壓縮率對(duì)O形橡膠密封圈密封性能的影響

1、陳占清 詹永麒 朱昌明( 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240 )摘要: 首先分析了 O 形橡膠密封圈有限元分析的現(xiàn)狀, 然后從工程實(shí)例入手, 分析了壓縮率對(duì)橡膠密封圈密封性能的影響, 利用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì) O 形橡膠密封圈在不同壓縮率下的接觸壓力分布進(jìn)行了分析, 說(shuō)明提高壓 縮率對(duì)密封圈的密封性能有顯著的影響; 以此分析結(jié)果為根底可以合理設(shè)計(jì)密封槽的尺寸和缸筒與活塞間的間隙。 關(guān)鍵詞: 密封 O 形橡膠密封圈; 壓縮率; 接觸壓力; 有限元分析中圖分類號(hào): IP42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B文章編號(hào): 1672- 8904 ( 2007) 02- 0046- 003該液壓缸

2、直徑為 320 mm, 油壓為 20 MPa, 拆開(kāi)未發(fā)現(xiàn)液壓缸部件有異常。在柱塞端部裝有 L 形密 封圈和 O 形密封圈。因 L 形密封圈的工作壓力為01 MPa, 在 20 MPa 的油壓作用下顯然不起作用。 起作用的是 O 形密封圈, 經(jīng)檢查, 未發(fā)現(xiàn) O 形密封圈有裂紋, 老化, 磨損等現(xiàn)象。最后計(jì)算壓縮率, 發(fā)現(xiàn)壓縮率過(guò)小2。 結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸為:前言密封的失效往往是使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)失效的重 要原因, 所以人們?cè)絹?lái)越重視密封性能的研究。國(guó) 外在此方面的研究工作較大地領(lǐng)先與國(guó)內(nèi), 主要表 現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:( a) 起步早;( b) 研究方法先進(jìn);( c) 研究隊(duì)伍素質(zhì)高;( d) 研究和生

3、產(chǎn)密封的企業(yè)實(shí)力強(qiáng)大。建國(guó)以來(lái), 與機(jī)械工業(yè)各類主機(jī)相比, 密封行 業(yè)起步較晚, 其開(kāi)展滯后已嚴(yán)重制約各類主機(jī)的發(fā)展, 此問(wèn)題已引起國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)和各有關(guān)部門(mén)的重視。O 形橡膠密封圈具有結(jié)構(gòu)緊湊, 制造簡(jiǎn)單, 安裝 使用方便, 密封效果好, 本錢(qián)低廉等特點(diǎn), 是一種適 應(yīng)性很強(qiáng)的密封件, 主要用于徑向和軸向的靜密 封, 以及速度及壓力較小情況下的動(dòng)密封。在液壓 元件的設(shè)計(jì)使用中, 應(yīng)特別注意橡膠密封安裝后的 壓縮率。壓縮率是指橡膠密封圈裝入密封槽后, 因 受擠壓、截面產(chǎn)生的壓縮變形率。壓縮率不能太小, 太小容易引起液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓油泄漏; 壓縮率也 不能過(guò)大, 過(guò)大容易使密封圈出現(xiàn)裂紋, 如作為動(dòng)

4、密封, 那么使密封圈與缸筒間的摩擦力增大, 影響柱 塞運(yùn)動(dòng)。液壓缸內(nèi)徑: !320+0.15 mm;0柱塞直徑: !320 0mm;- 0.15O 形密封圈截面直徑: !70.15 mm;+0.2內(nèi)徑: !3071.6 mm, 溝槽深: 6 0mmO 形密封圈最小壓縮率計(jì)算如下:dmin- (Hmax+Cmax)Ybmin=dmin式中dmin O 形密封圈的最小截面直徑;HmaxO 形密封圈最大溝槽深度;Cmax缸壁與柱塞的最大間隙。 所以最小壓縮率6.85- (6.2+0.15)Ybmin=7.3%6.85根據(jù)相關(guān)資料分析: 做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封件, 壓縮率應(yīng)為 10%20%, 才能獲得滿意的

