O型橡膠密封圈動(dòng)密封應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

張心怡,賈均紅,高颯颯,李洪春,李東升,楊曉東

(1. 陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710021;2. 西安航天動(dòng)力研究所 陜西省特種密封技術(shù)工程研究中心,西安 710100)

O型橡膠密封圈因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,密封性能良好,可作往復(fù)運(yùn)動(dòng)和低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),廣泛應(yīng)用于航空航天密封機(jī)構(gòu)中。由于O型橡膠密封圈的實(shí)際使用工況較為復(fù)雜,極易出現(xiàn)密封失效的情況,將直接影響機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如1986 年美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào),由于橡膠 O 型密封圈失效導(dǎo)致燃?xì)庑孤┰斐珊教祜w機(jī)爆炸。2007年美國(guó)“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)由于船艙密封結(jié)構(gòu)泄漏問題導(dǎo)致無法正常發(fā)射[1]。因此,橡膠密封件密封性能的預(yù)測(cè)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行至關(guān)重要。為探究橡膠密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的密封性能,孫冬花等[2]通常采用實(shí)驗(yàn)的方法,不僅效率低、成本高,特別是針對(duì)復(fù)雜的邊界條件,無法給出密封結(jié)構(gòu)精確的性能參數(shù)。因此,采用數(shù)值仿真方法研究O型橡膠密封圈在不同工況下的變形及應(yīng)力分布情況,對(duì)其失效情況的預(yù)判并及時(shí)調(diào)整密封參數(shù)具有重要意義。

近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)O型橡膠密封圈開展了一系列分析研究。馮智猛等[3]提出一種真空用O型橡膠密封圈設(shè)計(jì)計(jì)算方法。冷獻(xiàn)春等[4]運(yùn)用ANSYS對(duì) O 型密封圈密封結(jié)構(gòu)的系列離散參數(shù)進(jìn)行了仿真分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證,并針對(duì)某天線罩的O型密封圈密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。楊喜軍等[5]根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)硅橡膠密封圈材料的加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用逐次逼近以及數(shù)據(jù)擬合方法,獲得硅橡膠老化反應(yīng)速率以及老化性能隨貯存時(shí)間的變化規(guī)律。張力偉等[6]為了解決O型密封圈的貯存壽命預(yù)測(cè)問題,提出將氧化誘導(dǎo)期(OIT)作為性能變化指標(biāo)來推算三元乙丙橡膠O型密封圈的貯存壽命。王恒等[7]利用有限元軟件 ANSYS 對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的 O 形橡膠密封圈進(jìn)行了有限元仿真分析,探討了不同工作壓力下 O 形密封圈和擋圈結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力分布,結(jié)果表明應(yīng)力峰值集中于密封圈與擋圈接觸區(qū)域。郭建偉等[8]建立了橡膠O形密封圈的ANSYS超彈性非線性有限元模型,確定了導(dǎo)致高壓下密封圈間隙咬傷的密封失效準(zhǔn)則和失效判據(jù)。王東輝等[9]針對(duì)柔性密封艙在太空環(huán)境中存在的密封問題,提出了一種柔性艙O型密封結(jié)構(gòu),利用ANASYS軟件分析了預(yù)裝時(shí)壓縮率的變化對(duì)其密封性能的影響,研究表明隨著預(yù)壓縮率及柔性艙內(nèi)壓增加,最大接觸應(yīng)力與 Von Mises 應(yīng)力都隨之增大。樂澤鋅等[10]利用 ANSYS 有限元分析軟件模擬了不同環(huán)境壓力對(duì) O 型密封圈密封性能的影響,證明了外界壓力越大,O型密封圈的接觸應(yīng)力越大。張鎮(zhèn)國(guó)等[11]研究了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中往復(fù)式密封圈組合結(jié)構(gòu)中活塞在不同的運(yùn)動(dòng)速率下的最大應(yīng)力值的變化規(guī)律。K?mmling等[12]分別對(duì)O型橡膠圈在壓縮和未壓縮狀態(tài)下于不同溫度下進(jìn)行了老化5年的試驗(yàn),對(duì)密封性能進(jìn)行預(yù)測(cè),但在密封圈實(shí)際使用中,影響其性能的因素是隨機(jī)分布的,因此Liang等[13]提出了一種基于可靠性的方法來分析橡膠材料參數(shù)的隨機(jī)性對(duì)O形密封圈密封性能的影響,結(jié)果表明材料和幾何參數(shù)對(duì)橡膠O形圈的可靠性影響較大。Liu等[14]對(duì)密封結(jié)構(gòu)的失效模式和失效判據(jù)進(jìn)行了研究,找出了其失效機(jī)理,并進(jìn)行應(yīng)力分布的分析,建立了老化狀態(tài)與密封條件之間的關(guān)系。潘帥等[15]對(duì)橡膠密封圈的失效形式及其預(yù)防進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述。上述研究均對(duì)橡膠密封圈的密封性能進(jìn)行了探討,多數(shù)局限于單因素對(duì)O型橡膠密封圈密封性能的影響,而在動(dòng)密封條件下,特別是在預(yù)裝過程和往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,影響O型密封圈動(dòng)密封性能的因素很多,如密封圈橡膠材料的硬度、摩擦力、預(yù)裝壓縮率、介質(zhì)壓力等,這些因素對(duì)O型橡膠密封圈密封性能的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究。

