一种航天器运动机构O形轴向动密封摩擦阻力研究

针对航天器一种常用的多道冗余O形轴向动密封摩擦阻力偏大的问题,对密封圈压缩率、金属配副表面摩擦因数、装配状态等因素进行仿真和试验研究。通过试验获得密封圈压缩率与摩擦阻力的关系;建立密封圈橡胶材料与轴孔摩擦仿真模型,通过分析获得O形密封圈与不同金属副动摩擦因数可能存在关系,并通过轴孔模拟试验验证仿真结果。通过密封圈磨损部位及应力分析,探究密封圈磨损原因。结果表明:摩擦阻力随密封圈压缩率的增大呈非线性增大趋势,且压缩率越大,摩擦阻力增幅越明显,因此降低密封圈压缩率可有效降低摩擦阻力;影响密封结构摩擦阻力的关键因素在于轴与密封圈之间的摩擦因数,通过在轴表面涂覆润滑膜层,可有效降低主轴摩擦因数,从而降低摩擦阻力。

表面粗糙度对橡塑O形圈往复密封性能的影响

建立三维确定性混合润滑数值仿真模型,该模型采用统一Reynolds方程系统法,耦合了固体力学分析、流体力学分析和接触力学分析;生成非高斯粗糙表面,基于混合润滑模型研究表面粗糙度、自相关长度比值和纹理方向对橡塑O形圈往复密封摩擦力、泄漏率、平均膜厚和接触面积比等密封性能的影响规律。研究表明:低速时随着表面粗糙度的增大,润滑区接触面积比增大,引起摩擦因数增大,平均膜厚先增大后减小,临界接触面积比约为40%;在混合润滑状态时,对于横向纹理粗糙表面,存在合适的自相关长度比值使得密封的摩擦因数和接触面积比最低;当纹理方向θ=π/10时,摩擦因数最小。

基于有限单元法密封结构影响因素建模分析

密封圈结构对高压试验装置的密封性、承压性具有直接影响。依据高压试验装置的结构特点,对O型密封结构进行结构参数分析,基于Mooney-Rivlin模型对特性进行分析;利用MARC有限元分析的方法对O型圈进行密封分析,分析不同密封间隙和槽深的尺寸下,接触压应力和Von Mises应力的大小,基于分析结果,优选密封间隙和槽深参数。结果可知:密封间隙为(0.04~0.14)mm间,压缩率为(10~20)%间,能够满足设计承载条件下的密封要求;通过对影响因素分析发现,密封间隙与Von Mises应力正相关,与接触应力负相关;压缩率提升,Von Mises应力先增后降,最大接触应力先降后增;80MPa压力下,较小密封间隙、压缩率对密封结构承载是有利的;通过分析设计密封圈影响趋势,发现参数的最优解为间隙0.043mm,槽深5.357mm,压缩率为10%。分析方法和研究结果可为超高压压力容器O型密封结构设计提供参考依据。

套管定向钻井锁定器设计与仿真分析

套管定向钻井技术是一种新型定向钻井工艺方法,兼备套管钻井和定向钻井的优势,能够实现高效的定向钻井目标。锁定器作为套管定向钻井系统中的关键部件,其性能好坏将对钻井可靠性产生直接影响。本文设计了一种将锁定器活动机构部件全部密封的结构形式,对锁定器中的传扭和轴向限位进行承载力计算分析,采用两参数Mooney-Rivlin超弹性本构模型,对两端关键密封O形圈的装配间隙以及橡胶硬度的承受密封压力情况进行分析,研究表明,锁定器芯承受最大65011 N·m的制动扭矩时,单个传扭键承受10835 N·m的扭矩,应力为74.86 MPa,单个定位卡可承受184520 N的竖向承载力,应力为659 MPa,两者的应力均小于所使用材料的屈服强度930 MPa,锁定器的轴向承载能力和传扭性能均满足设计要求;配合间隙以及橡胶硬度均对O形圈密封性能产生影响,仿真结果表明,在所选公差配合范围内,O形圈表面接触压力均大于外界压力,能够实现有效密封,考虑到间隙越小,Mises应力和剪切应力也随之增大,过大的应力会使密封圈损坏,且不易装配,因此配合间隙选择大值;橡胶硬度越大O形圈的密封性能越好且在相同介质压力下O形圈的形变越小,通过数值模拟选择90 HA硬度的O形圈,可以满足锁定器的密封需求。