5、效果。1工程實(shí)例某企業(yè)購(gòu)進(jìn)一臺(tái)液壓機(jī), 用于壓制皮革, 該機(jī)3O 形密封圈有限元分析密封圈的有限元計(jì)算, 由于其材料和幾何特性安裝使用后不久, 液壓缸發(fā)生泄漏, 拆開(kāi)檢查, 未發(fā)現(xiàn)零件有異常。更換密封圈后, 不久又發(fā)生泄漏。均呈非線性變化, 邊界條件也很復(fù)雜, 使得必須將密封圈及密封結(jié)構(gòu)的軸、孔作為整體進(jìn)行分析。密 封圈與軸、孔間存在擠壓作用, 因此密封圈的有限 元分析是個(gè)涉及橡膠材料和金屬材料的接觸問(wèn)題。 O 形密封圈與活塞和缸筒在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上是軸對(duì)故障分析2收稿日期: 2007- 01- 22作者簡(jiǎn)介: 陳占清, 碩士研究生。2007 年 3 月47陳占清等: 壓縮率對(duì) O 形橡膠密封圈密封

6、性能的影響稱的。在理想狀況下, 約束和載荷也是軸對(duì)稱的。由于載荷和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性, O 形密封圈問(wèn)題屬于軸對(duì) 稱問(wèn)題。因此, 可以把對(duì) O 形密封圈的研究由三維 變成兩維問(wèn)題, 其上任意一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變及變形 只與坐標(biāo) X 和 Y 有關(guān), 與其軸向位置無(wú)關(guān), 所以只 需研究坐標(biāo)平面 XOY 上的截面局部。建立計(jì)算模型時(shí), 選取了缸筒、活塞和 O 形密 封圈進(jìn)行研究。建模過(guò)程中, O 形密封圈作為柔體考慮, 缸筒和活塞作為剛體考慮。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型, 剛體均用線代表平面。如圖 1 所示, L1、L2、L3、L4 所 組 成 的 圓 代 表 O 形 密 封 圈 , L5 代 表 缸 筒 , L6、

7、L7、 L8、L9、L10 所組成的線段代表活塞。建模過(guò)程中省略 掉了局部缸筒和活塞材料, 這并不影響計(jì)算分析, 因?yàn)?O 形密封圈的失效主要發(fā)生在接觸面上。型;( 2) 定義單元類型, 選擇 Hyper 56;( 3) 定義材料單元屬性。彈性模量 E=6 MPa, 泊松比 =0.45, 在本計(jì)算 中, 采用兩個(gè)常數(shù)的應(yīng)變能函數(shù), 取 C10 和 C01 分別為 1.87 和 0.47。( 4)劃分網(wǎng)格步驟二: 創(chuàng)立接觸對(duì)ANSYS 的接觸對(duì)生成向?qū)Э梢苑奖愕厣煞治鲂枰慕佑|對(duì),在生成接觸對(duì)的同時(shí), ANSYS 將自動(dòng)定義所需的接觸單元和實(shí)常數(shù)號(hào)等。( 1) 翻開(kāi)接觸器管理器;( 2)創(chuàng)立接

8、觸對(duì)。由于接觸類型為剛- 柔接觸, 所以剛性面定義為目標(biāo)面, 柔性面定義為接觸面, 選擇面面接觸, 注 意接觸方向, 摩擦系數(shù)定為 0.2。步驟三: 施加載荷( 1)為 0;( 2) ( 3)活塞固定不動(dòng), 設(shè)置活塞各線 X、Y 向位移定義缸筒 X 方向位移為 0;給缸筒 Y 方向施加一負(fù)向位移( - 0.5 mm) ,并定義為 1 號(hào)載荷;( 4) 給 O 形密封圈左側(cè)施加線壓力(20 MPa),并定義為 2 號(hào)載荷。步驟四: 設(shè)置分析類型及分析選項(xiàng)( 1) 選擇分析類型; 選擇靜態(tài)分析。( 2) 設(shè)置分析選項(xiàng); 設(shè)置如圖 3 所示。 步驟五: 求解步驟六: 查看求解結(jié)果由圖 4 可以看出,

