第 1 章 绪论
1.1 课题背景与意义
液压传动技术由于具有较大的功率密度、惯性小、响应快和可靠性高等优良特性于二战末期开始被广泛应用在航空航天领域，极大提升了当时飞机操纵系统的性能[1]。作动器作为液压系统的主要执行器，被应用于飞行器的升降舵、方向舵、舱门和起落架系统等各个部位，因此飞行器执行任务效率与其性能的好坏有直接联系。往复型密封件是液压系统的核心基础部件，在舵机等的操作、转向以及动力控制系统中起着重要的密封作用，其工作性能的优劣，直接影响到航空航天飞行器的性能和飞行安全。
作动器的密封一般包括动密封和静密封，而美国学者在上世纪 70 年代进行的大量研究数据表明，飞机作动筒损坏而达到必须维修更换程度的故障情况中，90%以上是由于动密封失效而引起的外泄漏[3]。动密封失效会引起密封腔内介质外泄，不仅会造成系统的传动效率降低、增加维修成本，更为严重的甚至会造成不可挽回的事故。比如美国F-100 飞机操纵系统由于往复动密封破损，橡胶碎块堵塞出油口，使飞机在俯冲转弯时发生自动偏舵，水平尾翼和方向舵无法控制，引起飞行失控[4]；我国火箭也曾因密封失效引起泄漏故障，而造成卫星不能准确进入轨道。
国家对航空航天、军工等方面的重视和大力扶持，针对航空液压系统的高压、高低温以及强振动等更为严苛的工况需求，使得对飞行器作动系统执行终端的作动器的可靠性特别是密封件的可靠性提出了更高的要求[5]。用在航空航天领域的密封元件分布广，材料和结构种类多，仅非金属密封件，如美国大力神Ⅱ洲际导弹就使用了橡胶密封件 340多项，分布 900 多处，且多数处于关键部位[6]。现代飞行器特别是军工用品，为防止气流不稳引起的震颤，提高飞行平稳性和多角度变速控制，要求有更高的应变速度、生存能力和能源利用率，而提高工作介质压力可直接减小液压系统的重量和体积，因此高压化成为航空航天液压的重要发展方向[7]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 往复密封材料本构模型研究现状
为使有限元模拟更为精确，首先需要对橡胶材料有更准确可靠的数学描述，因此在过去五十多年里人们对橡胶材料进行了不断的研究，但是由于它复合的分子结构，且对于环境温度、接触介质、应变量和负载情况等的变化极为敏感，同时它表现出的材料、几何和边界的三重非线性，使得建立精准的材料数学描述模型十分困难[14]。橡胶材料的使用和生产者为了生产设计，现已开发了复杂的数值分析技术，但这种数值分析的精确性与所使用的材料本构模型有着不可分割的联系，因此近十年，随着有限元分析技术的发展，使得大应变分析成为复杂弹性元件设计制造有效的方法，同时也对橡胶材料数学描述模型提出了更严苛的要求，促使描述橡胶材料的弹性本构模型得到进一步的发展[15]。而目前学者通常从以下三个方面来探讨橡胶材料复杂的非线性行为：在静态载荷下的非线性弹性行为；在循环周期荷载下的粘弹性行为；在预压缩后显现的应力松弛现象，即 Mullins 效应。
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第 2 章 实际安装状态下 O 形圈力学特性分析
2.1 引言
往复 O 形密封圈在安装过程中容易发生扭转或剪切损伤，因此对 O 形圈的安装，有例如需要在安装之前，检查是否加工有引入角，棱边是否倒角或倒圆；是否去除毛刺等要求；而在安装过程中也有需要使用无锐边的工具；保证 O 形圈不扭曲，且不得过量拉伸 O 形圈；通常使用辅助工具安装 O 形圈，并保证正确定位等要求。往复 O 形圈是否安装合格，是确保后续往复工作中不出现扭转失效、损伤泄漏等的前提，而目前对往复密封圈的安装这一过程的研究较少，国标对安装结构的尺寸要求较为宽泛。
因此本章通过分析建立更接近实际安装过程的轴向推进有限元分析模型，研究两种分析模型的差异，对密封的安装行为进行分析，预判密封安装过程的易失效部位，分析两种模型的适用范围；并进一步结合国标分析压缩率、引入角等因素对 O 形圈性能的影响，指出 O 形圈的最佳安装工况，以期在设计阶段为密封安装设计提供理论指导。
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2.2 O 形圈实际安装预压缩模型建立
O 形圈由于其材质的特性，易于划伤受损，因此为保证橡胶密封圈的有效性能，对密封圈的加工、储存、润滑状况、防尘和装配质量都有很高的要求，而往复动密封用橡胶 O 形圈更为易损，则需根据具体工况选择合适的密封型号，并且要有良好的装配情况，否则极容易在往复状态下发生滚动或扭转，或因黏着造成失效。因此针对 O 形圈的安装，需要在安装之前和安装过程中，检查是否加工有一定规格的引入角，棱边是否倒角或倒圆；是否去除毛刺；密封件和零件是否已涂抹润滑脂或润滑液；使用辅助无锐边工具安装；保证不扭曲、不过量拉伸 O 形圈；并保证正确定位等。如图 2-1 即为某发动机在组装过程中由于机油尺导管装入时推力过大，造成 O 形圈切削损坏，出现分层现象。