基于ANSYS Workbench的O形橡胶密封圈有限元分析

为了研究O形橡胶密封圈(以下简称O形圈)的压缩率与接触压强的关系,首先通过ANSYS Workbench有限元分析软件对装置结构进行必要的模型简化,其次进行关键的边界条件设置及载荷的施加等操作,最后完成非线性静态有限元分析。采用后处理分析技术,得到该装置结构的变形量及von Mises应力分布图。结合实际工况,分析螺栓预紧力、O形圈压缩率及接触压强之间的关系,保证介质(含压气体或液体)密封的接触压强满足工况需求,确保介质密封的有效性和可靠性。

整体齿啮式高压釜密封结构研究

以整体齿啮式高压釜为研究对象,采用ABAQUS软件,对整体齿啮式高压釜的密封结构进行有限元建模,从O型密封圈材料、硬度、密封槽尺寸3个方面对高压釜密封结构的密封性能进行研究。对不同橡胶材料的强度、耐磨性、耐候性等进行比较,分析了材料硬度,密封槽的深度L、槽口倒角半径R_(1)、槽底倒角半径R_(2)等参数对整体齿啮式高压釜密封结构密封性能的影响。结果表明,适用于该高压釜密封结构的密封圈材料为氟橡胶,氟橡胶的最佳邵氏硬度为85 HA,密封槽最佳参数为L=5 mm、R_(1)=0.6 mm、R_(2)=0.5 mm。

氟橡胶O形密封圈预成型优化因素分析

本文对FX-17氟橡胶O形密封圈成型过程中坯料软化、坯料薄通、坯料圈成型等预成型工艺控制与优化进行了分析。试验表明,在氟橡胶一段硫化和二段硫化参数一定的情况下,通过对O形密封圈预成型工艺参数优化,预成型前后橡胶O形密封圈内径、线径、拉伸强度等成型质量和性能波动均降低,预成型工艺优化后可以减少氟橡胶O形密封圈尺寸和拉伸强度波动,能够提升氟橡胶O形密封圈加工成型质量和性能。

水泥环破碎器矩形异形活塞密封性能分析

针对传统圆柱形液压活塞承载力不足问题,提出一种矩形异形活塞,研究其在不同工况下的密封性能。基于Abaqus软件建立异形活塞有限元模型,研究介质压力、密封间隙、活塞运动状态以及摩擦因数对密封性能的影响,并分析异形密封环不同位置处的应力分布和翻转情况。结果显示:静密封时,介质压力越大,密封环的最大Mises应力和最大接触应力越大;密封间隙越小,最大Mises应力与最大接触应力越大;相比静密封,内行程过程中最大Mises应力和最大接触应力都有明显增加,且随摩擦因数增加而增加,而外行程中最大Mises应力和最大接触应力相比静密封差异较小;各工况下应力最大值均出现在密封环圆弧段;在活塞运动过程中密封圈并未发生翻转,只是存在位置的平移情况。研究结果证明了异形活塞的可行性以及良好的密封性能,为活塞结构设计与优化提供了依据。

基于物理模型与统计分析的作动器活动密封O形圈磨损预测研究

在实际服役环境中,飞机发生的总故障的40%是由于密封泄漏造成的,其密封性能的优劣直接影响产品的功能、性能和使用可靠性。然而,飞机上缺乏对密封圈的磨损监测,导致密封圈健康状态难以评估。针对这一问题,本研究提出了一种基于物理模型与统计分析的活动密封O形圈磨损预测方法,首先对密封圈的磨损进行了机理分析和参数测定;其次,采用Abaqus有限元软件模拟研究了密封圈的运动过程,得到密封圈的接触应力;然后,对舵机每个架次的累计行程进行统计分析,得到行程的概率统计曲线,结合Holm-Archard磨损模型得到磨损体积的概率分布曲线;最后,结合时间与行程的关系,建立了磨损体积与时间之间的数学模型。采用多个样本进行验证,结果表明,实际磨损体积在预测密度函数的3σ范围内的概率为95.83%,证明本研究建立的模型能够有较大概率预测活动密封的O形圈的体积磨损情况。

低温环境下橡胶O形圈密封性能的流固耦合分析

为探究温度、表面形貌特征、材料性能对橡胶密封圈的密封性能影响,通过实验获得不同温度下橡胶材料的力学性能参数;基于ABAQUS软件建立橡胶密封件的有限元仿真模型,对O形圈加压降温过程进行顺序耦合的固热分析,得到O形圈与密封界面处的接触应力分布;基于Kalker提出的接触变分原理,使用傅里叶变换进行接触力学分析,建立了接触应力与表面微观形貌的数值关系;采用Persson的渗流理论计算了O形圈密封件的泄漏率。结果表明:随着环境温度的降低,接触压力曲线发生明显变化,接触宽度减小;当温度降低至橡胶材料玻璃化转变温度附近,弹性模量陡增,橡胶材料失去回弹性能,O形圈密封性能降低,发生泄漏。

