O形橡膠密封圈配合擋圈密封的應(yīng)力與接觸壓力有限元分析-

2009年5月第34卷第5期潤滑與密封LUBRICATIONENGINEERINGMay2009Vol134No15收稿日期：2008-11-26作者簡介：饒建華，教授，從事機電一體化的教學(xué)和科研工作.E2mail:rao2jh@1631com1O形橡膠密封圈配合擋圈密封的應(yīng)力與接觸壓力有限元分析饒建華陸兆鵬(中國地質(zhì)大學(xué)湖北武漢430074摘要利用有限元分析軟件MSC.MARC對O形橡膠密封圈與擋圈密封在不同壓力下的應(yīng)力與接觸壓力進行了有限元分析，探討了不同壓力下O形橡膠密封圈和擋圈柯西應(yīng)力分布、接觸壓力與接觸寬度的關(guān)系、O形橡膠密封圈與擋圈相互接觸的弧長與油壓及接觸壓力的關(guān)系。結(jié)果表明O形橡膠密封圈在配合擋圈的情況下的柯西應(yīng)力主要集中于擋圈的右上部分及左下部分；O形橡膠密封圈與擋圈的接觸弧長開始隨油壓的增加而增長，最后保持一定值;O形橡膠密封圈與擋圈的接觸寬度與接觸壓力近似呈二次曲線。關(guān)鍵詞:O形橡膠密封圈；擋圈；應(yīng)力分布中圖分類號:TB42文獻標識碼:A文章編號：0254-0150(20095-065-4FiniteElementAnalysisofStressandContactPressureofRubberO2sealingRingRaoJianhuaLu(ChinaUniversityofAbstract:Basedonfiniteelementoftware.contactpressureoftherubberO2sealingringwithback2upring.TheCauchystressdistribution,therelationshipbe2tweencontactrelationshipofcontactlengthbetweenrubberO2sealingringandback2upringandoilppressurewerediscussed.TheresultsshowthatCauchystressconcentratesontherighttopandtheleftbottomoftheback2upring.ThecontactlengthbetweenrubberO2sealingringandback2upringbecomeslongerfirstlywiththeincreaseofoilpressure,thenitkeepsacertainvalue.TherelationshipofcontactwidthandcontactpressurebetweenrubberO2sealingringandback2upringisclosetoaconic.Keywords:rubberO2sealingring;backup2ring;stressdistributionO形橡膠密封圈是一種小截面的圓環(huán)形密封件。其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、密封可靠、價格便宜等特點，廣泛應(yīng)用于液壓機械、汽車等領(lǐng)域。當O形橡膠密封圈配合擋圈使用后，工作壓力可以大大提高。陳國定等[1]進行了O形密封圈的有限元力學(xué)分析，得出了在3MPa油壓作用下O形橡膠密封圈的變形圖，以及軸和密封接觸面間的接觸壓力及剪應(yīng)力分布狀態(tài)。周志鴻等[2]進行了O形橡膠密封圈應(yīng)力與接觸壓力的有限元分析，得出了O形橡膠密封圈與軸之間的最大接觸壓力隨著壓縮率、油壓的增加而增加。他們文中都提到了在大油壓壓力作用下需要在O形橡膠密封圈一側(cè)配備擋圈，目的是防止O形橡膠密封圈被擠出，但是使用擋圈為何可以防止O形橡膠密封圈被擠出沒有一定的科學(xué)計算依據(jù)，使用擋圈后應(yīng)力與接觸壓力的有限元分析尚未有人進行，所以本文作者利用大型有限元分析軟件MSC1MARC對O形橡膠密封圈配合擋圈密封的應(yīng)力和接觸應(yīng)力進行有限元分析是一項很有意義的工作，尤其是現(xiàn)今高壓產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用的時期。希望通過本文作者的分析為在超高壓的情況下使用擋圈提供一定的科學(xué)計算依據(jù)。1O形橡膠密封圈及其擋圈分析模型的構(gòu)建圖1O形橡膠密封圈與擋圈模型Fig1RubberO2ringandback2upringmodel采用的O形橡膠密封圈及擋圈為美國PARKER公司的產(chǎn)品。O形橡膠密封圈的硬度為IRHD（國際橡膠硬度等級90,型號為22327，擋圈采用82327。為簡化計算量，模型采用2D平面進行建模。利用MSC1MARC的網(wǎng)絡(luò)劃分功能，先建立1/4截面的單元，然后進行鏡像形成O形橡膠密封圈的實際截面單元。