本文借助ABAQUS有限元軟件,建立O型橡膠密封圈的二維軸對(duì)稱模型,通過對(duì)比3種不同橡膠材料(三元乙丙橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠)密封圈的最大Von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力,選擇其中密封性能較好的材料進(jìn)一步系統(tǒng)探究往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封條件下不同預(yù)裝壓縮率、摩擦因數(shù)、介質(zhì)壓力等對(duì)密封圈的最大Von Mises應(yīng)力(衡量O型橡膠密封圈的破損失效和疲勞失效)和最大接觸應(yīng)力(衡量密封結(jié)構(gòu)的密封性能)的影響,進(jìn)一步為橡膠密封件的密封失效提供數(shù)據(jù)判據(jù),本研究可為實(shí)際服役條件下O型橡膠密封圈材料選擇及往復(fù)運(yùn)動(dòng)下動(dòng)密封的參數(shù)調(diào)控提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1 橡膠密封圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

本文中橡膠密封圈的密封形式屬于動(dòng)密封,是發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的缸套和活塞兩個(gè)密封件之間的一種密封形式,如圖1所示,密封圈受到活塞和缸套的相互擠壓后發(fā)生變形達(dá)到密封效果。

圖1 密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of seal structure

O型橡膠密封圈應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,在實(shí)際工作中會(huì)受到流體介質(zhì)的作用而影響密封性能,其密封效果會(huì)受到壓縮率、介質(zhì)壓力及橡膠材料的硬度和摩擦因數(shù)等因素的影響。因此,在實(shí)際密封結(jié)構(gòu)中,應(yīng)根據(jù)不同的工況條件,充分考慮各種因素對(duì)密封效果的影響,保證密封的可靠性與設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 有限元分析模型

橡膠材料屬于超彈性非線性材料,對(duì)O型橡膠密封圈的密封性能進(jìn)行有限元分析時(shí),為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要采用合適的本構(gòu)模型來準(zhǔn)確描述材料的力學(xué)行為,從而建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 橡膠材料的本構(gòu)模型

Mooney-Rivlin模型[16]可以較為精確的描述橡膠材料的超彈性特性,為了表征橡膠材料的非線性行為,本文采用Mooney-Rivlin模型,其簡(jiǎn)化后的函數(shù)表達(dá)式為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中:W為應(yīng)變能密度;I1和I2為第一、第二應(yīng)變張量;C10和C01為材料的 Mooney-Rivlin系數(shù)。

橡膠材料的Mooney-Rivlin系數(shù)C10和C01直接影響著O型橡膠密封圈的應(yīng)力分布,其值是通過橡膠試樣進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)[17-18],并在ABAQUS中進(jìn)行曲線擬合來獲取的。本文中得到不同硬度下橡膠材料的C10和C01值如表1所示。

表1 不同材料橡膠的C10和C01的值Tab.1 C10 and C01 values for rubber of different materials

2.2 密封結(jié)構(gòu)的有限元模型

利用ABAQUS有限元分析軟件建立O型橡膠密封圈的二維軸對(duì)稱有限元模型,基本假設(shè)為:

1) 缸套和活塞試樣的彈性模量是橡膠的幾萬倍,可視缸套和活塞試樣為剛體結(jié)構(gòu)。

2) O型橡膠密封圈材料視為不可壓縮材料。

3) 橡膠密封圈密封結(jié)構(gòu)按照軸對(duì)稱問題處理。

本文將在ABAQUS有限元軟件中分別建立O型橡膠密封圈、活塞試樣以及缸套的二維軸對(duì)稱有限元模型。如圖2所示,選擇常規(guī)應(yīng)用廣泛的O型橡膠密封圈的尺寸參數(shù)為?7.5 mm×3.55 mm。在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中,我們規(guī)定O型橡膠密封結(jié)構(gòu)的工作行程為活塞的左向運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)能行程為活塞的右向運(yùn)動(dòng)。

圖2 O型橡膠密封圈的有限元模型Fig.2 Finite element model of O-ring rubber seal

O型橡膠密封圈的工作情況可分為2個(gè)過程:密封圈過盈裝配的預(yù)壓縮過程和密封圈隨著缸套往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程。首先,給活塞試樣一定的徑向位移,使得密封圈被壓縮,從而實(shí)現(xiàn)O型密封圈過盈預(yù)裝的過程。其次,給活塞上設(shè)置一定的軸向位移,使其做往復(fù)運(yùn)動(dòng),模擬橡膠密封圈往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程。

橡膠密封結(jié)構(gòu)中密封凹槽和活塞軸與O型橡膠圈圈的接觸問題可以看作是剛體與柔體的面面接觸,在有限元分析中分別定義活塞試樣與O型橡膠密封圈的接觸以及缸套試樣與密封圈的接觸2個(gè)接觸對(duì),缸套面和活塞面作為接觸主面,而O型橡膠密封圈作為接觸從面。采用線性縮減積分單元CPS4R,并在O型橡膠密封圈與剛體接觸的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,然后利用ABAQUS接觸求解中的罰函數(shù)法來進(jìn)行分析計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

本文主要研究密封圈的預(yù)裝過程及其往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中不同的材料硬度、壓縮率、摩擦因數(shù)、介質(zhì)壓力對(duì)其密封性能的影響。在對(duì)O型橡膠密封圈密封性能進(jìn)行有限元模擬時(shí),主要是對(duì)其在不同工況下的Von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力進(jìn)行分析。Von Mises應(yīng)力主要用來衡量O型橡膠密封圈的破損失效和疲勞失效。一般情況下,在Von Mises應(yīng)力越大的部位,橡膠密封件越容易出現(xiàn)密封失效的情況,因?yàn)樵诖颂幭鹉z密封圈很有可能出現(xiàn)缺損、斷裂等破壞。而當(dāng)接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力時(shí),認(rèn)為密封結(jié)構(gòu)可以保證良好的密封性能。

3.1 材料硬度的影響

航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的橡膠材料主要有三元乙丙橡膠、氟橡膠以及丁腈橡膠,其邵氏硬度及其楊氏模量E如表2所示。

表2 不同橡膠材料參數(shù)Tab.2 Parameters of different rubber materials

在不考慮溫度的影響下,對(duì)丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、氟橡膠這3種材料的O型橡膠密封圈的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行有限元分析,分析不同材料橡膠密封圈的最大應(yīng)力分布情況,探究不同硬度的橡膠材料對(duì)動(dòng)密封過程中密封性能的影響規(guī)律。

圖3描述了橡膠密封圈在往復(fù)動(dòng)密封分析中3個(gè)分析步相應(yīng)的工作過程。圖4為不同O型橡膠密封圈的最大Von Mises應(yīng)力變化圖,可以看到,在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中,不同類別O型橡膠密封圈的最大Von Mises應(yīng)力值變化趨勢(shì)相似,其中丁腈橡膠承受的應(yīng)力值相對(duì)較大。

圖3 橡膠密封圈在往復(fù)動(dòng)密封中的工作過程Fig.3 The working process of rubber sealing ring in reciprocal sealing

