O形橡胶密封圈密封性能的有限元分析

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润滑与密封

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"基金项目!国防科工委十5五!二期"重点攻关项目!O _5A N !""DN !$"6

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作者简介!谭晶!%$&"’"#女#博士#主要研究方向&橡胶密封61N O ;:<&M

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谭C 晶%C 杨卫民%C 丁玉梅%C 杨维章!C 鲁选才!C 唐C 斌!

!%‘北京化工大学机电工程学院C 北京%"""!$+!‘西北橡胶塑料研究设计院C 陕西咸阳X%!"!>$$$$$$$$$

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摘要!利用-03k 3建立了液压系统中液压缸用/形橡胶密封圈的二维轴对称模型#分析计算了/形密封圈缸筒和轴套的间隙%密封轴套槽口倒角半径%/形密封圈的截面尺寸%橡胶材料参数%初始压缩率对密封面最大接触压力和剪切应力的影响$结果表明&/形密封圈缸筒和轴套的间隙对剪切应力的影响很大+轴套沟槽宽度%/形密封圈的截面尺寸和橡胶材料参数对密封面最大接触压力的影响很大+初始压缩率对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都很大+对于本文分析的结构#在其它条件不变的情况下密封轴套槽口倒角半径对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都不大+分析结果验证了长期使用的经验设计$

关键词!/形密封圈+有限元分析+密封性能

中图分类号!.)D!C 文献标识码!-C 文章编号!"!HD ="%H"!!""#"$$$$$$$$$

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/形橡胶密封圈以其成本低廉%结构简单以及安

装和使用方便等优点#被广泛应用于汽车%动力%机械及流体液压机械等领域$目前对/形密封圈密封结构的设计%/形密封圈的选择和安装等均是按照传统经验进行#为使/形密封圈在重要场合下能够正确应用#一些学者通过有限元分析方法对/形密封圈进行过一些理论分析.%=D #$/#但并不全面$本文作者利用大型通用有限元分析软件-03k 3对液压缸用/形橡胶密封圈进行建模和计算#来分析/形密封

圈密封结构的设计%/形密封圈的选择和安装方面的参数对/形橡胶密封圈密封性能的影响#为进一步优化密封结构设计奠定了基础$%C 计算模型

对密封圈进行有限元分析时#鉴于其边界条件的复杂性#故将密封圈及密封结构的轴%孔作为整体进行分析$根据密封结构的几何形状%材料%边界条件的特点和-03k 3的功能#/形橡胶密封圈的模型可简化为平面轴对称模型$通过平面轴对称模型来模拟三维结构#利用-03k 3中的扩展命令可以观察到三

维模型的变化情况#这样不仅不影响计算结果#而且可以提高计算速度从而节省大量的计算时间$建立的液压缸用/形橡胶密封圈的平面轴对称模型及其结构参数如图%%!所示$尺寸为"H"O O m H6>O O

!2

)>DH!6>N &&"#材料为腈基丁二烯橡胶!0)*"$

C 图%C/形密封圈变

形前数学模型

C 图!C/形密封圈变

形后计算模型

C

图%中H !为轴套槽口倒角半径++"为/形密封

圈界面直径+F 为轴套沟槽宽度+$为/形密封圈变

形后刚体与轴套的间隙+F %为/形密封圈变形后接触宽度$

!C 有限元分析模型

橡胶密封件的密封计算涉及到固体力学%摩擦学%高分子材料学以及计算方法等方面的理论知识#因此要对其进行精确研究在理论上存在困难#难以全真模拟$现简单介绍密封结构中的三重非线性和为简化问题的研究而进行的基本假设$!6%C 几何非线性

/形密封圈是一种挤压形密封件#靠预压缩后产生的回弹力给密封接触面一定压力#达到密封目的$在密封结构中橡胶材料在受力下的位移和变形关系已远远超出了线性理论的范畴#属于几何非线性$!6!C 橡胶体超弹材料非线性

目前工程上主要是以连续介质力学为基础#橡胶材料被认为是超弹性近似不可压缩体#其力学模型表现为复杂的材料非线性和几何非线性$国内外学者已提出了基于统计热力学的?47N ?77_4;[应变能函数%指数N 双曲!4Q 57[4[A :;

-03k 3中用如下形式描述应变能函数&I h 3%!Z %=>"j 3!!Z !=>"j 3>!Z !=>"!