某型飞机舱盖关键元件O形密封圈气密性分析

对某飞机舱盖作动筒异常弹出进行分析,原因是油液中的气体导致油液体积弹性模量变小,可压缩性增强,易发生弹出现象。基于IFAS模型得到含气量与油液体积弹性模量的关系。座舱盖液压操纵系统密封区域均采用O形密封圈进行密封,但由于关键元件粗糙表面特征的存在构成气体泄漏通道,导致座舱盖液压操纵系统中混入气体。因此提出了一种基于Roth模型的泄漏率计算方法,将O形密封圈与金属粗糙表面之间的接触关系,看作弹性金属光滑表面和刚性金属粗糙表面之间的接触关系,对金属粗糙度表面轮廓三角峰均一化排列,从而将泄漏路径定义为梯形通道。基于有限元软件ABAQUS计算密封圈的密封性能系数,分析了表面粗糙度及偏载情况对气体泄漏率的影响;最后通过ANSYS仿真分析与理论结果进行对比。该工作对高精密的密封结构加工设计有着重要指导意义。

基于结构变形理论的深海连接器O形圈密封性能研究

深海连接器是保证海洋装备能够正常运行的信号传输设备,而深海连接器的正常运行在很大程度上依赖于O形圈的密封性能。为此,对深海高压环境导致O形圈发生形变,从而严重影响O形圈的密封性能问题进行了研究。首先,基于结构变形理论,分析了环境压力对于密封结构变形和O形圈压缩量的影响变化;然后,基于有限元法建立了O形密封圈的非线性动密封模型,分析研究了模型网格划分对于模拟结果准确性的影响;接着,分析了结构变形与环境压力之间的关系曲线;最后,研究分析了材料性能、环境压力与密封结构尺寸对于动密封性能的影响。研究结果表明:当网格的实际值为47745,测定值为21685、37934、50707时,其模拟计算结果的误差值均小于2%;密封结构变形和O形圈压缩量的模拟值与理论值的曲线趋势基本一致;材料性能与环境压力的变化会影响动密封性能,在密封结构尺寸中,增大沟槽圆角半径可以增强O形圈的动密封性能。该研究结果可为深海高压环境下O形密封圈的设计与优化提供参考与理论支持。

地层测试工具耐230℃O型密封圈优选试验研究

为了在设计地层测试工具的过程中优选出抗高温、承高压、抗腐蚀能力强及密封性好的O型橡胶密封圈,研制了可满足多型号O型密封圈共用的模拟试验工装。该工装可模拟高温高压条件以及密封圈的不同的装配方式,进行性能评价试验;同时以适应工程应用为评价原则设计了一套充分模拟地层测试作业中温度、压力变化过程和边界参数的评价试验方法,对多个型号的耐高温的O型密封圈开展了试验评价。针对230℃/105 MPa地层测试工具设计,优选出了3种具有较好的高温承压能力和密封持久性能的密封圈,其基材是全氟醚橡胶,在浓度20%的盐酸中浸泡96 h,经两次升温至230℃,一次降温至常温的温度交变过程中,都能反复承受长达48 h的高压(105 MPa)密封测试,该试验为加快高温高压测试工具的研发进程奠定了基础。

硬度对液压马达O形密封圈性能影响的分析

以仿真转台液压马达密封结构为研究对象,利用有限元分析软件ABAQUS建立其有限元模型,采用罚函数技术和库仑摩擦模型对O形密封圈和马达密封副间的摩擦接触进行有限元分析,研究O形密封圈材料硬度对接触压力、密封圈Mises应力和密封圈与马达密封副间接触面积的影响,分析接触压力、密封圈Mises应力峰值和接触面积的分布规律。结果表明:接触压力随O形密封圈材料硬度的变化呈“驼峰”式变化;在“驼峰”位置随材料硬度的增加而增大;材料硬度小于85 HA时,对O形密封圈Mises应力的影响并不明显;材料硬度大于85 HA时,Mises应力增大幅度变大,容易导致密封圈损坏;密封圈与马达轴间静接触面积整体上随密封圈材料硬度的增大而减小,故应尽量控制密封圈硬度,保证足够的接触面积。

