某密封结构密封介质仿真分析及其泄漏特性试验研究_郭仪翔.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 06 17基金项目:国家自然科学基金资助项目(51775030，91860126)作者简介:郭仪翔(1996 )，男，甘肃兰州人，博士研究生，主要从事高温热密封仿真分析与试验测试方面的研究。E-mail:Guoyixiang mailbuct edu cn通信联系人:陈立芳，女，博士，副教授。E-mail:chenlf mail buct edu cnDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 014某密封结构密封介质仿真分析及其泄漏特性试验研究*郭仪翔1，陈立芳1，2*(1 北京化工大学 机电工程学院，北京 100029;2 北京化工大学高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室，北京 100029)摘要:针对高超声速飞行器起落架舱门密封结构存在的流体泄漏问题，以 P 型橡胶密封圈为研究对象，采用有限元仿真分析与密封试验相结合的方法，对密封结构的密封泄漏特性进行了研究。首先，准备了待测密封件(橡胶 P 型密封圈)，并依据其固有理化特性以及试验需求与目标，搭建了密封测试用试验器工装与配套控制系统;然后，建立了试验器及 P 型密封圈的有限元模型，并结合实际工况条件施加了载荷与边界条件，进行了试验器主体的有限元热分析和 P 型圈的有限元压缩仿真分析;最后，设计了测试方案，在不同压缩率以及不同开孔数目的工况条件下，对各类密封件开展了常温与高温气体泄漏量检测试验。研究结果表明:P 型圈的密封性能对压缩率和开孔数的变化较为敏感，在一定压缩率范围内，其泄漏量随压缩率的增大而减小;以恒定方向通入流体，其泄漏量随密封介质开孔数的增加而减小，且呈倍率线性函数关系。关键词:橡胶密封圈;高温热密封;压缩率;密封试验系统;泄漏试验;P 型密封圈;有限元热分析中图分类号:TH117;TB42;TQ336 8文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0258 09Simulation analysis of sealing medium of a sealing structure andexperimental research on its leakage characteristicsGUO Yi-xiang1，CHEN Li-fang1，2(1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China;2 Beijing Key Laboratory of High End Mechanical Equipment Health Monitoring and Self ecovery，BeijingUniversity of Chemical Technology，Beijing 100029，China)Abstract:Aiming at the fluid leakage problem of the landing gear door sealing structure of hypersonic aircraft，P-type rubber seals were usedas research objects，the sealing leakage characteristics of the sealing structure were studied by combining finite element simulation analysisand sealing test Firstly，the seal to be tested(rubber P-ring)was prepared，and according to its inherent physical and chemical propertiesand test requirements and goals，the tester tooling and supporting control system for the sealing test were independently designed and builtThen，the finite element model of the tester and the P-type sealing ring was established，loads and boundary conditions combined with actualoperating circumstances were used，and the finite element thermal analysis of the tester body and the finite element compression simulationanalysis of the P-ring were carried out Finally，test scheme was designed，under the conditions of different compression ratios and differentnumbers of openings，the gas leakage detection tests of various types of seals at room temperature and high temperature were carried out Theresults indicate that the sealing performance of the P-ring is more sensitive to changes