Page 92 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 吴杰, 等: 干气密封推环用弹簧蓄能密封圈工作特性研究 535

弹簧蓄能密封圈中的弹簧由S51770(即07Cr17Ni7Al) 列于表1和表2中，弹簧材料的部分参数采用了文献[16]
不锈钢薄片螺旋缠绕后弯曲制成. 弹簧的形状使其具 中的数据. 考虑到弹簧和C形圈变形时发生塑性流动
有中到高的弹簧负荷和更小的变形范围，非常适用于 或塑性强化，采用双线性等向强化材料模型(BISO)来
[15]
轻质气体的径向静密封 . 弹簧与C形圈的材料参数 描述材料的非线性行为.

表 1 弹簧材料参数 [16]
[16]
Table 1 Material Parameters of Spring
Material Modulus of elasticity Yield strength Tensile strength Poisson’s ratio Relative friction coefficient
S51770 200 GPa 1 320 MPa 1 720 MPa 0.3 0.1

表 2 PTFE材料参数 [11, 17]
[11, 17]
Table 2 Parameters of PTFE material
Material Modulus of elasticity Tangent modulus Poisson’s ratio Relative friction coefficient
PTFE (polytetrafluoroethylene) 488.38 MPa 38.348 MPa 0.457 0.1

2 有限元模型 种弧长的弹簧模型的压缩特性差异已经很小，最大误

差仅为0.699%. 故本文中选择10°弧长的弹簧模型的
2.1 蓄能弹簧的二维轴对称等效
模拟结果作为等效二维O形环弹簧的基础数据.
弹簧蓄能密封圈中，蓄能弹簧的压缩性能对密封
设置圆环外径为2.5 mm，盘绕中径为160.4 mm，
圈的力学性能有显著的影响. 为减少计算时间，本文
通过改变截面厚度得到等效弹簧压缩特性曲线. 对比
作者将三维弹簧简化为材料和外径相同的等效O形
发现当圆环厚度为0.082 mm时，其压缩特性曲线与
环，简化后的O形环与弹簧压缩力学特性一致. 参考文
10°弧长的三维弹簧基本一致，如图6所示.
献[11]中的等效方法，对三维弹簧进行模拟压缩试验，
获得该弹簧的压缩特性曲线，找出压缩特性近似的二 8
维轴对称圆环弹簧模型. 针对弹簧几何结构周期性分
布的特点，截取部分弹簧进行模拟压缩试验，本文中 6
选择了两种弧长的弹簧(弧长所对应的周向角度分别
为5°和10°)来讨论模型的简化. Spring force/(N/mm) 4
通过提取刚性面的节点反力得到弹簧受压缩所
产生的压缩反力，提取得到的弹簧压缩反力均化为单 2 10° spring
Equivalent spring
位圆周长度的弹簧力，如图5所示. 考虑到蓄能密封圈
0
压缩率一般为3%~7%，压缩量在0.25 mm以内，此时两 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Spring compression/mm
8 Fig. 6 Compression characteristic curves of equivalent
springs
图 6 等效弹簧压缩特性曲线
6
Spring force/(N/mm) 4 2.2 计算模型

2.2.1 基本假设
为简化计算，在建立弹簧蓄能密封模型时做出如
2
5° spring 下假设：
10° spring
1) 推环与弹簧座材料的弹性模量相对于PTFE
0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Spring compression/mm C形圈大很多，可视为刚性体；
2) 不锈钢材料的螺旋盘绕片形弹簧在预压缩过

Fig. 5 Compression characteristic curves of energized springs
with different circumferential angles 程中变形量较大，可视为柔性体；
图 5 不同周向角度的蓄能弹簧的压缩特性曲线 3) PTFE材料为弹塑性材料；