9、 接觸壓力的最大值發(fā)生在接 觸區(qū)域的中間部位, 為(19.00421.379) MPa,而橡膠 圈左側(cè)的油壓為 20 MPa, 從數(shù)值上可以看出, 油壓圖 1 實(shí)體模型模型幾何尺寸如下: 缸筒內(nèi)直徑: 320.15 mm; 活塞溝槽深度: 6.2 mm; 活塞溝槽底直徑: 307.45 mm; O 形密封圈直徑: 6.85 mm這樣建立的模型, 較好地模擬了 O 形密封圈與 缸筒、活塞間的摩擦與接觸的實(shí)際情況。在有限元模型中, O 形密封圈劃分了較細(xì)的單元網(wǎng)格, 全部為 四節(jié)點(diǎn)四邊形單元, 而活塞、缸筒等那么不劃分網(wǎng)格;有限元模型如圖 2。 具體分析過(guò)程如下:步驟一: 建立模型, 劃分網(wǎng)格(

10、1) 按照上述方法建立 O 形密封圈的實(shí)體模圖 3 分析選項(xiàng)圖 2 有限元模型48流體傳動(dòng)與控制2007 年第 2 期和接觸壓力最大值相差不大, 說(shuō)明是壓縮率太小引起泄漏。圖 5 接觸壓力圖 4 接觸壓力從上圖可以看出, 接觸壓力的最大值改變?yōu)?21.93724.679) MPa,滿足了 O 形密封圈的密封條件。4故障處理通過(guò)提高壓縮率可以解決這一故障。壓縮率的結(jié)論5提高可以通過(guò)縮小缸筒和柱塞之間的間隙來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以通過(guò)修補(bǔ)溝槽的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們采用后一 種方法來(lái)解決該故障; 具體如下:假定最小壓縮率為 Ybmin=11%, 那么溝槽深度計(jì)算 如下通過(guò)上述的分析發(fā)現(xiàn)壓縮率增加到了 11%后,最

11、大接觸壓力已經(jīng)滿足了密封條件。實(shí)際上通過(guò)故 障處理手段, 增加了壓縮率以后, 泄漏問(wèn)題得到了很好的解決。(1) 密封時(shí), 橡膠密封圈要有適當(dāng)?shù)膲嚎s率;(2) 通過(guò)實(shí)例的分析, 可以確定對(duì) O 形密封圈 的有限元分析是正確的, 在設(shè)計(jì)使用密封圈時(shí), 可 以先對(duì)其進(jìn)行有限元分析, 分析其密封性能是否滿 足要求;( 3) 在設(shè)計(jì)使用密封圈時(shí), 可以通過(guò) O 形密封 圈的有限元分析對(duì)密封圈、密封槽、活塞和缸筒的 設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化, 找到最合理的設(shè)計(jì)尺寸。參 考 文 獻(xiàn)1 高秀華.結(jié)構(gòu)力學(xué)與有限單元法原理M.長(zhǎng)春: 吉林科學(xué) 技術(shù)工業(yè)出版社, 19952 盧黎明.O 形密封圈壓縮率得應(yīng)用分析J.中國(guó)設(shè)備

12、與工 程, 2003( 4) , 573 詹永麒.液壓傳動(dòng)M.上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1999 4 徐 灝.密封M.北京: 冶金工業(yè)出版社, 19995 劉令勛, 劉英貴.動(dòng)態(tài)密封設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出 版社, 19936 左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)M.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002 7 榮廷藻.液壓系統(tǒng)故障處理M.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2002 dmin=6.85 mm, Cmax=0.15mmdmin- (Hmax+Cmax)Ybmin=dmin Hmax=dmin(1- Ybmin)- Cmax=6.85(1- 0.11)- 0.156mm據(jù)此, 先對(duì)柱塞進(jìn)行堆焊, 填補(bǔ)原溝槽, 再按所確定的溝槽尺寸進(jìn)行加工。5處理后密封圈有限元計(jì)算模型幾何尺寸如下: 缸筒內(nèi)直徑: 320.15 mm; 活塞溝槽深度: 6.0 mm;