142, 148

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文章信息

边智, 陈允, 崔博源, 孟理华
BIAN Zhi, CHEN Yun, CUI Boyuan, MENG Lihua
综合加速寿命试验与仿真的密封圈性能退化规律研究
Research on the law of performance degradation of seal ring in accelerated lifetime test and simulation
中国测试, 2019, 45(9): 138-142, 148
CHINA MEASUREMENT & TEST, 2019, 45(9): 138-142, 148
http://dx.doi.org/10.11857/j.issn.1674-5124.2018060017

文章历史

收稿日期: 2018-06-05
收到修改稿日期: 2018-07-26
综合加速寿命试验与仿真的密封圈性能退化规律研究
边智1 , 陈允2 , 崔博源2 , 孟理华1     
1. 中国航空综合技术研究所,北京 100028;
2. 中国电力科学研究院有限公司,北京 100192
摘要:传统的密封圈寿命评估多采取加速寿命试验完成,由于评估用的失效判据(压缩永久变形)与实际密封性能难以关联,导致评估的寿命偏守旧。因此,该文提出基于回归分析的统计建模方法,运用仿真与实验综合分析密封圈的性能退化规律。首先,应用加速寿命试验得到不同使用状态的密封圈,并测试得到其性能参数。然后,通过仿真分析的方法得到各密封圈的接触应力。最后,应用统计分析的方法实现其整体退化规律的建模。该模型可以准确分析密封圈的退化规律,并依据密封圈失效准则,实现其寿命预测。
关键词资料失效与掩护    老化寿命评估    加速寿命试验    O型密封圈    
Research on the law of performance degradation of seal ring in accelerated lifetime test and simulation
BIAN Zhi1 , CHEN Yun2 , CUI Boyuan2 , MENG Lihua1     
1. AVIC China Aero-polytechnology Establishment, Beijing 100028, China;
2. China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100192, China
Abstract: The traditional aging life assessment of O-ring is mostly completed by the accelerated life test. The failure criterion used for evaluation (compression set) is difficult to relate with the actual seal performance (leakage rate), which result in that the life expectancy of the assessment is conservative. In view of the problems above, this paper puts forward a statistical modeling method which is based on regression analysis. This method uses simulation and experiment to synthetically analyze the degradation law of the aging performance of the O-ring. Firstly, accelerated life test is applied, to get O-rings with different states. And the performance parameters of these O-ring are tested. Then the contract stress of each O-ring is obtained through simulation analysis. Finally, the method of statistical analysis is applied to realize the modeling of O-ring’s overall degradation law. The model can accurately analyze the degradation law of the O-ring and predict the life of the O-ring according to the failure criterion.
Key words: failure and protection of materials     evaluation of aging life     accelerated life test     O seal ring    
0 引 言

随着我国经济、技术的一直发展,输电线路规模也越来越大,供电系统也愈加重要,供电的保险、稳定性逐渐成为关注的焦点。密封圈作为输电系统中的重要元件之一,对设备的绝缘性能影响较大。在长期运行过程中密封圈会发生老化,进而出现绝缘失效,由此导致的电力系统事故时有发生,引发较严重的后果[1]。现阶段国内外学者在密封圈老化寿命的研究中,多采取加速寿命试验[2-3]的技术。依照密封圈性能变更与老化时间关系式[4-5]和Arrhenius模型[6-7],设计在不同温度、不同介质下的加速老化试验[8-9],推算密封圈在各种温度下的使用寿命。该方法存在评估周期长、本钱高,评估精度受限于试验样本量大小的问题。并且失效判据采取的是密封圈的物理尺寸,即压缩永久变形,而工程上考核密封性能的指标为介质的泄露率,该方法难建立两者之间的对应关系,影响评估结果的准确性。

针对上述存在的问题,本文提出仿真建模和加速寿命试验相结合的方法实现密封圈退化规律的研究。以密封圈与工作面间接触应力为判断尺度,可以直接反映密封性能,实现快速、准确并且全面的密封圈寿命评估。首先以环境参数、介质压力、实际密封圈产品的力学性能等为输入,建立密封圈的三维仿真模型。其次通过加速寿命试验得到模拟不同老化状态的密封圈,应用拉伸试验得到其应力-应变曲线,输入仿真模型,计算得到多组接触应力。通过对多组接触应力进行回归分析,最终得到密封圈的退化规律,以密封介质的压力为判据,实现密封圈寿命的评估。

1 密封圈的密封原理

密封圈主要依靠橡胶资料变形后的回弹力来实现密封,O型圈是其中的典型代表。在装配完成后,由于受到密封结构截面形状的限制,发生弹性形变,在密封接触面上形成预压缩力,即接触应力P。在加载介质压力时,O型圈继续发生弹性形变,将会发生更大的接触应力Pm。当接触应力大于密封介质的压强时,即Pm>P时,则不发生泄露。反之,则密封失效[10]

