同轴密封件能实现活塞和活塞杆的单向密封，在工业中已经应用了几十年，在结构设计和材料上仍在不断地改进和革新。阶梯形同轴密封件常用于初级密封，为提高密封效果常采用串联结构。阶梯形同轴密封件是由O形(或异形)圈压缩量产生的反弹力和在流体作用下的白密封效应使滑环紧贴在滑动面上而起到密封作用。此密封结构具有泵汲作用，能够把油泵汲回系统，提供补偿，防止泄漏。对于滑环组合密封圈密封性能的研究，国内研究的很少，除陈国定等对阶梯组合密封件的力学性能和本文作者等对滑环式组合密封圈——方形同轴密封件(格来圈)进行了相关研究外，国内暂无其它相关报导。因此，本文作者主要利用ANSYS对阶梯形同轴密封件(如图1所示)进行建模和分析，揭示了滑环厚度、压缩量和液休压力对密封性能的影响情况，为进一步研究滑环式组合密封奠定了基础。

1 计算模型和有限元模型

    1.1计算模型
    
    所计算的阶梯形同轴密封件是自行设计的，其中的O形圈和活塞杆及缸筒的设计均按照国标(GB 3452.3-88)设计，O形圈采用睛基丁二烯橡胶(NBR)，截面直径为5.3 mm，滑环采用聚四氟乙烯，其各材料参数参见文献。

 对阶梯形同轴密封件进行有限元分析时由于边界条件的复杂性，故将密封件及密封结构的活塞杆、缸筒作为整体进行分析。根据密封结构的几何形状、材料、边界条件的特点和ANSYS功能，作者采用平面轴对称模型。建立的阶梯形同轴密封件平面轴对称几何模型及其结构参数如下图所示。

 橡胶密封件的密封计算涉及到固体力学、摩擦学、高分子材料学以及计算方法等方面的理论知识，因此要对其进行精确研究在理论上存在困难，难以全真模拟。其中所涉及的几何非线性、橡胶体超弹材料非线性、边界(状态)非线性知识和进行的一些相关假设均参照前人所进行过的研究，这里就不再累赘，详见参考文献。其中描述橡胶材料的模型有多种，作者采用应用较普遍的Mooney-Rivlin模型，利用其简化后的仅有两个材料常数的应变能函数:

    W=C10(I1-3)+C10(I2-3)

    式中:W为修正的应变势能;C10、C01为材料常数(Mooney-Rivlin常数);I1、I2为应力张量的第1、第2不变量;应力应变关系即为:
    
    σ=αW/αε
    
    其有限元模型见下图。

有限元模型中，橡胶单元采用超弹单元HY-PER74，缸筒、活塞杆和滑环单元采用实体单元PLANE42，用面面接触单元TARGE169和CONTAIl72模拟了活塞杆与滑环、滑环与橡胶弹性体、橡胶弹性体和缸筒之间的接触。模型中由刚体构成的活塞杆和缸筒的刚度是橡胶的几万倍，不考虑其变形，即视为O形密封圈变形时的约束边界，为了提高计算过程的收敛性，计算中活塞杆和滑环采用的是刚柔接触，其它采用的是柔柔接触，滑环底部与缸筒之间的接触对密封性能影响不大，此处并没建立接触，而是在滑环底部加了一约束，本模型中共建立4个接触对。缸筒模型中网格划分较橡胶圈和滑环稀疏，模型中O形圈共有7 942个节点，2 592个单元;滑环共有1 343个节点，1 259个单元;缸筒共有280个节点，220个单元。约束施加是把活塞杆的X方向施加一个位移，视为压缩量，把缸筒完全约束，在此过程中缸筒没发生任何变形，相当于刚体。求解时按照两个载荷步进行求解，由缸筒施加的作为压缩量的X方向位移定义为第一个载荷步，施加在未与密封槽接触一侧的用来模拟密封圈受到的外加液体压力定义为第二个载荷步。

2 计算结果和分析

    2.1接触应力的分布情况
    
    有限元分析中的接触应力分布情况如图下图所示。从下图中可看出，滑环尖角处的接触应力远远大于橡胶圈接触面处的压力，橡胶圈与缸筒底部的接触面处接触应力最小，有液体压力时各接触面的接触应力都有所增加。从图7中可看出滑环密封接触面上接触应力出现压力峰值，其低压侧有一斜角，使滑环与活塞杆之间形成一锐角间隙，当活塞杆返回行程时由于它的动力楔劈作用，使杆上的油膜聚集并对滑环产生液压力，该压力能够减弱液体静压力通过油膜，使活塞杆有利于将油膜带回，密封效果最佳。

 滑环式组合密封圈中滑环厚度是该技术的关键。从图8中可看出滑环太薄对冲击载荷敏感，变形比较大，容易破坏，导致泄漏，而且对系统清洁度要求较高，给加工、装配、运输、保管等带来了困难，不利于规模生产。表2为滑环厚度对接触应力的影响，从表中可看出此种结构的密封圈滑环越厚接触应力越大，抵御变形能力较强，薄滑环靠橡胶圈变形产生的力施加在滑环上时，由于滑环太薄抵御变形能力弱，一部分用于滑环自身产生变形，因此传递到密封面处的接触应力较小，但滑环太厚则刚性大，滑环由于磨损时其“跟随补偿性”差，难以在压力作用下产生足够的变形以弥补被密封表面的细微波谷，因此产生泄漏，达不到密封的日的，因此在设计时应根据不同密封件结构合理设计滑环厚度以保证既有良好的密封性能又有很长的使用寿命。根据计算此种结构的密封件滑环厚度应不小于2 mm。

应力计算中的面积采用初始面积(即σ= F/A )。当量Von Mises应力反映了应力差值的大小，其数值较大处最易产生裂纹。此分析表明过盈载荷主要由滑环承担，且滑环拐角处最易破坏，同时随着压缩量的增加，密封唇口接触宽度增加加速密封唇口的磨损，降低了密封圈的使用寿命，因此在保证密封的情况下控制好安装时的压缩率.

    为不同液体压力下的变形图，图11, 12分别为接触应力、接触宽度与液体压力关系曲线。从图中可看出随着液体压力的增加O形圈和滑环的变形增大;接触应力随液体压力的增加而增加;接触宽度随液体压力的增加而增大。此密封圈解决了O形密封圈在往复运动中间隙过大时，橡胶密封圈在液体压力作用下挤人间隙被密封间隙咬伤，导致泄漏的间题，延长了密封圈的寿命。由于滑环随液体压力增加变形增大，因此在高压使用场合下要适当加大滑环厚度，防止滑环变形产生泄漏。由于接触应力和接触宽度随液体压力增加而增加，接触宽度和接触应力的增加导致接触面面积增大，摩擦磨损严重，加速了密封件的破坏，导致密封失效，因此密封接触应力最大的唇部是密封圈磨损和热破坏的主要区域。

3 结论
    
    (1)对阶梯形滑环组合密封件进行了有限元分析，分析结果与理论研究完全相符，为后续研究滑环式组合密封打下了良好基础。
    
    (2)随滑环厚度增加，滑环抵御变形的能力增强，密封面处的接触应力增大。
    
    (3)随压缩量越大，密封件Von Mises应力增加，变形增大，接触应力出现突变。
    
    (4)随液体压力增加，O形圈和滑环变形增大，密封面处接触应力和接触宽度增加。