圖4 不同材料O型橡膠密封圈的最大Von Mises應(yīng)力變化Fig.4 The maximum Von Mises stress change of O-ring rubber seals of different materials

在開始很短的時(shí)間內(nèi),曲線斜率較大,且Von Mises應(yīng)力值隨時(shí)間的增大而增大,這是由于預(yù)裝過程對(duì)Von Mises應(yīng)力的影響較大, 導(dǎo)致Von Mises應(yīng)力值迅速增大。當(dāng)O型橡膠密封圈開始向右的行程時(shí),其Von Mises應(yīng)力值有輕微的增大,這是由于此時(shí)O型橡膠密封圈與運(yùn)動(dòng)活塞間的切向的靜摩擦轉(zhuǎn)為了動(dòng)摩擦,當(dāng)其處于穩(wěn)定的動(dòng)摩擦的狀態(tài)中,其Von Mises應(yīng)力值也趨于穩(wěn)定。當(dāng)O型橡膠密封圈到達(dá)儲(chǔ)能行程終點(diǎn)時(shí),其最大Von Mises應(yīng)力值又會(huì)有所增大,這是由于活塞倒角對(duì)O型密封圈的擠壓使得密封圈承受的應(yīng)力集中,如圖5所示,Von Mises應(yīng)力到達(dá)一個(gè)峰值。然后,往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作行程開始,O型橡膠密封圈又會(huì)隨著活塞一起運(yùn)動(dòng),此時(shí)橡膠密封圈處于靜摩擦狀態(tài),其最大Von Mises應(yīng)力值有所降低,當(dāng)?shù)竭_(dá)行程的終點(diǎn)時(shí),其最大Von Mises應(yīng)力值增大到另一個(gè)極值。

圖5 活塞倒角對(duì)O型密封圈的擠壓變形應(yīng)力云圖Fig.5 Compression deformation stress nephogram of piston chamfer on O-ring seal

圖6顯示了3種O型橡膠密封圈的最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力值的對(duì)比情況,從圖中可以比較直觀地看出在3種橡膠中,丁腈橡膠密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的最大接觸應(yīng)力值最大,這對(duì)其在往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封中的密封效果十分有利,其密封性能會(huì)相對(duì)于三元乙丙橡膠和氟橡膠較好一些;但其在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的最大Von Mises應(yīng)力值也相對(duì)較大,所以在丁腈橡膠的實(shí)際工況使用中,應(yīng)特別注意其缺損、斷裂所導(dǎo)致的失效。

圖6 往復(fù)運(yùn)動(dòng)中不同橡膠的應(yīng)力對(duì)比Fig.6 Comparison of stress of different rubbers in reciprocal motion

3.2 壓縮率的影響

3.2.1 壓縮率的計(jì)算

工作時(shí)O型橡膠密封圈將安裝在缸套凹槽中,通過對(duì)其擠壓實(shí)現(xiàn)密封。安裝時(shí),對(duì)O型橡膠密封圈施加預(yù)壓力,使其發(fā)生變形達(dá)到密封效果。O型橡膠密封圈與密封槽尺寸正確配合所形成的壓縮量是影響其密封效果的關(guān)鍵因素之一。O型密封圈壓縮率(ε)的表達(dá)式為

(2)

式中:D為O型橡膠圈壓縮前的截面直徑;H為O型密封圈壓縮后的截面高度。

3.2.2 密封圈的預(yù)裝過程

O型橡膠密封圈在預(yù)裝過程中被壓縮使其產(chǎn)生應(yīng)力,本文中的O型密封圈選取硬度為80、泊松比為0.499的丁腈橡膠,圖7為丁腈O型橡膠圈在預(yù)裝過程中的應(yīng)力云圖。

圖7 預(yù)壓縮時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram during precompression

當(dāng)橡膠材料的硬度一定時(shí),在無介質(zhì)壓力時(shí)給其一定的徑向壓縮,可以看到O型密封圈呈鼓型被壓縮,且在O型密封圈與活塞和缸套軸接觸面上的Von Mises應(yīng)力最大,符合橡膠密封圈在實(shí)際預(yù)裝過程中的應(yīng)力分布情況。為防止O型橡膠密封圈產(chǎn)生過大的變形破壞,應(yīng)在保證密封條件下選擇盡可能小的壓縮量。