基于热氧加速老化试验的O型密封圈寿命评估

以某型水下发射动力装置密封结构中O型密封圈为研究对象,研究其性能退化规律,准确预测评估其使用寿命。对新品和已经使用老化11年的旧品分别开展恒定温度应力下的热氧老化试验,依据阿伦尼乌斯模型和试验数据建立了密封圈老化程度和时间的老化动力学方程,建立了环境温度和老化反应速率的关系。在使用环境温度为25℃的前提下,得到新品的使用寿命约为13.7 a,已使用老化11年的旧品的使用寿命约为3.0 a,旧品的实际使用寿命约为14.0 a。结果表明,试验数据与实际结果较为吻合,该密封圈的实际使用寿命在14 a左右,为装备的使用维护提供了参考依据。

注水井井下工具常用密封类型研究

为了保证井下工具的使用性能和寿命,针对油田注水井井下工具设计中密封设计方案、密封材料选择,文中介绍了O形圈密封和金属密封的密封方式、密封机理和使用时的注意事项,便于设计过程中合理选型及使用。

ABAQUS二次开发在O型圈密封组件仿真分析中的应用

基于Python语言对ABAQUS软件前处理和后处理模块进行二次开发,形成O型圈典型密封结构性能仿真评估插件。结果表明,基于该插件可快速进行几何建模、材料赋予、网格划分、边界加载、结果后处理并自动生成Word报告,能帮助快速识别影响密封性能的关键设计参数、验证设计合理性、节约仿真时间,较大程度地提高了仿真效率。

数字液力解码器密封与摩擦特性试验研究

根据数字液力解码器阀体本身设计一个垂直布置的往复高压油液的密封试验台架,通过试验方法探究解码器在不同介质压力、往复速度及压缩率的条件下的密封性能及摩擦特性。结果表明:高压时,数字液力解码器需要较大的启动力,当启动力未达到最大静摩擦力时,其动作响应会存在一定的延迟现象,同时较大的滞后摩擦力会使密封系统的随动性变差;最大静摩擦力和滑动摩擦力随介质压力增加均呈线性增加,0~16 MPa与16~32 MPa两阶段的线性增长率不同,16~32 MPa时增长率变小;在高压高速时,解码器密封部位容易发生泄漏失效;初始压缩率对解码器的密封性能影响明显,初始压缩率为23.25%时,能够满足解码器正常工作时的密封要求。

柔性钻杆O形圈球面密封性能研究

柔性钻杆已成为老井改造和增产提效的重要工具,为保障柔性钻杆球面密封的可靠性,对设计的一种O形圈球面密封结构开展数值模拟和试验研究。基于ANSYS有限元分析软件探究密封间隙、流体压力、转动角度以及有无挡环等因素对O形圈von Mises应力、接触应力、有效密封宽度等密封特性参数的影响。结果表明:流体压力与密封间隙存在耦合关系,流体压力越高要求密封间隙越小;往复转动会导致最大von Mises应力和最大接触应力升高,且随着密封间隙增大而影响加剧;挡环的安装可有效防止在密封间隙和流体压力较大时O形圈挤入缝隙。通过室内试验验证了O形圈球面密封结构的可靠性,为现场应用提供了理论依据和技术支撑。

高速动压机械密封静环辅助O形圈密封和微动补偿性能分析

动压机械密封静环需要具备轴向滑移、角向摆动的能力,其中的O形圈在滑移界面起密封和补偿作用,其设计的优劣对密封的稳定运转至关重要。为此本文建立微动补偿结构的有限元模型,分别分析了O形圈整体槽和分体槽两种典型补偿结构在平滑微动补偿工况和受振动干扰微动补偿工况下预压缩量、介质压力以及线径大小对O形圈密封性能及补偿特性的影响,并进行了试验验证。分析结果表明:影响静环补偿性能最主要的因素是O形圈压缩量和界面摩擦系数;分体槽补偿结构在补偿过程具有更好的追随性,更适用于高速、强振动工况,表现为具有更小的摩擦力且波动程度小。通过试验验证了分析结果,得到了O形圈优化补偿结构参数,在动压机械密封启动阶段,O形圈摩擦力最大,减小压缩量、改善补偿界面润滑状态可以有效降低摩擦力的波动量提高补偿性能,其中良好的润滑能有效降低摩擦力波动量20%以上。研究结果为高速动压机械密封微动补偿结构设计提供了参考。