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《基于有限元的o形密封圈密封性能分析》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、基于有限元的O形密封圈密封性能分析針對(duì)較為常用的O形橡膠密封圈,在有限元軟件Abaqus中對(duì)其靜密封性能進(jìn)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(duì)密封圈密封性能的影響規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬可以實(shí)現(xiàn)對(duì)O形密封圈密封性能的預(yù)測(cè),為密封圈的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論依據(jù),同時(shí)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(jiǎn)單、密封性能好且制造費(fèi)用低,被廣泛地應(yīng)用于機(jī)床、船舶、汽車、航空航天、冶金、化工以及鐵道機(jī)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(yùn)動(dòng)密封。O形密封圈是一種雙向作用的密封件,安裝時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)密封中約為20%。在靜密封中,無(wú)擋圈時(shí),O形密封圈的最高工作壓力可達(dá)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(duì)靜密封中的O形圈的密封性能進(jìn)行分析,并研究預(yù)壓縮量、摩擦因素和介質(zhì)壓力對(duì)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(duì)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(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元CAX4R對(duì)模型進(jìn)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(duì)稱模型,因而只需對(duì)凹槽和活
4、塞桿進(jìn)行軸向約束。對(duì)于靜密封的數(shù)值模擬,需要兩個(gè)載荷步來(lái)實(shí)現(xiàn):第一步是對(duì)活塞桿施加徑向位移0.5mm,形成對(duì)O形密封圈進(jìn)行初始預(yù)壓縮,形成初始密封面;第二步是對(duì)密封圈的工作面施加流體介質(zhì)壓力,完成靜密封過(guò)程。5三、計(jì)算結(jié)果分析當(dāng)初始預(yù)壓縮量為0.5mm,介質(zhì)工作壓力為3MPa時(shí),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(dāng)介質(zhì)工作壓力為3MPa時(shí),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(wú)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(dāng)接觸應(yīng)力大于介質(zhì)工作壓力時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)良好密封,否則密封圈就會(huì)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??;有工作壓力時(shí)的主密封面寬度大于無(wú)壓力狀態(tài);當(dāng)介質(zhì)工作壓力為3MPa時(shí),主密封面的最大接觸壓力為5.147MPa,大于介質(zhì)工作壓力,說(shuō)明密封圈可以實(shí)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(dāng)主密封面上的最大接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)良好密封,當(dāng)介質(zhì)壓力在5MPa范圍內(nèi)時(shí),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(shí)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(huì)失效,發(fā)生介質(zhì)泄漏事故。2.摩擦因素當(dāng)無(wú)介質(zhì)壓力時(shí),初始?jí)嚎s使密封圈發(fā)生壓縮變形,摩擦因數(shù)對(duì)該狀態(tài)下O形密封圈應(yīng)力影響較小。而當(dāng)存在介質(zhì)壓力時(shí),密封圈在溝槽中會(huì)出現(xiàn)局部滑動(dòng),而活塞桿密封表面與密封圈之間的摩擦因數(shù)就會(huì)對(duì)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(dòng)密封中與密封圈相接觸的金屬表面的粗糙度會(huì)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(shí),預(yù)壓縮量對(duì)密封