矩形密封圈應(yīng)力和接觸壓力的影響因素

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(1.武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院， 湖北 武漢　430081；2.武漢科技大學(xué) 冶金裝備及其控制教育部重點實驗室， 湖北 武漢　430081)

引言

葉片式液壓擺動油缸的旋轉(zhuǎn)密封與葉片密封耦合處，通常采用O形截面橡膠密封圈[1]，其耦合面容易產(chǎn)生空隙，難以達到預(yù)期的密封效果。矩形橡膠密封圈以其結(jié)構(gòu)簡單、互換性好等特點可用來替代O形密封圈，取得較好的密封效果。近來，國內(nèi)外學(xué)者對橡膠密封圈的密封機理及性能做了許多研究。譚晶等分析比較了O形密封圈和矩形密封圈的密封性能及影響因素[2-4]。周志鴻研究了預(yù)壓縮率和油壓對O形圈變形與受力的影響，得到預(yù)壓縮率和油壓對Von-Mises(以下簡稱范·米塞斯)應(yīng)力分布及接觸壓力影響規(guī)律[5]， 楊春明分析了O形截面密封圈密封間隙、 油壓對范·米塞斯應(yīng)力和密封面最大接觸壓力的影響，以及它們之間的相互關(guān)系[6]。俞魯五分析了一種靜密封用密封件——矩形密封圈，闡述了矩形密封圈的工作機理和特點，并與O形密封圈進行了對比[7]。根據(jù)已有文獻的研究，矩形密封圈在較高介質(zhì)壓力下的擠出現(xiàn)象及防止措施研究并沒有受到關(guān)注。本研究以DK矩形密封圈為研究對象，建立密封結(jié)構(gòu)的二維軸對稱模型，利用大型有限元軟件ABAQUS研究該矩形密封圈在不同預(yù)壓縮量和不同介質(zhì)壓力下的范·米塞斯應(yīng)力及其在密封面上的接觸壓力分布情況。

1　矩形密封圈接觸壓力模型

1.1　計算模型

研究選用DK系類矩形密封圈，尺寸：截面寬w=5.16 mm，內(nèi)徑d= 114 mm，缸體倒角r=0.3°。

圖1　計算模型

1.2　密封圈材料

密封圈材料為丁腈橡膠(NBR)，硬度為IRHD85。

由于橡膠具有可高度變形，是超彈性體且近似不可壓縮等特點，密封結(jié)構(gòu)具有高度非線性，因此在本研究中做了如下假設(shè)：

① 矩形密封圈蠕變不引起體積變化；

② 矩形密封圈材料的拉伸與壓縮蠕變性質(zhì)相同；

③ 矩形密封圈受到的橫向壓縮視為由約束邊界的指定位移引起的。

選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠超彈性材料的力學(xué)特性，其函數(shù)表達為：

W=C1(I1-3) +C2(I2-3)

材料常數(shù)C1和C2分別取1.87和0.47[2]。

1.3　有限元模型

采用有限元軟件Abaqus，利用自身的網(wǎng)格劃分功能，建立有限元模型如圖2所示，單元類型為平面軸對稱CAX4RH單元。通過對模型中缸體施加x方向上的位移載荷來模擬矩形密封圈徑向受壓的預(yù)壓縮過程，密封圈與缸體之間選用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.1[8]；在矩形密封圈與密封介質(zhì)接觸的表面施加均勻分布的壓力載荷p，來模擬介質(zhì)壓力。

根據(jù)實際加工情況考慮，擋圈的厚度取1 mm，擋圈材料選用PTFE，彈性模量為500 MPa，泊松比為0.4，擋圈徑向不受壓縮，截面寬度為密封圈受壓縮后的截面寬度。

圖2　無擋圈有限元模型

圖3　帶有擋圈的有限元模型

2　結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1　不同介質(zhì)壓力下無擋圈密封圈的應(yīng)力

影響密封圈最大等效應(yīng)力的因素主要有：密封圈的壓縮率、介質(zhì)壓力、密封圈間隙處倒角、摩擦系數(shù)等。主要研究了壓縮率與介質(zhì)壓力對最大范·米塞斯應(yīng)力和密封面接觸壓力的影響。根據(jù)DK系列密封圈的標(biāo)準要求，壓縮量在0.28～0.58 mm之間，取壓縮量為0.58 mm，通過對密封圈與介質(zhì)接觸的表面施加不同的載荷，分別得到矩形密封圈在5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa介質(zhì)壓力下的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