因此往复密封 O 形圈的正确安装极为重要，但是，不论是对 O 形圈的数值模拟还是实验研究[66]，国内外许多学者都忽视了对安装这一过程的探讨和研究。并且对于密封件的有限元分析研究中，普遍采用通过活塞杆或活塞的径向压缩实现密封圈过盈装配，这显然忽略了密封圈实际安装预压缩过程存在的行为变化。鉴于此，目前已有相关学者开展了考虑密封圈实际安装过程的有限元分析，但仅分析了轴向推进的有限元模型，并没有对安装过程的行为变化以及安装过程中各因素对 O 形圈的影响进行深入分析研究。
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3.1 引言 ···································· 27
3.2 往复 O 形密封圈实际使用失效案例分析 ······················· 27
3.3 往复 O 形圈密封系统结构优化方法及设计简介 ···················· 28
第 4 章 往复工作状态下 O 形圈力学特性分析 ··················· 49
4.1 引言 ························· 49
4.2 O 形圈往复动密封有限元分析模型建立 ························· 49
4.2.1 计算模型建立 ·························· 49
4.2.2 加载及边界条件设置 ································· 51
第 5 章 往复 O 形密封圈疲劳寿命预测 ································ 61
5.1 引言 ····································· 61
5.2 橡胶密封圈疲劳寿命预测方法简介 ······················ 64
第 5 章 往复 O 形密封圈疲劳寿命预测
5.1 引言
航空液压作动器特有的作动速度慢、及密封介质压力变化引起活塞杆往复的工作原理，使往复密封部件由于受到周期性交变压力介质的作用，长期高压工作情况下，疲劳失效的问题十分突出。据统计，作动器用橡胶密封圈 60%以上的失效是由于液压作动器往复运动时压力介质的反复挤压造成的，因此为保障飞行器的安全使用，和密封部件的可靠运行，必须对密封件的疲劳寿命进行估算。本章对不同的往复速度对密封圈疲劳寿命的影响进行研究；以及通过 APDL 编程实现了对密封圈与油液变化的接触部位施加周期性交变的介质压力，并对高压及超高压交变介质压力对往复密封疲劳寿命的影响进行了实时监测，由于试验条件的限制以及橡胶内部应力难以测量，因此本章利用断裂力学法对 O 形圈疲劳使用寿命进行了预测。
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第 6 章 总结与展望
6.1 结论
往复密封 O 形圈，被广泛运用于飞行器各个部位，但由于航空液压系统追求更高的压力、更快的反应速度，以及航空作动器用动密封面间频繁的相互滑动，严苛的工况环境使密封件极易磨损，密封的使用寿命极低，而目前对高压下作动器用往复密封的密封机理及性能的研究以及动密封的疲劳寿命的研究较少，为此本文以往复 O 形密封圈作为研究对象，结合具体失效案例及工程实际，首先对安装预压缩模型进行分析及参数优化，然后利用正交试验对密封系统进行结构优化，再建立优化后的参数模型，结合理论与有限元分析方法，对高压下往复密封的静、动密封性能及疲劳寿命进行研究分析。得出以下结论：
（1）在介质压力恒定、压缩率较大时，应力变化加剧，轴向推进预压缩有限元模型的最大 von Mises 应力小于径向压缩模型的最大值，因此，在压缩率较大时，需考虑安装过程，采用轴向推进模型进行研究设计更为合理。压缩率恒定，改变介质压力分析同样发现，采用轴向推进模型进行研究设计更为可靠，因此本文所有研究均基于此模型进行。
（2）通过轴向推进模型，对往复密封安装过程进行深入研究发现，在安装状态下，O 形密封圈的各应力变化均存在一个明显的安装峰值，比安装完成后的应力值超出150%-200%，而较大的安装应力容易引起密封圈的材料损伤和永久变形的情况出现，因此对安装过程的操作参数和安装结构分别进行分析发现，改变压缩率和摩擦系数可直接改变安装应力峰值的大小，且峰值随两参数的减小而减小；改变引入角角度 θ 和引入角内端圆角 R1可使安装应力峰值随着 R1值的增大而减小，而改变引入长度 Z 只会改变安装峰值出现的时间而不会改变其值大小。而最优引入角角度 θmin=5°，但基于实际加工工艺、精度等局限，只需加工角度 θ 越小越好，引入角内端圆角 R1加工大于 3 mm 时，安装性能较优。
（3）高压 21 MPa 和超高压 35 MPa 下，影响密封圈可靠性各因素的主次顺序基本均呈下列趋势，密封圈的操作工况参数对其密封性能的影响最大，其次是挡圈结构及安装状态，最小是沟槽结构参数。且在高压工况下，挡圈的作用愈发显著。且以保证密封的基础上，减小往复密封在较高介质压力下的各力学参数值为优化目标，基于正交试验方法得到一组适用于高压和超高压工况的优化设计参数：沟槽口倒角半径 0.4 mm，沟槽底倒角半径 0.4 mm，挡圈内径倒角 0.05 mm，挡圈外径倒角 0.4 mm，挡圈宽度 2.5 mm，密封间隙 0.06 mm，压缩率为 12%，拉伸率 3%。
参考文献（略）