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%"!=!其中&I 为修正的应变势能+)h #!3%j 3!"=.>!%=!%"/#%为泊松比+3%F 3$为材料常数!T 77[4M N *4Y <:[常数"+Z %h 7%7%=>

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%Z !h 7!7%=>>

%Z >h 7%=>>

分别为应力张量第%%第!%第>的缩减不变量#7%%7!%7>

分别为应力张量的第%%第!%第>不变量$

这是一个完整的非线性模型$本文利用简化后的应变能函数#得到仅有!个材料常数的T 77[4M N *:Y <:[材料模式&

I h 3%!7%=>"j 3!!7!=>"应力应变关系即为&

2h $I=$0

本文使用的3%和3!分别为%6&X 和"6DX $!6>C 边界!状态"非线性

密封计算的边界条件非常复杂#包含接触计算$接触问题的复杂性是由于系统接触状态的改变造成的#故接触问题又被称为是广泛存在于工程实际的一个复杂的状态非线性问题$密封圈和轴套的接触属于刚体和柔体的面N 面接触的高度的非线性行为$随着力学理论%计算数学以及计算机技术的发展#各国学者提出了许多接触问题的有限元算法#可根据不同问题的力学模型性质选用适当的算法$-03k 3程序采用罚单元法描述接触问题$从变分角度看#是将结构的总势能3表达为应变势能I %外力势能I 4和接触力势能X 的和$即

3h

I j I 4j X 通过罚单元给出X 的表达式#从而可解决接触面不被穿透的问题.$/$!6DC 模型的基本假设

!%"/形密封圈材料具有确定的弹性模量N 和泊松比%+

!!"/形密封圈材料拉伸与压缩的蠕变性质相同+

!>"由钢构件构成的轴套和缸筒的刚度是橡胶的几万倍#可以不考虑其变形#即视为/形密封圈变形时的约束边界+

!D "/形密封圈受到的压缩视为由缸筒约束边界的指定位移引起+

!H "蠕变不引起体积变化$

分析模型中#橡胶单元采用超弹单元?k @1*H##

缸筒和轴套单元采用线性实体单元@’-01D!#模型中还包含-03k 3中建立接触对时自动生成的接触单元.-*21%#$和,/0.-+%X!#建立接触对时按照有限元接触分析中接触对的定义准则确定密封圈作为接触体#轴套和缸筒作为目标体$约束施加是把缸筒的k 方向施加一个位移#视为压缩量#缸筒的o 方向和轴套的外边界的o

%k 方向的位移都定义为"$模型中共有$DH 个单元#%"&#个节点#其轴对称有限

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?润滑与密封总第%&%

期

元模型如图>所示#扩展后的立体模型如图D 所示$求解时按照!个载荷步进行求解#由缸筒施加的作为压缩量的k 方向位移定义为第%个载荷步#施加在未与密封槽接触一侧的用来模拟密封圈受到的外加液体压力定义为第!个载荷步$

CC 图>C 平面轴对称

有限元模型

C 图DC 扩展后的%G

!立体模型

>C 计算结果及分析

关于密封圈的失效准则和失效判据#目前普遍采用的是密封面最大接触压力大于工作压力和密封槽槽口转角位置处剪切应力小于/形密封圈的橡胶材料的抗剪强度#在/形密封圈的设计和选择时要满足这!个失效准则和失效判据$本文的有限元分析主要讨论的是不同参数对密封结构中密封面最大接触压力2O ;Q !取绝对值"和剪切应力2-.

的影响$>6%C/形密封圈密封结构的设计参数对2O ;Q 和2-.

的影响>6%6%C 密封轴套沟槽宽度F

图HC 不同轴套沟槽宽度下密封圈的变形和应力比较

轴套沟槽宽度尺寸已列入国家标准#但在实际工作中#有时/形密封圈截面直径不标准#有时在设备修理或进行非标准密封设计中出现缸径大于标准的情况#因此确定合适的轴套沟槽宽度是设计者应该考虑的问题$轴套沟槽宽度是直接影响压缩率的重要因素#图H 为不同轴套沟槽宽度下密封圈的变形和应力比较#从图中的分析数据可看出#窄沟槽尺寸比宽沟槽尺寸的密封圈压缩变形量大#且密封面的最大接触压力也大#而最大剪切力相差不大$本文在第>6>节介绍了压缩率对/形密封圈密封面最大接触压力和最大剪切力的影响$因此在设计沟槽尺寸时要考虑压

缩量的因素$

>6%6!C 缸筒与轴套的间隙$

图#C 不同间隙下/形密封圈的变形情况

图#为不同间隙下/形密封圈的变形情况#可

以看出间隙越大#/形密封圈在压力的作用下越容易被挤入间隙$图X 为缸筒与轴套的间隙与应力的关系曲线#可以看出随着间隙量的增大#/形密封圈的密封面最大接触压力曲线趋于平缓#变化不大#而在沟槽转角处的剪切应力随之增加$因此在活塞进行高压往复运动中#/形密封圈的间隙过大#橡胶密封圈在油压作用下易被挤入间隙#被挤入间隙的橡胶圈在拉伸和剪切作用下其表面容易产生切割作用而被密封间隙咬伤#导致泄漏$另外间隙允许值与工作压力%/形密封圈橡胶硬度%端面直径大小有关#因此要根据实际工作情况选择合适的缸筒与轴套的间隙量$

图XC 缸筒与轴套的间隙

与应力的关系曲线

图&C 液压缸轴套槽口倒角半

径与应力的关系曲线

>6%6>C 密封轴套槽口倒角半径H !

