余浪 常佩琛 謝禹鈞

摘 要：考慮到活塞摩擦系數(shù)為0.3的液壓氣體分配系統(tǒng)，采用ABAQUS運(yùn)行軟件對(duì)O型密封圈分析模型的進(jìn)行分析，以4m/s的運(yùn)動(dòng)速度和6MPa的介質(zhì)壓力作為O型密封圈分析模型的運(yùn)行參數(shù)，將從兩個(gè)方面液壓配氣系統(tǒng)對(duì)O型密封圈動(dòng)態(tài)密度特性的影響進(jìn)行研究。結(jié)果顯示：O型圈密封面接觸壓力受介質(zhì)壓力和預(yù)壓縮率影響較大且呈正比。當(dāng)O型密封圈密封性的預(yù)壓縮率小于10%時(shí)，密封性滿足要求。O型密封圈密封性能失效的主要原因是不合理的初始接觸壓力。因此，為保證O型圈良好的密封性能，選擇合適的預(yù)壓縮率和初始接觸壓力是考慮的第一因素。

關(guān)鍵詞：O型密封圈;動(dòng)密封;接觸壓力;預(yù)壓縮率;有限元;失效原因

0 引言

O型密封圈是由一個(gè)或多個(gè)零件配合組成的，因其許多優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用于液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)中[1]。在高速加工過程中，O型密封圈的工作非常復(fù)雜，密封圈的接觸壓力因此受到深刻的影響，使其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變得更加復(fù)雜。因此，檢查O型形密封圈的性能尤為關(guān)鍵。

高速高壓動(dòng)態(tài)密度系統(tǒng)通常以極高的速度和壓力運(yùn)行。油缸活塞速度為4m/s，油壓高達(dá)6MPa[2]。

本文運(yùn)用ABAQUS軟件探討了介質(zhì)壓力和預(yù)壓縮率對(duì)O型圈的動(dòng)態(tài)密度特性的影響，使其更好地應(yīng)用在液壓配氣系統(tǒng)中。

1 密封原理

圖1為接觸密封密封圈示意圖。從圖1可以看出，O型圈裝入密封槽后，會(huì)受到初始擠壓力或壓縮力，從而提供初始密封壓力PO，這與密封圈、槽深和徑向間隙有關(guān)。當(dāng)密封腔充滿液體時(shí)，由于存在液體壓力P，O型圈往槽的一側(cè)移動(dòng)，使密封間隙S為零，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏密封。此時(shí)密封接觸面的壓力Pm按式（1）計(jì)算。

Pm=P0+KP（1）

式中，Po為O型圈初始密封壓力，MPa;P為液體壓力，MPa;K為壓力傳遞系數(shù)，橡膠件取1。

2 密封結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.1 橡膠材料參數(shù)的定義

橡膠材料參數(shù)的定義

由上可以看出，邵氏硬度試驗(yàn)可以對(duì)橡膠O型圈試樣的硬度Ha進(jìn)行精確的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可以得到非常準(zhǔn)確的彈性模量，在ABAQUS軟件中，橡膠O型圈材料的定義可以由此實(shí)現(xiàn)。

2.2 有限元模型

軸對(duì)稱是O型密封圈的主要特性，如密封的受力和結(jié)構(gòu)性，因此，ABAQUS軟件中的有限元分析功能可以在在二維模式下對(duì)O型密封圈、油缸、活塞的軸對(duì)稱模型進(jìn)行定向分析，O型密封圈規(guī)格為10mm×1.8mm，使用材料是丁腈橡膠密封圈（NBR），試樣硬度為邵氏硬度90。

2.3 接觸邊界條件

在O型密封圈動(dòng)密封模擬仿真中，O型密封圈與油缸內(nèi)壁和活塞凹槽的表面均存在接觸問題[3]，在分析時(shí)設(shè)置成2對(duì)接觸對(duì)，摩擦因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為0.3。

3 計(jì)算結(jié)果以及分析

3.1 介質(zhì)壓力對(duì)接觸壓力的影響

推程路徑中，活塞和油缸之間存在一個(gè)摩擦力，流體介質(zhì)與密封圈之間的存在一個(gè)作用力，二力方向均為向右。在二力共同影響下，密封圈的左側(cè)面產(chǎn)生的變形。密封圈變形的程度會(huì)隨也介質(zhì)壓力的增加而嚴(yán)重，從而導(dǎo)致密封圈進(jìn)入活塞與油缸之間且介質(zhì)壓力越大堆積的數(shù)量就會(huì)越多。

