圈由于所计算的几组压缩量未达到其实现密封所需的
压缩量而使密封面处接触压力非常小且不能实现密
Байду номын сангаас
封 。由于橡胶圈在压缩率过大情况下 , 会慢慢自然老
化 , 降低弹性 , 产生永久变形 , 且部分胶料被挤入间
隙 , 造成破坏 , 导致密封失效 。因此矩形圈的老化速
度相比 O 形圈会相对较慢 。
图 8 密封圈有工作压力下接触压力图
向的位移都定 义 为 0。模 型 中 共 有 909 个 单 元 , 1
041个节点 。求解时按照 2 个载荷步进行求解 , 由缸
筒施加的作为压缩量的 X 方向位移定义为第一个载
荷步 , 施加在未与密封槽接触一侧的用来模拟密封圈
受到的外加工作压力定义为第二个载荷步 , 有限元模
型如图 5所示 。
表 1 2种密封截面尺寸的比较表
随压缩量 (即压缩率 ) 的变化曲线 , 可看出在压缩
量 、工况且沟槽尺寸均相同的情况下矩形圈密封面处
最大接触压力较 O 形圈大得多 , 且矩形圈的密封面
处最大接触压力随着压缩量的增大而逐渐增大 , 矩形
圈在很小压缩量的情况下可实现密封 , 在压缩率超过
推荐值时密封面处最大接触压力急剧增大 ; 而 O 形
3 基金项目 : 国防科工委十五 (二期 ) 重点攻关项目 (mkp t2 2004229) 1 收稿日期 : 2006 - 07 - 17 作者简介 : 谭晶 ( 1980—) , 女 , 博士研究生 , 主要研究方向 : 橡胶密封 1E2mail: 2005080037@ grad1buct1edu1cn1
2007年第 2期
谭 晶等 : 矩形橡胶密封圈的有限元分析
37
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 , 采用平面轴对称模型 。建立的矩形密封圈和 O 形密封圈的平面轴对称几何模型如图 3、4 所示 , 其 所建立的模型沟槽尺寸等均相同 (O 形密封圈的有限 元分析过程本文作者已作过详细的分析 , 这里不作详 细介绍 , 参见参考文献 [ 4 ] ) 。图中 r2 为槽边倒角半 径 (mm ) ; d2 为矩形圈截面尺寸 (mm) 。
关假设均参照前人所做的研究 , 这里不再累赘 , 详见
参考文献 [ 5 - 7 ]。其中描述橡胶材料的模型有多
种 , 本文采用应用较普遍的 Mooney2R ivlin 模型 , 利 用其简化后的仅有 2个材料常数的应变能函数 :
W = C1 ( I1 - 3) + C2 ( I2 - 3)
式中 : W 为 修 正 的 应 变 势 能 ; C1、 C2 为 材 料 常 数 (Mooney2R ivlin常数 ) ; I1、 I2 为应力张量的第 1、第 2不变量 ; 应力应变关系即为 :
σ = 9W / 9ε
矩形密封圈有限元模型
中共用超弹单元 HYPER56,
实体单元 PLANE42, 接触单
元 TARGE169 和 CONTA I172
四个单元 , 约束施加是把缸
筒的 X 方向施加一个位移 ,
视为压缩量 , 缸筒的 Y方向 图 5 矩形密封圈的
和轴套的外边界的 X、 Y方
有限元模型
Abstract:ANSYS was utilized to establish the finite element model of rectangular rubber seals, some factors influencing on contact p ressure of sealing face were taken into account, such as initial comp ressibility and liquid p ressure, and the results were compared with that of the O2rings. The results indicate that the contact p ressure of sealing face of the rectangular seals increases with the increase of initial comp ressibility or liquid p ressure. Comparing with the O2rings, rectangular seals has a more uniform contact stress, a bigger sealing face, a better sealing effect and it’s initial compressibility is smaller, it’s aging rate is slower and it’s dimension stability is better than O2rings’. Rectangular sealing ring can only be used for static sealing for its larger contact area and unsatisfying heat removal effect.
