加氢枪用滑环式组合密封圈密封性能研究

王 涛， 董聿森， 滕磊军， 孙拥军

（北京航天试验技术研究所， 北京 100079）

0 引言

氢气加氢枪是氢加注的关键设备， 因此氢气的可靠密封至关重要。 滑环式组合密封圈一般由O 形圈和滑环组成，根据滑环形状分类，有方形（格来圈）、阶梯形（斯特圈）和齿形滑环（斯齿圈）等。

学者采用有限元和试验手段对滑环式组合密封圈进行了研究。 Heipl 等人[1]在不同工况（2.5MPa～100MPa）和不同油温（30℃～70℃）下，对方形组合密封圈和阶梯形组合密封圈进行了动密封性能研究。 Yang 等[2]研究了旋转方形滑环密封圈的摩擦特性。陈国栋[3]开展了常温和低温（-40℃）下齿形滑环组合密封性能的仿真研究，O 形圈材料为丁腈橡胶，滑环材料为增强聚四氟乙烯（RPTFE），研究指出，温度对O 形圈的失效影响较大；摩擦系数不影响密封性能。 韩传军等[4]的模拟分析表明：增加初始压缩率可提高齿形滑环组合密封圈的密封性能。 陈家旺等[5]对齿形滑环组合密封件的摩擦力矩进行了计算， 滑环材料为RPTFE， 发现摩擦力矩与介质压力之间基本呈线性关系。 蔚利军[6]研究了两种组合密封圈，O 形圈材料为丁腈橡胶，滑环材料为RPTFE，介质压力0～35MPa，结果表明：方形滑环式组合密封圈滑环与轴的接触应力受O 形圈预压缩量和气压影响较小。

综上所述，目前研究集中，滑环材料一般是PTFE）或RPTFE。在高压氢气环境中，通常使用聚醚醚酮（PEEK）材料。但将PEEK 作为滑环材料的研究鲜有报告。 本文设计了一种加氢枪用滑环式组合密封圈，O 形圈和滑环分别采用航天特种氟橡胶和PEEK 材料， 对其密封性能进行了研究。

1 有限元模型

图1 所示为本文设计的滑环式组合密封圈， 滑环形状为阶梯型， 在滑环与被密封件的接触面上开了一个圆周槽。 在安装状态下，滑环与被密封件是过盈配合，过盈量为0.01mm，O 形圈截面直径为2.65mm， 预压缩率为18.9%。

图1 滑环式组合密封圈实物与结构图

密封圈的轴对称有限元模型如图2 所示。 活塞杆为被密封件，活塞用于安装密封圈，材料都为304 不锈钢。由于不锈钢的弹性模量远大于PEEK 和氟橡胶，在模型中设定为刚体。PEEK 采用真实应力应变曲线[7]，O 形圈采用根据实际拉伸试验数据拟合得到的5 参数Mooney-Rivlin 超弹性模型[8]。接触采用罚函数法。模拟分三个载荷步进行，滑环的预装配、O 形圈预压缩和介质压力施加。

2 密封性能仿真分析

本文开展了密封圈密封机理的研究， 并分析了介质压力对密封性能的影响。 图3 所示为接触压力分布和Von Mises 应力分布随载荷步的变化。介质压力为45MPa。由图可知，滑环和活塞杆的最大接触压力分布在滑环圆周槽下侧。 滑环是阶梯型，介质力和O 形圈径向压缩导致滑环相对活塞杆有上端径向远离、下端径向靠近的趋势，使滑环下侧产生较大接触应力。在介质压力施加后， 最大Von Mises 应力都出现在滑环的圆周槽内， 最大值约为91.12MPa， 低于PEEK 材料的屈服强度100MPa。

