o形旋轉圈結構參數(shù)對范米塞斯應力的影響

o形旋轉圈結構參數(shù)對范米塞斯應力的影響

1總結橡膠密封結構簡單、拆卸可靠、成本低、結構緊湊、易安裝等特點，廣泛應用于機械工程中。2有限分析模型2.1密封的有限元模型根據(jù)有限元分析理論,在ABAQUS中建立單側位移受限橡膠O形密封圈的有限元模型。研究選取GB3452.1-92橡膠O形密封圈,密封圈的材料為丁腈橡膠(NBR)。液壓油缸旋轉軸用O形圈的計算模型,如圖1所示。圖中:d—旋轉軸直徑;W—O形圈截面直徑。2.2基本假設橡膠材料為近似不可壓縮的超彈性體,具有幾何非線性、材料非線性和接觸非線性。針對研究對象做出以下假設2.3建立簡化模型在ABAQUS中建立轉軸、橡膠O形密封圈和缸體二維軸對稱模型。轉軸和凹槽材料為鋼,鋼的密度、泊松比、密度分別為2.1×10C采用軸對稱四邊形單元CAX4R對模型進行網(wǎng)格劃分,劃分后的簡化有限元模型,如圖2所示。在模型中通過施加2個載荷分析步來實現(xiàn)。(1)對缸體施加Y方向位移載荷,模擬O形圈過盈安裝;(2)對O形圈未與缸體接觸的一側施加均布壓力,模擬O形圈受到的介質(zhì)壓力P。模型中定義了2個接觸對即軸與橡膠O形圈的接觸以及O形圈與缸體的接觸。為了使計算收斂,它們之間采用庫倫摩擦,摩擦因素取0.2。3密封性能分析VonMises應力反應了截面上各主應力差值的大小,一般來講,VonMises應力越大,將越加速橡膠材料的松弛,從而造成剛度下降,材料越容易出現(xiàn)裂紋,導致密封失效。接觸壓力的大小反應了O形圈的密封能力,O形圈保證密封必須滿足密封面最大接觸壓力不小于工作介質(zhì)壓力。通過利用有限元方法主要研究不同結構參數(shù)對密封結構中密封件變形、VonMises和密封面最大接觸壓力的影響。3.1旋轉軸直徑對應力值的影響O形圈在安裝時存在一定的過盈量,會產(chǎn)生徑向壓縮。不同旋轉軸直徑下的VonMises應力分布,如圖4所示。從圖4中可以看出,在其他條件不變的條件下,隨著旋轉軸直徑的增大,左側應力集中區(qū)域逐漸變大,并向中間擴展。這是因為,壓縮位移引起的應變值為:ε=δ/d(2)式中:ε—應變值,壓縮位移;d—旋轉軸直徑。在壓縮位移相同的情況下,O形圈內(nèi)徑越大,應變值越小,反之應變值越大。再加上橡膠材料彈性模量較小易變形,這就使內(nèi)徑較小的O形圈受到徑向壓縮時產(chǎn)生的變形主要集中于O形圈外側,而隨著旋轉軸直徑的增大,相應的形變就會往內(nèi)圈擴散而在內(nèi)外徑處變得對稱。不同旋轉軸直徑與應力的關系曲線,如圖5(a)所示。從圖5(a)中可以看出,在其他條件不變的條件下,隨著旋轉軸直徑的增大,VonMises應力和接觸壓力減小,最后變化趨于平緩。這表明,旋轉軸直徑較小時,VonMises應力過大,容易導致密封失效;同時接觸壓力過大也不利于安裝。因此,選擇合理的旋轉軸直徑可以減小VonMises應力,有利于避免O形圈應力松弛、剛度降低造成的密封失效。在介質(zhì)壓力10MPa下,旋轉軸直徑與應力的關系曲線,如圖5(b)所示。從圖5(b)中可以看出,在其他條件不變的情況下,旋轉軸直徑對VonMises應力和接觸壓力的影響與前述一致。因此,在滿足使用要求的條件下,盡量選擇較大的旋轉軸直徑。3.2不同截面直徑對預應力集中區(qū)域的影響O形圈截面直徑已經(jīng)列入國家標準,但實際工作中,有時同一情況下可以選擇幾種截面直徑,如果不合理的選擇O形圈截面直徑,容易引起安裝困難和密封圈的失效。不同截面直徑下O形圈的VonMises應力分布情況,如圖6所示。由圖6可以看出在其他條件不變的情況下,隨著O形圈截面直徑的增大,左側應力集中區(qū)域逐漸變小。這是因為右側主要受周向壓縮,而左側周向壓縮影響比較小。結合圖4,實際中可以通過增大旋轉軸直徑來改變這種單側應力集中。因此,截面直徑小的O形圈更適用于旋轉軸直徑較小的情況。O形圈截面直徑與VonMises應力和接觸壓力的關系曲線,如圖7(a)所示。由圖7(a)可以看出,在其他條件不變的情況下,隨著O形圈截面直徑的增大,VonMises應力和接觸壓力都呈近似線性規(guī)律增大。這說明O形圈截面直徑過大容易導致VonMises應力過大,容易使密封疲勞破壞。在介質(zhì)壓力10MPa的情況下,VonMises應力和接觸壓力的關系曲線,如圖7(b)所示。從圖7(b)中可以看出,隨著O形圈截面直徑增大,VonMises應力先減小,再趨于平緩;接觸壓力變化不大。3.3焦耳效應的定義旋轉密封在使用中不易生成潤滑油膜,密封表面易摩擦發(fā)熱,溫度不斷上升,O形圈在高溫下收縮,對軸抱的更緊,使密封面接觸壓力增大,導致摩擦力增大,如此反復,大大加劇橡膠老化龜裂和磨損,極易導致密封失效,這一現(xiàn)象稱為焦耳效應4不同截面直徑對應力松弛率的影響(1)在介質(zhì)壓力為0MPa的情況下,隨著旋轉軸直徑增大,應力集中由O形圈外徑一側逐漸變?yōu)镺形圈內(nèi)外徑兩側對稱,同時最大接觸應力和VonMises應力減小,因此,旋轉軸直徑較大有利于避免O形圈應力松弛,發(fā)生壓縮永久變形,彈性降低,從而導致密封失效;(2)旋轉軸直徑一定時,隨著O形圈截面直徑的增大,應力集中由對稱的兩側變?yōu)镺形圈外徑一側,最大應力增大。因此要根據(jù)旋轉軸直徑選擇合理O形圈截面直徑,防止VonMises應力和接觸壓力過大,利于安裝。(3)隨著內(nèi)圓周向壓縮率的增大,VonMises應力呈近似線性增