3.2.3 不同壓縮率的影響

本文中的往復(fù)式O型橡膠密封圈在實(shí)際工況下的壓縮率范圍一般在10%～15%之間,因此分別選取壓縮率為10%、12.5%、15%,分析其最大接觸應(yīng)力和最大Von Mises應(yīng)力對(duì)密封圈應(yīng)力分布的影響。 圖8為壓縮率對(duì)最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的影響。

圖8 壓縮率的影響Fig.8 The effect of compression rate

由圖8可以看出:在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,O型橡膠密封圈的最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力都隨著壓縮率的增大而增大,且最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在O型密封圈與活塞接觸的位置,這是由于活塞的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)使O型橡膠密封圈在其接觸面上產(chǎn)生摩擦,Von Mises應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致橡膠圈密封失效。隨著接觸應(yīng)力的增大,O型橡膠密封圈的密封效果會(huì)更好,但若初始?jí)嚎s率過大其殘余變形將增大,O型橡膠密封圈更容易產(chǎn)生損傷導(dǎo)致密封失效。因此,在O型橡膠密封圈往復(fù)運(yùn)動(dòng)的預(yù)裝過程中,合理選擇壓縮率范圍對(duì)其密封效果至關(guān)重要。

3.3 摩擦因數(shù)的影響

當(dāng)O型橡膠密封圈用于往復(fù)動(dòng)密封時(shí),其相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦就必須加以考慮,以防止由于摩擦而導(dǎo)致的密封失效。圖9為不同摩擦因數(shù)下O型橡膠密封圈的最大Von Mises應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線,從圖中可以看出在往復(fù)運(yùn)動(dòng)開始后,Von Mises應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的增大而增大。

圖9 不同摩擦因數(shù)下的最大Von Mises應(yīng)力隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of maximum Von Mises stress with time under different friction coefficients

在預(yù)壓過程中Von Mises應(yīng)力值迅速增大,摩擦因數(shù)對(duì)其應(yīng)力值無影響。在第一個(gè)拐點(diǎn)處,往復(fù)運(yùn)動(dòng)的儲(chǔ)能行程開始,最大Von Mises應(yīng)力值開始緩慢增大,O型橡膠密封圈將隨活塞一起向右運(yùn)動(dòng),摩擦因數(shù)越大,其Von Mises應(yīng)力值越大。當(dāng)O型橡膠密封圈與右側(cè)密封凹槽的內(nèi)壁接觸時(shí),密封圈與運(yùn)動(dòng)的活塞變?yōu)榉€(wěn)定的動(dòng)摩擦,所以其Von Mises應(yīng)力值不變。當(dāng)行程即將結(jié)束時(shí),其最大Von Mises應(yīng)力值增大并達(dá)到一個(gè)峰值,這是因?yàn)榛钊膭?dòng)摩擦力使O型橡膠圈有被擠入密封間隙的趨勢(shì),摩擦因數(shù)越大,峰值越大。接著,往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作行程開始,O型橡膠密封圈開始隨活塞向左運(yùn)動(dòng),其最大Von Mises應(yīng)力在這個(gè)過程中先有下降的趨勢(shì)然后又有所上升,這是因?yàn)榇藭r(shí)橡膠密封圈隨活塞的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生靜摩擦,隨后,當(dāng)O型橡膠圈與左側(cè)密封槽內(nèi)壁接觸時(shí)又變?yōu)閯?dòng)摩擦,當(dāng)建立起穩(wěn)定的動(dòng)摩擦狀態(tài)后,其最大Von Mises應(yīng)力值將趨于穩(wěn)定,隨著工作行程的結(jié)束,其最大Von Mises應(yīng)力值又達(dá)到一個(gè)峰值。

從圖10可以看到,最大Von Mises應(yīng)力隨著摩擦因數(shù)的增大而增大,但最大接觸應(yīng)力與摩擦因數(shù)的大小無關(guān),因此較大的摩擦因數(shù)也會(huì)導(dǎo)致O型橡膠密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象而破損,因此必須具有合適的摩擦因數(shù)才能保證良好的往復(fù)動(dòng)密封性能。