擋圈的模型利用轉(zhuǎn)化法進行劃分，O形橡膠密封圈一共有368個單元，擋圈有72個單元。單元類型采用11號單元。劃分后的模型如圖1所示。分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的穆尼2瑞林（Mooney2Rivlin模型，Mooney理論基于下列假設(shè):（1橡膠是不可壓縮的而且在變形前是各向同性的；（2簡單剪切包括先受簡單拉伸再在平面截面上疊加簡單剪切服從胡克定律。Rivlin采用材料不可壓縮及無變形狀態(tài)是各向同性假設(shè)。各向同性條件函數(shù)W對3個主伸長率入1入2人啊為對稱。I1=入21+入22+入23(1I2=入22+入22X23+入23X21(2I3=入21人22X23(3采用不變量形式的Mooney列式為：W=C1(11-3+C2(I2-3(4其中，C1和C2均為正定常數(shù)。材料模型1,C數(shù)的確定參照文獻［3］。2OO與軸、，接觸部分都采用網(wǎng)格自適應(yīng)功能。若不采用網(wǎng)格重劃分功能，結(jié)果可能會出現(xiàn)O形橡膠密封圈截面單位滲透出溝槽、O形橡膠密封圈與擋圈由于相互作用導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂致使計算程序中斷等情況，因此為了更好地分析O形橡膠密封圈與擋圈密封的過程，采用了這種網(wǎng)格重劃分技術(shù)。摩擦模型采用庫侖摩擦模型。庫侖摩擦模型為：Hr-mo-nt(5中：o?的接觸節(jié)點法向應(yīng)力；①如切向(摩擦應(yīng)力；擦應(yīng)力；兇摩擦因數(shù)；t為滑動速度方向上的切向單位矢量。本模型中采用軸與O形橡膠密封圈摩擦因數(shù)為0103,O形橡膠密封圈與擋圈的本模型中采用軸與摩擦因數(shù)為015,摩擦因數(shù)的選用參照文獻[4]03邊界條件及加載方法首先，模擬O形橡膠密封圈的安裝過程，軸進行下移動作，然后，在O形橡膠,使其達到最3個：第一是溝，其位置安裝完成以；第三是右側(cè)的油壓壓力。根據(jù)實際情況可知O形橡膠密封圈所受的真實壓力只能是與剛體未發(fā)生接觸的單元邊。但是由于O形橡膠密封圈的變形和剛體的壓迫，無法預(yù)知承壓面的準確位置，因此在定義邊界條件時，選擇為可能的承壓邊界。4模擬及數(shù)據(jù)分析圖2不同油壓下的Cauchy應(yīng)力云圖Fig2Cauchystressunderdifferentoilpressure圖2給出了密封裝置在安裝完成及其以后右側(cè)有3,5,10MPa油壓情況下的變形和Cauchy應(yīng)力分布66潤滑與密封第34卷云圖?？挛鲬?yīng)力（Cauchystress!!根據(jù)當前面積和當前幾何變形得出（變形后每單位面積的力的。它是最本質(zhì)的、最易理解的應(yīng)力值，能夠最好地描述材料響應(yīng)。一般來講，應(yīng)力值越大的區(qū)域，材料越容易出現(xiàn)裂紋，隨之密封圈發(fā)生撕裂破壞。此外，應(yīng)力越大，將加速橡膠材料的松弛。從圖中可以看出，在安裝完成后，O形橡膠密封圈所受的應(yīng)力主要集中于中間的上下兩側(cè)，形狀上看似‘啞鈴"擋圈所受的應(yīng)力主要集中于左側(cè)的上下兩角和中間的右側(cè)部分。隨著右側(cè)油壓逐漸的增大，O形橡膠密封圈的應(yīng)力分布開始發(fā)生變化，沿與擋圈接觸的面的上下兩側(cè)間分散，應(yīng)力值逐漸增大，擋圈所受的應(yīng)力由在安裝狀態(tài)集中于其中部的位置開始沿其左上側(cè)與左下側(cè)集中，最后集中于左下側(cè)及右上側(cè)，所受應(yīng)力大小隨著油壓壓力的增加而增加。最后結(jié)果如圖2（d所示，O形橡膠密封圈所受的應(yīng)力分散了，所受應(yīng)力主要集中于和擋圈接觸的上下兩側(cè)，大應(yīng)力主要集中于擋圈的右上部分和左下部分。圖3為O,O。中可以看出隨著右,,其峰值總是大于油壓的壓力，這就保證了O形橡膠密封圈的密封功能。從圖中還可以看出，接觸壓力隨接觸長度的變化近似呈二次曲線，接觸壓力值從最大處向兩側(cè)減小。隨著油壓的增大，軸與密封圈的接觸長度也增加。圖中所表示的零點，l?H-WWVtwqcuqrH0rtHivnw*u=?*J?*r表明已經(jīng)沒有接觸發(fā)生。圖3不用油壓下O形橡膠密封圈與軸的接觸壓力與接觸寬度的關(guān)系Fig3VariationofcontactpressurebetweenO2ringandaxiswithcontactwidthunderdifferentoilpressure圖4為擋圈與軸在4種油壓下的接觸壓力與接觸寬度的關(guān)系，由圖中可以看出，在右側(cè)油壓壓力作用不太大的情況下（3和5MPa其接觸壓力與接觸寬度的關(guān)系比較平緩，當其右側(cè)壓力到達10MPa時，出現(xiàn)了大的變動，接觸壓力最大值接近于擋圈本身的右上端，經(jīng)過分析認為是此時O形橡膠密封圈與擋圈之間摩擦力作用的結(jié)果。由數(shù)值可以看出最大壓力并沒有油壓的壓力大，說明擋圈只是用來配合密封

