基于有限元的o形密封圈密封性能分析

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1、基于有限元的O形密封圈密封性能分析針對較為常用的O形橡膠密封圈，在有限元軟件Abaqus中對其靜密封性能進行了仿真模擬，并研究了介質(zhì)壓力、摩擦因數(shù)和預(yù)壓縮量對密封圈密封性能的影響規(guī)律。通過數(shù)值模擬可以實現(xiàn)對O形密封圈密封性能的預(yù)測，為密封圈的設(shè)計和應(yīng)用提供了理論依據(jù)，同時也為其他結(jié)構(gòu)密封圈的分析提供參考。一、引言O(shè)形密封圈由于其結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好且制造費用低，被廣泛地應(yīng)用于機床、船舶、汽車、航空航天、冶金、化工以及鐵道機械等行業(yè)，一般安裝在外圓或內(nèi)圓上截面為矩形的溝槽內(nèi)起密封作用，適用于靜密封和往復(fù)運動密封。O形密封圈是一種雙向作用的密封件，安裝時徑向或軸向方向給定一定的預(yù)壓縮，使其

2、具備初始密封能力，再在系統(tǒng)壓力作用下產(chǎn)生密封力，與初始密封力合成總的密封力，實現(xiàn)對系統(tǒng)的密封。通常，為防止出現(xiàn)永久的塑性變形，O形圈允許的最大壓縮量在靜密封中約為30%，在動密封中約為20%。在靜密封中，無擋圈時，O形密封圈的最高工作壓力可達20MPa。由于影響O形圈密封性能的因素較多，本文采用有限元軟件Abaqus對靜密封中的O形圈的密封性能進行分析，并研究預(yù)壓縮量、摩擦因素和介質(zhì)壓力對其密封性能的影響。5二、有限元模型1.材料參數(shù)O形密封圈采用的橡膠材料具有高度非線性，即幾何非線性、材料非線性和接觸非線性。在分析之前，需要做以下假設(shè)：材料具有確定的彈性模量和泊松比；材料的拉伸和壓縮

3、蠕變性質(zhì)相同；密封圈受到的縱向壓縮視為有約束邊界的指定位移引起的；蠕變不引起體積的變化。2.幾何模型密封圈及溝槽截面圖，密封圈的材料為丁腈橡膠（NBR），其規(guī)格為150mm×5.33mm。在Abaqus中建立活塞桿、凹槽和密封圈的二維軸對稱模型，活塞桿和凹槽材料為40Cr，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。分別建立密封圈與凹槽和活塞桿兩組接觸面，采用罰函數(shù)模擬面與面之間的接觸，設(shè)定初始摩擦因數(shù)為0.2。采用四結(jié)點雙線性軸對稱四邊形單元CAX4R對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖3所示。3.載荷及邊界由于所建立的是軸對稱模型，因而只需對凹槽和活

4、塞桿進行軸向約束。對于靜密封的數(shù)值模擬，需要兩個載荷步來實現(xiàn)：第一步是對活塞桿施加徑向位移0.5mm，形成對O形密封圈進行初始預(yù)壓縮，形成初始密封面；第二步是對密封圈的工作面施加流體介質(zhì)壓力，完成靜密封過程。5三、計算結(jié)果分析當初始預(yù)壓縮量為0.5mm，介質(zhì)工作壓力為3MPa時，初始預(yù)壓縮（P=0）與介質(zhì)壓力（P=3MPa）下的密封圈截面等效應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，初始預(yù)壓縮后O形密封圈截面的等效應(yīng)力呈“啞鈴狀”分布，最大等效應(yīng)力并未出現(xiàn)在密封圈的表面，而是距離表面一定深度，最大等效應(yīng)力為1.822MPa；當介質(zhì)工作壓力為3MPa時，密封圈的橫截面出現(xiàn)了3處高應(yīng)力區(qū)域，最大等效

5、應(yīng)力為3.2MPa，較無工作壓力狀態(tài)大1.378MPa，而應(yīng)力越大，密封圈就越容易失效。為初始預(yù)壓縮（P=0）與介質(zhì)壓力（P=3MPa）下的密封圈主密封面（密封圈與活塞桿接觸面）的接觸應(yīng)力云圖。當接觸應(yīng)力大于介質(zhì)工作壓力時就可以實現(xiàn)良好密封，否則密封圈就會發(fā)生泄漏。密封接觸面的中間接觸應(yīng)力較大而兩邊應(yīng)力較?。挥泄ぷ鲏毫r的主密封面寬度大于無壓力狀態(tài)；當介質(zhì)工作壓力為3MPa時，主密封面的最大接觸壓力為5.147MPa，大于介質(zhì)工作壓力，說明密封圈可以實現(xiàn)良好密封。四、影響因素分析1.介質(zhì)壓力在介質(zhì)壓力作用下，O形密封圈能夠?qū)崿F(xiàn)自密封，為不同介質(zhì)壓力下5O形密封圈的最大等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力

6、。由圖6可知，隨著介質(zhì)壓力的增大，密封圈的等效應(yīng)力和密封面的接觸應(yīng)力逐漸增大，但不成線性關(guān)系；當主密封面上的最大接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力時就可以實現(xiàn)良好密封，當介質(zhì)壓力在5MPa范圍內(nèi)時，密封圈的最大接觸應(yīng)力均大于相應(yīng)的介質(zhì)壓力，因而O形密封圈可以實現(xiàn)良好密封；如果主密封面上的最大接觸應(yīng)力小于介質(zhì)壓力，該密封面就會失效，發(fā)生介質(zhì)泄漏事故。2.摩擦因素當無介質(zhì)壓力時，初始壓縮使密封圈發(fā)生壓縮變形，摩擦因數(shù)對該狀態(tài)下O形密封圈應(yīng)力影響較小。而當存在介質(zhì)壓力時，密封圈在溝槽中會出現(xiàn)局部滑動，而活塞桿密封表面與密封圈之間的摩擦因數(shù)就會對其應(yīng)力產(chǎn)生影響。圖7為不同摩擦因數(shù)下O形密封圈的應(yīng)力變化，由圖

7、7可知，密封圈的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的變化規(guī)律不同；密封圈的等效應(yīng)力隨著摩擦因數(shù)的增大而逐漸增大，而其接觸應(yīng)力卻隨著摩擦因數(shù)的增大而逐漸減小，但其變化率較小。需要注意的是，在動密封中與密封圈相接觸的金屬表面的粗糙度會影響密封圈的使用壽命及泄漏率。3.預(yù)壓縮量圖8所示為不同預(yù)壓縮量下的O形密封圈最大等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力變化曲線。由圖8可知，隨著預(yù)壓縮量的增大，密封圈的最大等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力逐漸增大。5圖9所示為存在介質(zhì)壓力時，預(yù)壓縮量對密封