2 密封圈的有限元模型

密封圈与装置槽组成轴对称结构[11],在理想情况下,密封圈沿轴线方向的载荷也是轴对称的,因此计算模型采取平面轴对称模型,对密封圈的研究由三维简化为二维问题。在密封试验装置的有限元模型中,由于橡胶资料的超弹性、大变形、各向同性等特点[12],存在着资料非线性、几何非线性、边界条件非线性等约束,因此本文选择专业求解非线性分析的ABAQUS软件完成密封圈有限元分析建模。

2.1 基本假设

由于边界条件较多,因而做出以下假设:

1)橡胶资料各向同性、均匀连续且完全弹性;

2)忽略因热辐射而导致的热损失;

3)忽略橡胶资料的蠕变特性和应力松弛特性;

4)密封结构的刚度是橡胶的几万倍,可以忽略其变形,作为刚体处理。

2.2 边界条件设置

为了模拟密封圈试验件实际工作状态,将壳体底面固定,并对法兰施加垂直向下的位移载荷,直至法兰面与壳体名义压紧[13]

2.3 载荷施加

在密封圈试验件的有限元模型中,约束壳体后,在法兰上端面施加位移载荷2.2 mm,使得法兰压紧橡胶圈,并为各螺栓设置110 N·m的拧紧力矩。模型中全部接触面之间设置摩擦接触,摩擦系数为0.2。设置的工装环境载荷见表1

表 1 环境载荷
环境温度 环境压强 介质压强 试验温度
25 ℃ 0.1 MPa 0.6 MPa 140 ℃

在ABAQUS中,依据密封圈的几何尺寸及边界条件建立的二维有限元分析模型[14],见图1

图 1 密封圈有限元模型

密封槽资料为铝合金,其密度为2 700 kg/m3、泊松比为0.3、弹性模量为70 GPa,橡胶O型密封圈本构关系选用Mooney-Rivlin模型,其函数表白式为

$ W = {C_1}\left( {{I_1} - 3} \right) +{C_2} \left( {{I_2} - 3} \right) $ (1)

式中:W——应变能密度,N;

C1C2——资料Mooney-Rivlin系数;

I1I2——第一、二Green应变不变量。

3 不同使用状态下的密封圈老化模拟试验

通过提高试验温度实现密封圈的加速寿命,从而得到不同使用状态下的密封圈,并通过拉伸性能试验得到其力学性能数据,应用如图2所示密封圈有限元分析流程[4]完成其接触应力分析。

图 2 密封圈仿真分析流程

3.1 模拟不同使用状态的密封圈加速寿命试验

本试验旨在通过加速寿命试验[7]得到不同使用状态的密封圈力学性能数据。选取压缩永久变形作为表征密封圈不同使用状态的指标,考虑退化规律精度的要求,要求试验得到不同压缩永久变形(以下均简称为压变)为0%、10%、20%、30%、40%、50%的密封圈。试验选用老化箱为银河WG4502BT精密老化试验箱,试验工装及测试设备见图3

图 3 试验用工装及测试设备

依照GB/T 20028-2005 《硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度》中的要求及工程用环境条件确定的试验剖面见表2

表 2 试验剖面
试验温度/℃ 环境压力/MPa 样本数量/个
140 0.101 3 5×6=30

经过45 d的加速寿命试验后,得到6种不同使用状态的密封圈,见表3

表 3 不同使用状态的密封圈
编号 1 2 3 4 5
压变/% 0 0 0 0 0
编号 6 7 8 9 10
压变/% 10.0 10.0 12.6 13.0 10.4
编号 11 12 13 14 15
压变/% 20 19.8 18.7 21.2 22.3
编号 16 17 18 19 20
压变/% 31 30.3 32 34.2 33.5
编号 21 22 23 24 25
压变/% 40.3 40.1 40.6 42.9 41.3
编号 26 27 28 29 30
压变/% 50.1 50.0 50.1 50.1 50.1

3.2 不同使用状态的密封圈力学性能测试结果

应用拉伸机分别对不同使用状态的密封圈进行拉伸试验,可得到多组力学性能数据,每组分别选取一个样本绘制成力-拉伸长度曲线,见图4

图 4 不同使用状态密封圈的拉伸性能曲线

4 有限元计算结果及分析

施加边界、载荷及资料参数[14]后,得到如图5~图8所示应力分布结果,从中可以得出,密封圈发生了较大的变形,并且密封槽的T形槽与密封圈接触部位[15]发生应力集中。