并不是依靠擋圈來進行密封。圖4不同油壓下?lián)跞εc軸的接觸壓力與接觸寬度的關(guān)系Fig4Variationofcontactpressurebetweenback2upringandaxiswithcontactwidthunderdifferentoilpressure圖5為油壓為0?10MPa時。形橡膠密封圈和擋圈最大Cauchy應(yīng)力變化曲線。從圖中可以看出擋圈的最大Cauchy，且呈非線性關(guān)系，。應(yīng)力變化相Cauchy由最初的51Cauchy應(yīng)力變?12144MPa,防止了。形橡膠密封

o圖6為油壓為0?10MPa時O形橡膠密封圈與擋圈之間相互接觸的接觸弧長的關(guān)系曲線，由圖中可以看出在油壓為315MPa之前與315MPa以后的曲線曲率是明顯有區(qū)別的，剛開始在油壓的作用下，O形橡膠密封圈與擋圈接觸的弧長快速增加，說明O形橡膠密封圈發(fā)生的形變比較快。后期隨著油壓的增加，弧長的增加速度減緩。由圖6并結(jié)合實際應(yīng)用情況可762009年第5期饒建華等:0形橡膠密封圈配合擋圈密封的應(yīng)力與接觸壓力有限元分析知，O形橡膠密封圈將會與擋圈全面接觸，使接觸弧長的值保持為溝槽底部到軸的距離，所以說擋圈的存在使O形橡膠密封圈不會被擠入縫隙當中，從而有效地防止了在沒有擋圈存在時O形橡膠密封圈會發(fā)生的間隙咬傷，延長了O形橡膠密封圈的使用壽命。圖7為在油壓為3,5,10MPa3種油壓下O形橡膠密封圈和擋圈之間的接觸壓力與接觸寬度的關(guān)系曲線，從圖中可以看出兩者呈非線性關(guān)系，它們之間近似為二次曲線關(guān)系，最大接觸壓力處于接觸弧長的中心，然后接觸壓力由接觸寬度中心向兩側(cè)逐漸遞減。圖7OFig7Variationofcontactpressureringand5結(jié)論(1OCauchy應(yīng)力都隨油壓的增加而增大，但是O形橡膠密封圈相對于擋圈應(yīng)力值增加很緩慢(2O形橡膠密封圈與軸的接觸壓力與接觸寬度呈近似二次曲線關(guān)系，并且接觸壓力最大值始終大于油壓壓力，保證了O形橡膠密封圈的密封功能。擋圈與軸的接觸壓力與接觸寬度關(guān)系不呈二次曲線，其最大壓力并不一定大于油壓壓力。(3O形橡膠密封圈所受最大應(yīng)力不是在沒有配合擋圈密封情況下的縫隙拐角處，而是分布在它與擋圈接觸側(cè)的上部和下部。O形橡膠密封圈與擋圈組成密封裝置所受的最大應(yīng)力集中在擋圈的右上部分及左下部分。(4隨著油壓壓力的增加，O形橡膠密封圈與擋圈相互擠壓的程度增加，它們接觸弧長的接觸壓力和接觸寬度關(guān)系近似呈二次曲線，接觸弧長緩慢增力口，最后保持一定的值，即擋圈與O形橡膠密封圈完全接觸的弧長。(5配合使用擋圈后的O形橡膠密封圈不會被擠入縫隙當中，防止了間隙咬傷情況的發(fā)生，從而增加了O形橡膠密封圈的使用壽命。參考文獻【1】陳國定,HAISEH,HAASW，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(5:625-626.ChenGuoding,HAISEH,HAASW,etal.AnalysisofO-RingSealsUsingtheFiniteElementMethod[J].MechanicalScienceandTechnology,2000,(5:625-626.【2】周志鴻，一2006(4:85-89.LiJing,etal.FiniteEle2andContactPressureontheRubberO2ring[J[LubricationEngineering,2006(4:85-89.【3】王偉，鄧濤，趙樹高.橡膠Mooney2Rivlin模型中材料常數(shù)的確定[J].特種橡膠制品，2004,25(4:8-10.WangWei,DengTao,ZhaoShugao.ConfirmthematerialconstantoftheMooney-Rivlinrubbermodel[J].SpecialPurposeRubberProducts,2004,25(4:8-10.【4】徐激.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.【5】任全彬，陳汝訓(xùn)，楊衛(wèi)國.橡膠O形密封圈的變形及應(yīng)力分析[J].航空動力學(xué)報，1995,10(3:241-244.RenQuanbin,ChenRuxun,YangWeigu