图 3 矩形密封圈 的几何模型
112 有限元模型
图 4 O 形密封圈 的几何模型
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 。其中所涉及的几何非线性 、橡胶体超弹材料
非线性 、边界 (状态 ) 非线性知识和进行的一些相
( 1. College of M echanical and Electrical Engineering, Beijing U niversity of Chem ical Technology, Beijing 100029, China; 2. No rthwest Research and D esign Institute of Rubber and Plastic, X ianyang Shaanxi 712023, China)
摘要 : 利用 ANSYS建立了矩形橡胶密封圈的有限元模型 , 分析了初始压缩率和液体压力对矩形圈变形和密封面处 接触压力的影响 , 并与 O形圈进行了对比 。结果表明 , 矩形圈密封面处的接触压力随初始压缩率和液体压力的增加而 增大 ; 矩形圈较 O形圈的接触压力均匀 、密封面大 、密封效果好且初始压缩率小 、老化速度慢 、尺寸稳定性好 , 但矩 形密封圈的接触面积大 , 散热效果差 , 只能用于静密封 。
现密封 , 矩形密封圈的压缩率为 8% ～14% (对于本
文模型压缩量 t为 01412 8 ～01722 4 mm ) , O 形圈的
压缩率则比较大 , 一般在 15% ～30% (对于本文模
型压缩量为 01799 5 ～11599 mm ) 。本文模型的工作
压力为 10 MPa, 从图 9 中的密封面处最大接触压力
O 形密封圈 d2 /mm 1180 ( 1178) 2165 ( 2162) 3155 ( 3153) 5130 ( 5133) 6199 ( 7100)
矩形密封圈 A /mm ( 1168) ( 2151) ( 3140) ( 5116) ( 6173)
注 : 括号内为美国标准 。
2 计算结果与分析 [ 8 - 9 ]
38 处的薄弱环节 。
图 7 密封圈无工作压力下接触压力图
润滑与密封
第 32卷
211 压缩量 t
密封作用主要是借安装时的预压力和在工作时由
工作介质的压力使密封圈产生变形来达到的 。密封与
否是由密封面最大接触压力
σ m ax
(MPa) 与工作压力
的大小决定的 , 密封面处最大接触压力大于工作压力
即实现密封 , 相反则未实现密封 。据资料 [2, 7 ] , 要实
和新组合式橡胶密封圈的研制奠定了良好的基础 。
图 1 矩形圈结构轮廓图 图 2 2种密封圈的 截面比较图
1 模型的建立 111 计算模型
本文模型按照参考文献 [ 1 ] 中提供的截面尺寸 (见表 1 ) 建立 , O 形 圈 和矩 形 圈 截 面 尺 寸 分 别 为 5133 mm 和 5116 mm , 材 料 采 用 腈 基 丁 二 烯 橡 胶 (NBR) 。对其进行有限元分析时由于边界条件的复
图 6 矩形和 O 形密封圈变形图
矩形密封圈与 O 形密封圈的密封机制相同且都 示了有 、无工作压力下密封圈的接触压力图 。图中可 可用于双向密封的密封件 , 但由于矩形密封圈与轴的 看出 , 静密封中矩形密封圈的总变形量在有 、无工作 接触面积大 , 运动过程中产生的热量难以散失 , 橡胶 压力的情况下均小于 O 形圈的变形量 ; 矩形密封圈 产生 “焦耳效应 ”从而对轴产生很大的抱紧力 , 摩 较 O 形圈的接触压力均匀 , 密封面大 , 密封效果好 ; 擦力急剧增大 , 密封圈极易被破坏失去密封作用 , 因 且在没有工作压力和有工作压力下矩形圈最大接触压 此 , 矩形密封圈只能应用于固定密封场合 。图 6显示 力的位置由密封面处转移到沟槽倒角处 , 此现象由间 了有 、无工作压力下密封圈的变形图 , 图 7、图 8 显 隙处密封圈的挤出现象所致 , 所以在使用时应考虑此
图 9 密封面处最大接触压力 图 10 密封圈密封面处最
随压缩量的变化曲线
大接触压力随工作
压力的变化曲线
212 工作压力 p
密封圈装入沟槽后无工作压力时 , 密封面接触压
力 pm 是由预压缩后的反弹力 p1 产生 , 实现密封作用 , 即 pm = p1 , 当有工作压力 p作用时 , 密封面接触压力 由 p1 和 p共同作用产生 , 即 :
2007年 2月 第 32卷 第 2期