in the compression rate and the number of openings，within a certain compression ratio range，the leakage decreases with the increase of the compression ratio When the fluid is passed in a constantdirection，the leakage decreases with the increase of the number of openings in the sealing medium，which is a linear function of magnificationKey words:rubber sealing ring;high-temperature heat seal;compression rate;sealing test system;leakage test;P-seal;finite elementthermal analysis0引言橡胶密封圈1 是最常用的密封件之一，主要用于航空航天飞行器的润滑油、燃料油以及气体等介质的密封。目前，常用的密封材料主要为氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶等。硅橡胶有优异的耐高低温特性，使用温度为-70 250。考虑到橡胶材料的耐磨性差，故常常采用织物包裹2，3 方式来减小橡胶材料的磨损。但是，由于飞行器机身表面常常暴露在高载荷(温度、压力)工况下，从而导致其典型部位的密封结构介质使用温度超过设计的使用温度，因无法满足现有的密封性能需求，老旧的密封方案和材料会导致密封机构的失效，以及密封介质的泄漏4-6。因此，针对舱门密封件复杂的非线性力学特性7，8，有必要采用有限元来分析其受力，并得出应力应变总变形等数据。国内外相关专家就上述问题，开展了广泛的研究。美国美国国家航空航天局(NASA)9 对航天飞机起落架主门进行了环境密封测试，具体测试了密封圈在舱门不同位置、安装板是否开槽，以及密封件是否带有支撑圆角情况下的泄漏特性，从试验的角度得到了P 型密封圈在不同条件下的密封泄漏规律;但该研究未开展相关的仿真分析。肖开阳等人10 通过有限元仿真分析，总结出了 P 型密封圈主副密封面的密封接触宽度与接触应力，随舱门间隙与行程的变化规律，并且基于 OTH 模型，推导出了 P 型橡胶圈的总泄漏模型;但研究缺少配套的试验，因此，无法验证其仿真结果的准确性。刘艳军等人11 通过分析金属 O 型环密封接触宽度与压缩率关系，得出了压缩率在一定范围内，接触宽度随压缩率的增大而增加的结论;但是在该研究中，当压缩率超限后，金属 O 型圈存在发生塌陷的问题。李凡等人12 分析了航天飞机机身 TPS、机身开口以及控制面三部位的热密封结构特点，并对航天器的热密封结构进行了综合评估;但该研究并未具体指出航天器密封结构泄漏的敏感位置。文献 13提出了一种高温基线密封，其中热障密封中编织的金属弹簧管14 为密封件的弹性结构骨干，其目的是增强高温下的密封回弹力，可以有效防止密封的失效;但是其不足之处在于，该密封件对气密性要求不高，只能起到隔热的作用。刘伟等人15 针对两种型号的舱门密封带进行了整体规格的压缩实验，将拟合的模型代入到有限元计算中，得到了门体与门框的二次接触力隐式响应关系;但该研究缺乏对舱门转接位置的分析说明。文献 16 研究了以耐高温材料的编织物为基础的密封件方案，并在此基础上，得到了鉴定密封件及其密封系统性能的设备与试验方法;但该研究并未开展相关的试验。因此，笔者在现有飞行器典型部位的密封泄漏研究基础上，采用有限元仿真分析与试验相结合的技术手段，开展典型部位密封泄漏特性的研究工作。笔者通过搭建专用的密封测控试验系统，在不同工况下，对橡胶 P 型密封圈以及试验器工装开展有限元仿真分析;同时，进行现场试验，并记录渗透过 P 型密封圈的流体泄漏量，将试验数据与仿真结果进行对比，总结得出泄漏量随待测密封介质压缩率、开孔数目变化的一般规律。1待测密封件及试验系统1 1橡胶 P 型密封圈待测橡胶圈试验件一共分 3 种类型:第一种为外径 11 mm 橡胶 P 型圈，第 2 种为外径 22 mm 橡胶 P 型圈，第 3 种为外环带有不同数目底孔的外径 22 mm 橡胶 P 型圈。3 种橡胶密封件材质均为 6051 号橡胶，出厂经过了硬度测试、拉伸强度测试、拉断伸长率测试以及拉断永久变形测试。该空间级密封材料具备良好的空间环境适应性，同时具有良好的耐真空性能、耐紫外线和带电粒子的辐照性能，满足试验基本参数要求。待测 P 型密封圈如图 1 所示。图 1待测 P 型密封圈1 2高温热密封试验系统该试验器可以实时监测密封圈进口侧流量、温度和压力;此外，其对密封圈泄漏侧气体流量、泄漏温度也可进行实时测量。该试验装置保证了进口位置具有952第 2 期郭仪翔，等:某密封结构密封介质仿真分析及其泄漏特性试验研究一定可调节温度和压力的流体环境。热密封试验测控系统设计示意图如图 2 所示。图 2热密封试验测控系统示意图该试验系统中，空气压缩机、调压阀门、热风洞为密封试验器提供一定压力的热气流输入，待测 P 型圈密封件安装在密封试验器内部，输出参数由测控系统实时记录。测控系统以可编程控制器 PLC 作为控制中枢，实现上位机与下位机的实时通讯，试验数据由上位机软件实时读入，并准确存储。试验器结构设计及工作原理如图 3 所示。图 3试验器结构设计及工作原理试验器本体主要包括上层压盖、加热板、中间定位调整块、底座，其中，底座是试验器本体的基础，其主要作用是与外置热风系统形成气流通路，其上安装有各种传感器。此外，中间定位调整块具有不同厚度，调整块厚度、上盖和底座中相应沟槽的尺寸共同组成确定压缩率的尺寸链，通过更换不同厚度规格的定位调整块，即可改变待测密封件的压缩率，进而针对不同压缩率、不同压差、不同温度工