范·米塞斯應(yīng)力反映了截面上各主應(yīng)力差值的大小，一般來說，范·米塞斯應(yīng)力越大，越會加速橡膠材料的松弛，造成剛度下降，容易出現(xiàn)裂紋[8]。

由于密封間隙的存在，密封圈被擠入密封間隙，由圖4可以看出隨著介質(zhì)壓力的增加，密封圈的擠出變形量也在增加。矩形密封圈的最大范·米塞斯應(yīng)力，主要集中在間隙處橡膠變形較大位置。其他部位的范·米塞斯應(yīng)力分布較均勻，沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象，符合材料的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。且根據(jù)圖5可知，在其他條件不變的情況下，最大范·米塞斯應(yīng)力p隨著壓縮量x的增加而增加，且?guī)缀醭删€性增長。

圖4　無擋圈時密封圈在不同介質(zhì)壓力條件下的應(yīng)力分布云圖

圖5　預(yù)壓縮量與最大范·米塞斯應(yīng)力曲線

2.2　密封間隙對密封圈應(yīng)力的影響分析

由于轉(zhuǎn)子和定子為間隙配合，在加工精度一定的條件下，密封間隙會直接影響到密封圈的擠出量，進而影響到密封圈上范·米塞斯應(yīng)力值的大小及分布情況。通過設(shè)置不同的密封間隙，在保證其他條件不變的情況下，得到密封間隙x1與矩形密封圈上最大范·米塞斯應(yīng)力值的關(guān)系，如圖6所示。

圖6　密封間隙與密封圈上最大范·米塞斯應(yīng)力關(guān)系曲線

可見隨著密封間隙的增大，密封圈上的最大等效應(yīng)力也隨之增大。這是由于隨著密封間隙的增大，密封圈的擠出量也增加，橡膠密封圈的變形量就越大，根據(jù)橡膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，橡膠變形量超過一定值的時候，最大等效應(yīng)力就會呈指數(shù)增加，圖6的曲線與此規(guī)律吻合。因此，為了防止密封擠出，降低密封圈上的范·米塞斯應(yīng)力，應(yīng)盡量減小密封間隙。在其他條件相同時，不同介質(zhì)壓力下的密封圈最大范·米塞斯應(yīng)力變化曲線如圖7所示，隨著介質(zhì)壓力的提高，最大等效應(yīng)力也不斷增加，且?guī)缀醭示€性增加。密封圈上密封面的接觸壓力大小反應(yīng)了密封圈的密封能力，以轉(zhuǎn)子與密封圈接觸面為研究對象，得到不同的介質(zhì)壓力條件下該密封面上的接觸壓力pc曲線，圖8所示。

圖7　不同介質(zhì)壓力條件下的最大范·米塞斯應(yīng)力

圖8　不同介質(zhì)壓力下沿Y軸方向接觸面上接觸壓力

密封面上的接觸壓力pc是由預(yù)壓縮時的橡膠反彈力p0和介質(zhì)壓力pm共同作用產(chǎn)生，即[4]：

pc=p0+kpm

圖8與圖9的結(jié)果分析曲線與之吻合。隨著介質(zhì)壓力的增加，密封面上的接觸壓力也是不斷增加，接觸面上沿Y軸方向，密封圈的接觸壓力在初始位置較低，只有少量單元接觸壓力小于介質(zhì)壓力，隨著Y軸接觸面長度值的不斷增加，密封面接觸壓力穩(wěn)定在大于介質(zhì)壓力值的一個水平，在靠近介質(zhì)的地方，接觸壓力最高，可見密封面上的接觸壓力能夠滿足密封要求。但是預(yù)壓縮量過大，橡膠的焦耳效應(yīng)就越明顯，也會嚴重影響密封圈的使用壽命，要選擇合適的密封圈預(yù)壓縮量。橡膠密封圈中，應(yīng)力值較大的區(qū)域，密封材料越容易產(chǎn)生裂紋，隨之產(chǎn)生密封圈的破壞，最終導(dǎo)致密封失效，密封圈中的集中應(yīng)力嚴重影響了密封圈的使用壽命，因此在動密封中，矩形密封圈的預(yù)壓縮量應(yīng)當(dāng)取較小值。