图 5 密封圈及法兰应力分布云图

图 8 密封圈接触应力云图

图 6 密封圈应力分布云图

图 7 密封圈接触应力提取示意图

开展不同使用状态密封圈的有限元分析[16],通过调整仿真参数,实现结果的收敛,得到不同状态密封圈使用中的最大接触应力,见表4

表 4 不同使用状态的最大接触应力
编号 1 2 3 4 5
接触应力/MPa 1.78 1.65 1.68 1.55 1.52
编号 6 7 8 9 10
接触应力/MPa 1.38 1.22 1.26 1.24 1.20
编号 11 12 13 14 15
接触应力/MPa 1.13 1.16 1.13 1.07 1.13
编号 16 17 18 19 20
接触应力/MPa 1.08 1.03 0.95 0.95 0.94
编号 21 22 23 24 25
接触应力/MPa 0.89 0.87 0.82 0.85 0.88
编号 26 27 28 29 30
接触应力/MPa 0.72 0.80 0.76 0.73 0.70

5 基于统计分析实现密封圈退化规律建模

影响密封圈与法兰接触面间的最大接触应力,即波形边处最大接触应力[17]的因素有很多,如密封圈的截面尺寸、橡胶资料及资料硬度选择、密封圈的类型及结构、摩擦因素等。研究表明,接触应力的大小与上述因素存在以下对应关系:

$ F = A{\varepsilon ^{{b_1}}}{W^{{b_2}}}{D^{{b_3}}}{H^{{b_4}}} $ (2)

式中:F——密封圈所受接触应力,N;

Ab1b2b3b4——常数;

ε——压缩率;

W——密封圈的截面直径,mm;

D——密封圈的内径,mm;

H——邵氏硬度。

通过对两边取对数,可以将式(2)转化为线性方程,即:

$ y = {\rm ln}A + {b_1}{x_1} + {b_2}{x_2} + {b_3}{x_3} + {b_4}{x_4} $ (3)

由于密封圈在成形时影响因素较多,导致其成品硬度分散性、随机性较强,总体服从正态分布,因此依照上述关系可看出密封圈接触应力的随机分布也服从正态分布。

对于橡胶的老化性能来说,可以用下面的经验公式表白:

$f\left( P \right) ={B} \exp \left( {- k{t^\alpha }} \right) $ (4)

式中:f(P)——对于压缩永久变形yf(P)=1−y,对于其他性能,f(P)=P/P0

αB——与温度T无关的常数;

k——与温度T有关的常数。

由式(4)可知,当截面直径和密封圈内径坚持不变的情况下,随着密封圈老化水平的增加,其弹性降低、永久变形增大导致压缩率降低,其接触面所受到的接触应力出现幂指数关系递减。

由此可知,随着密封圈老化水平增加,在部分范围内密封截面接触应力呈正态分布(μ为分布的位置参数,σ为分布的尺度参数),整体呈指数分布,具体见图9

图 9 不同使用状态对应的接触应力分布

上述不同压缩永久变形对应的接触应力分布拟合尺度差见表5

表 5 分布拟合尺度差
压变/% 0 10 20 30 40 50
尺度差/MPa 0.015 2 0.008 6 0.003 4 0.005 6 0.003 3 0.005 1

分别求取各个分布的平均值,并对平均值和相应的试验时间进行回归分析[18],得到使用时间与接触应力的变更曲线见图10

图 10 随着使用时间增加接触应力变更曲线

依照最小二乘法[19]确定的接触应力随使用时间变更的退化模型如下:

$F = 1.464 - 0.115\,3\;{\rm ln}{t} $ (5)

式中F为接触应力,t为使用时间。相关系数为0.96,拟合精度较高。

6 密封圈寿命预测

由于工程用介质内压力为0.6 MPa,因此装配好后的密封圈最大接触应力≥0.6 MPa时,即可满足密封要求。

依照5小节得到的模型计算可得密封圈在140 ℃下的使用时间为3 670.8 h。将密封圈加速寿命试验继续进行至理论分析寿命(3 670.8 h)时,并将装配好的密封圈进行氦检漏,泄露率满足指标要求。由此可知,该密封圈退化模型可以用于寿命预测,且精度较高。

7 结束语

本文通过仿真建模结合加速寿命试验的方法,建立密封圈与工作面间接触应力随老化时间的退化规律,可得出以下结论:

1)密封圈装配后的接触应力受尺寸参数、资料参数及压缩率等的影响分散性较大。由于上述参数均为随机参数,呈正态分布,因此密封圈在使用状态一定时,不同样本的接触应力统计呈正态分布。

2)在温度不变的情况下,密封圈性能随使用时间呈指数关系变更。

3)采取应用仿真和试验相结合的方法,并基于统计分析的方法完成密封圈退化规律的建模。该模型可以准确完成密封圈使用寿命的预计,并且提高密封圈寿命评估的效率及降低本钱。

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