圖10 最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的變化Fig.10 Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with friction coefficient

3.4 介質(zhì)壓力的影響

橡膠密封圈應(yīng)用于航天航空機(jī)構(gòu)中需要承受一定的介質(zhì)壓力,本文中的O型橡膠密封圈需要承受的介質(zhì)壓力范圍為0～10 MPa。

選取2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa的介質(zhì)壓力,分別在不考慮溫度且保持壓縮率一致的條件下對(duì)丁腈橡膠進(jìn)行數(shù)值模擬,探究不同的介質(zhì)壓力對(duì)O型橡膠密封圈動(dòng)密封性能的影響。

從圖11中橡膠密封圈的最大Von Mises應(yīng)力在不同介質(zhì)壓力下的分布情況可以看出,介質(zhì)壓力的增大使動(dòng)密封下的O型橡膠密封圈Von Mises應(yīng)力提高,且橡膠密封圈有部分被擠入密封間隙,這與文獻(xiàn)[11]中介質(zhì)加壓時(shí)的情況相似。此外,在工作行程和儲(chǔ)能行程中,最大應(yīng)力均出現(xiàn)在密封圈與缸套密封槽壁接觸的拐角部位,與實(shí)際使用中橡膠密封圈易發(fā)生密封失效的位置基本一致。隨著介質(zhì)壓力的增大,橡膠密封圈被擠入間隙的趨勢(shì)更為明顯。

圖11 不同介質(zhì)壓力下橡膠密封圈的Von Mises應(yīng)力分布Fig.11 Von Mises stress distribution of rubber seals under different medium pressures

圖12為O型橡膠密封圈往復(fù)行程中最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的變化關(guān)系曲線,由曲線可以看出隨著介質(zhì)壓力的升高密封圈的最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力也隨之增大,因此在實(shí)際工作中,應(yīng)在工況范圍內(nèi)選擇合理的介質(zhì)壓力,避免O型橡膠密封圈的摩擦加劇。

圖12 最大Von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的變化Fig.12 Variation of maximum Von Mises stress and maximum contact stress with medium pressure

4 結(jié)論

本文建立了O型橡膠圈密封結(jié)構(gòu)的二維有限元軸對(duì)稱模型,通過分析其最大 Von Mises 應(yīng)力以及最大接觸應(yīng)力來研究往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中材料硬度、預(yù)壓縮率、摩擦因數(shù)、介質(zhì)壓力等因素對(duì)O型橡膠密封圈密封性能影響。

1) 通過對(duì)比不同材料橡膠圈的性能,丁腈橡膠能承受相對(duì)較大的應(yīng)力載荷,相比于三元乙丙橡膠和氟橡膠,丁腈橡膠適用于較高工作壓力下的密封。

2) 在預(yù)壓縮的過程中,O型橡膠密封圈被壓縮而發(fā)生變形呈鼓形,最大的Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在密封圈與密封凹槽和活塞軸接觸位置。隨著接觸應(yīng)力的增大,O型橡膠密封圈的密封效果會(huì)更好,但初始?jí)嚎s率過大,會(huì)使橡膠密封圈的殘余變形增大,O型橡膠密封圈更容易產(chǎn)生損傷導(dǎo)致其失效。

3) 摩擦因數(shù)也會(huì)對(duì)密封圈的密封性能產(chǎn)生影響。在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,較大的摩擦因數(shù)也會(huì)導(dǎo)致O型橡膠密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)應(yīng)力集中而發(fā)生損傷,因此必須選取合適的摩擦因數(shù)以保證良好的往復(fù)動(dòng)密封性能。

4) 在動(dòng)密封條件下,隨著介質(zhì)壓力的增大,最大Von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力都會(huì)隨之增大,且在活塞拐角處較容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此,在進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選取密封結(jié)構(gòu)的倒角半徑等參數(shù)及介質(zhì)壓力等工況條件,避免摩擦加劇。

綜上,在密封圈的實(shí)際服役中應(yīng)綜合考慮壓縮率、材料硬度、摩擦因數(shù)及介質(zhì)壓力對(duì)其動(dòng)密封性能的影響,從而提高O型橡膠密封圈的使用壽命,降低失效概率。