图3 介质压力45MPa 时接触压力和Von Mises 应力分布随载荷步的变化

图4 所示为最大接触压力随载荷步的变化，介质压力为45MPa。 由图可知，滑环预装配，活塞杆和滑环由于过盈配合产生约7.37MPa 的最大接触压力；O 形圈预压缩，O 形圈与滑环之间产生约9MPa 的最大接触压力，活塞杆和滑环最大接触压力增大到29.26MPa；介质压力施加，活塞杆与滑环的最大接触压力为86.46MPa， 是介质压力的1.92 倍。

图4 介质压力45MPa 时最大接触压力随载荷步的变化曲线

本文模拟了介质压力分别为5MPa、15MPa、30MPa、45MPa 和60MPa 时的密封状态。 接触压力和Von Mises分布见图5。介质压力增大，O 形圈与滑环的密封接触面积增大，滑环与活塞杆的接触压力分布变化不大，最大的接触压力仍然分布在滑环圆周槽的下侧。介质压力的增大对最大Von Mises 应力分布影响较小， 最大的Von Mises 应力均在滑环内部的圆周槽内。

图5 不同介质压力下的接触压力和Von Mises 应力分布

图6 所示为最大接触压力随介质压力的变化曲线。由图可知，滑环与活塞杆的接触压力，以及O 形圈与滑环的接触压力， 随介质压力基本都呈线性变化。 前者随介质压力增长更快，斜率约为1.5，后者随介质压力增长相对较慢，斜率约为1.0。

图6 最大接触压力随介质压力的变化曲线

3 密封性能试验分析

本文搭建了如图7 所示的密封圈密封性能试验平台。被测密封圈被安装在图示所示位置。 气缸的驱动气为空气或氮气，通过C 口和D 口的充放气实现气缸的往复运动。 A 口可通最大压力为70MPa 的氦气。 B 口为检漏出口， 检漏气管接入水箱中， 检漏气管外径6mm， 壁厚1mm。 若密封圈发生泄漏，氦气通过B 口进入水箱，可通过气泡数量判断密封圈泄漏情况。

图7 滑环式组合密封圈密封性能试验平台

首先对密封圈的静密封性能进行了测试。 A 口通入70MPa 氦气，活塞杆保持静止。 结果表明：在静密封情况下，密封圈可实现活塞杆的可靠密封，在试验过程中1 分钟内无气泡出现；在不施加介质压力的情况下，活塞杆往复运动10000 次后，再次进行静密封性能测试，仍能保证1 分钟内无气泡出现。 符合加氢枪标准SAE J2600 和GB/T 34425 中关于气密性的指标要求。 其次，对密封圈的动密封性能进行测试。 A 口通入氦气，活塞杆往复运动。 结果表明：活塞杆往复运动2000 次内，可实现1min 内无气泡；往复运动2000 次后，每分钟1 个气泡。

4 结论

本文设计了一种加氢枪用的滑环式组合密封圈，工作压力高达70MPa，由滑环和O 形圈组成。 滑环材料为PEEK，O形圈材料为航天特种氟橡胶。 模拟分析了密封机理及介质压力对密封性能的影响。 开展了密封圈的静密封性能、动密封性能的试验研究，主要研究结论如下：

（1） 滑环与被密封件的过盈装配产生较小接触压力，O 形圈预压缩使该接触压力成倍增加。 介质压力施加导致滑环与被密封件的接触压力远高于介质压力，实现可靠密封。

（2）滑环与活塞杆的最大接触压力分布在滑环圆周槽下侧。 最大的Von Mises 应力位于滑环的圆周槽内，低于PEEK 材料的屈服极限。

（3）介质压力增大，滑环与活塞杆的接触压力分布和最大Von Mises 应力分布变化不大。滑环与活塞杆的接触压力，及O 形圈与滑环的接触压力，随介质压力呈线性变化，前者斜率大于后者。

（4）试验研究表明：在70MPa 静密封情况下，密封圈可实现1 分钟内无气泡出现；在70MPa 动密封情况下，可实现每分钟1 个气泡。