/形密封圈在安装时为了防止损伤#在密封沟槽进口处设计倒角$槽口倒角对密封性能的影响主要表现在剪切应力的变化上#在不同的压缩率和不同外加液体压力的情况下#如果不合理地设计槽口的倒角#密封结构中易引起密封圈的剪切破坏#造成密封失效$图&为液压缸轴套槽口倒角半径与应力曲线#可以看出在本文分析的液压系统中#其它条件不变的情况下#只改变槽口倒角半径对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都不大$本结构的设计槽口半径按照国家标准2)>DH!6>N &&提供的"6D F "6&O O 即可$

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形橡胶密封圈密封性能的有限元分析

>6!C/形密封圈的参数对2O ;Q 和2-.的影响>6!6%C/形密封圈截面参数的影响

表%为不同截面不同压缩量的密封面最大接触压力比较$从表中可以看出对相同的压缩量#小截面橡胶圈对应的接触压力大#但是小截面橡胶圈接触带宽小$接触压力大势必导致安装困难及安装时被破坏的可能性大#增加失效泄漏概率+而接触带宽小#为使密封效果好#对轴%孔的粗糙度要求很高#造成加工困难$因此#橡胶密封结构在满足结构工艺等其它要求的状况下应尽量选用大截面橡胶圈进行密封$

表%C 不同截面不同压缩量的密封面最大接触压力比较

压缩量G O O /形密封圈的截面直径G

O O 最大接触压应力G T @;"6&

H6>%>6H&&X %"6!>#"6#

H %"6X"H X $6H$%>"6D

H6>$6$H"H X

$6"&&X

>6!6!C 橡胶材料参数的影响

CC 图$C 其它条件相同弹性模量N 不同情况下

的/形密封圈的接触压力及变形云图

文献.>/介绍了不同材料模型对计算结果的影

响$总结出在同样条件下弹性模量N 小的/形密封圈最大接触压应力小#且挤出量大#易破坏$本文也作了验证#结果如图$所示#表明在其它条件相同的

情况下#当内压很高时应选用硬度较高!N 大"的/

形密封圈$>6>C/形密封圈的安装参数对2O ;Q 和2-.

的影响CC 图%"C 压缩率与应力

的关系曲线

图%"为压缩率对密封面最大接触压力和剪切应力的影响#可以看出压缩率对密封圈的密封性能的影响很大#随着压缩率的增加#虽然接触压力增大但是其剪切应力也随之

增加#因此在保证密封的

情况下压缩率选择应尽量

小+但是压缩率过小#接触压力不够#达不到密封的效果+过大的压缩率会使唇与轴表面压力加大#对密封圈的剪切力变大#橡胶密封圈产生较大的残余变形而泄漏#同时滑动摩擦阻力增大#密封唇口的温度上升会加速密封唇口的老化变脆而降低密封圈的使用性能和使用寿命$因此应控制好安装时的压缩率$一般推荐固定密封%往复运动密封和回转运动密封其压缩率应分别达到%HE F!HE #%"E F!"E #HE F %"E #静密封选大值#动密封选小值#才能取得满意的密封效果$

除上述分析的典型参数外#轴的表面粗糙度%压力%同轴度%速度%工作介质和贮存等都对密封圈的密封性能有很大的影响$DC 结论

!%"成功实现了利用-03k 3对液压缸用/形橡

胶密封圈的非线性分析有限元分析#使多年的经验设计得到了验证#为液压缸用/形橡胶密封圈的选择%设计提供了理论指导$

!!"分析计算了轴套沟槽宽度%/形密封圈缸筒和轴套的间隙%密封轴套槽口倒角半径%/形密封圈的截面尺寸%橡胶材料参数%初始压缩率对密封面最大接触压力和剪切应力的影响$表明/形密封圈缸筒和轴套的间隙对剪切应力的影响很大+轴套沟槽宽度%/形密封圈的截面尺寸和橡胶材料参数对密封面最大接触压力的影响很大+初始压缩率对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都很大+对于本文分析的结构#在其它条件不变的情况下密封轴套槽口倒角半径对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都不大$

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