圖9　密封面上最大接觸壓力和預(yù)壓縮量的關(guān)系曲線

2.3　擋圈對密封圈應(yīng)力分布的影響

采用在密封圈下方增添擋圈的方式來優(yōu)化密封圈上的應(yīng)力集中情況。根據(jù)所建立的有限元模型并求解，得到在不同介質(zhì)壓力下配有擋圈的密封圈應(yīng)力分布云圖，如圖10所示。

圖10　密封圈配有擋圈時，不同介質(zhì)壓力下的應(yīng)力分布云圖

可見矩形密封圈配合擋圈使用時，密封圈上的應(yīng)力為均勻分布，無應(yīng)力集中，應(yīng)力集中于擋圈與缸體底部倒角位置，但由于擋圈的硬度較大，并沒有擠出現(xiàn)象，密封圈上的應(yīng)力分布得到了明顯優(yōu)化，擠出現(xiàn)象得到有效防止。

圖11為在20 MPa介質(zhì)壓力時，沿Y軸方向上，與轉(zhuǎn)子接觸的密封面上接觸壓力的分布曲線，可見密封面上的接觸壓力分布和大小與未加擋圈時幾乎是一樣的，這說明橡膠密封圈的接觸面上的密封能力沒有發(fā)生變化。擋圈與轉(zhuǎn)子的接觸面壓力小于介質(zhì)壓力，說明擋圈只起到支承密封圈，有效防止密封圈的擠出效應(yīng)，并不起密封作用。

圖11　20 MPa介質(zhì)壓力時密封面上的接觸壓力變化

3　結(jié)論

1) 矩形橡膠密封圈的應(yīng)力集中在靠近缸體底部倒角的位置，最大范·米塞斯應(yīng)力隨著介質(zhì)壓力和預(yù)壓縮量的增加而增加，且與密封間隙呈近似指數(shù)關(guān)系，分析結(jié)果符合橡膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線規(guī)律，應(yīng)盡量減小密封間隙。

2) 矩形橡膠密封圈的密封面接觸壓力分布較均勻，最大接觸壓力隨著介質(zhì)壓力和預(yù)壓縮量的增加而增加，且近似呈線性關(guān)系，用做旋轉(zhuǎn)密封時，選用較小的預(yù)壓縮量。

3) 矩形密封圈配合擋圈使用，擋圈并不起密封作用，但可以在不改變密封能力的前提下，防止密封擠出，明顯改善矩形密封圈的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而延長密封圈的使用壽命。

參考文獻：

[1]蔣國璋,陳少華,謝良喜,等.O形旋轉(zhuǎn)密封圈的密封性能有限元分析[J].機械設(shè)計與制造,2014,(6):178-181.

[2]譚晶,楊衛(wèi)民,等.O形橡膠密封圈密封性能的有限元分析[J].潤滑與密封密,2006,(9):65-69.

[3]陳國定,Haiser H,Hass W,等.O形密封圈的有限元力學(xué)分析[J].機械科學(xué)與技術(shù),2000,19(5):740-742.

[4]譚晶,楊衛(wèi)民,丁玉梅,等.矩形橡膠密封圈的有限元分析[J].潤滑與密封,2007,32(2):36-39.

[5]周志鴻,張康雷.O形橡膠密封圈應(yīng)力與接觸壓力的有限元分析[J].潤滑與密封,2006,(4)：86-89.

[6]楊春明,謝禹鈞,韓春雨.基于Ansys的橡膠O形密封圈密封性能的有限元分析[J].石油與化工設(shè)備,2010,13(4):21-24.

[7]俞魯五．介紹一種靜密封用密封件——矩形密封圈[J]．流體傳動與控制，2006,(3):44-46.

[8]劉健，仇性啟，薄萬順，等．橡膠O形密封圈最大接觸壓力數(shù)值分析[J].潤滑與密封,2010,(9):41-44.