在預(yù)壓縮率為15%、摩擦因數(shù)為0.3、運(yùn)動(dòng)速度為4m/s的模擬條件下產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)活塞處于推程的實(shí)驗(yàn)路徑中，壓力會(huì)因介質(zhì)不同而不同。O型密封圈和油缸接觸面之間的接觸壓力與介質(zhì)產(chǎn)生的壓力呈正比，但是接觸壓力曲線的變化情況趨勢(shì)一致。在不同的介質(zhì)壓力下，介質(zhì)壓力相比O型密封圈和油缸之間接觸面的接觸壓力都要小，這表明O型密封圈和油缸之間的接觸面可以達(dá)到密封性標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)路徑處于推程時(shí)，O型密封圈與活塞之間接觸面的接觸壓力會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)壓力的增大而增大。但是二者曲線變化的幅度跟介質(zhì)壓力變化呈正相關(guān)。在不同的介質(zhì)壓力下，O型密封圈與油缸之間的密封性更良好。

3.2 預(yù)壓縮率對(duì)接觸壓力的影響

在推程中的實(shí)驗(yàn)路徑下，介質(zhì)壓力為6MPa、運(yùn)動(dòng)速度為4m/s、摩擦因數(shù)為0.3的條件下，活塞在不同預(yù)壓縮率中的模擬仿真結(jié)果。推程實(shí)驗(yàn)中，O型密封圈和油缸之間接觸面的接觸壓力的變化與預(yù)壓縮率呈正相關(guān)影響，而二者之間的曲線變化幅度也與預(yù)壓縮率成正比。在推程的實(shí)驗(yàn)路徑下，預(yù)壓縮率為5%時(shí)，O型密封圈和油缸接觸面之間的接觸壓力均達(dá)不到6MPa，說(shuō)明O型密封圈無(wú)法與油缸之間接觸面有良好的密封性。O型密封圈與油缸之間接觸面的接觸壓力在預(yù)壓縮率設(shè)定10%、15%、20%時(shí)都能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。在不同的預(yù)壓縮率數(shù)值中，接觸壓力曲線變化幅度較小。只有在預(yù)壓縮率為15%、20%時(shí)，O型密封圈與活塞之間接觸面的接觸壓力大于6MPa。

4 失效原因

4.1 材料

密封圈失效的影響因素：第一，原材料的選擇上;第二，選擇材料的質(zhì)量。當(dāng)密封材料與流體產(chǎn)生排斥時(shí)，液體被橡膠吸收進(jìn)入從而產(chǎn)生了永久的形變。只有選擇合理的橡膠材料硬度，才能保證密封性能所需求的彈性，否則密封失效從而導(dǎo)致泄露。

4.2 初始接觸壓力

影響O型密封圈密封性能第一因素是初始接觸壓力。不合理的過盈量、不合理的外壓和機(jī)械損傷是導(dǎo)致O型圈初始接觸壓力不足的主要原因。

依據(jù)O型密封圈的密封原理，可以得出O型密封圈不僅僅需要合適的接觸壓力還需要適當(dāng)?shù)耐鈮翰拍軐?shí)現(xiàn)密封圈的彈性變形。但并不是說(shuō)外部壓力越大越好。當(dāng)外部壓力過大時(shí)，O型密封圈會(huì)被擠毀，就會(huì)失去密封功能。

5 結(jié)論

①O型密封圈密封面的接觸壓力變化正比于受介質(zhì)壓力、預(yù)壓縮率且影響較大;

②O型密封圈只有在預(yù)壓縮率不大于10%前提下才能滿足液壓式配氣系統(tǒng)的密封性要求。因此，預(yù)壓縮率的選擇合適與否決定了O型密封圈的密閉性能是否良好;

③合理的初始接觸壓力和外部壓力才能保證O型密封圈初始密封能力良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳國(guó)定，HaiserH，HaasW，等.O型封圈的有限元力學(xué)分析[J]機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（5）：740-742.

[2]劉溪涓，劉承宗，林鈞毅，等.一種含超彈性接觸問題的密封結(jié)構(gòu)的有限元求解方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001，12 （11）：1211-1213.

[3]鐘亮，趙俊利，范社衛(wèi).基于ABAQUS的O型密封圈密封性能仿真研究[J].煤礦機(jī)械，2014（3）：52-54.