O形橡胶密封圈配合挡圈密封的应力与接触压力有限元分析_

1、2009年 5月 第 34卷 第 5期润滑与密封LUBR I CATI O N ENGI N EER I N GMay 2009Vol 134No 15收稿日期 :2008-11-26作者简介 :饶建华 , 教授 , 从事机电一体化的教学和科研工作 . E 2mail:rao 2jh1631com 1O 形橡胶密封圈配合挡圈密封的应力与接触压力有限元分析饶建华 陆兆鹏(中国地质大学 湖北武汉 430074摘要 :利用有限元分析软件 M SC . MARC 对 O 形橡胶密封圈与挡圈密封在不同压力下的应力与接触压力进行了有 限元分析 , 探讨了不同压力下 O 形橡胶密封圈和挡圈柯西应力分布 、

2、接触压力与接触宽度的关系 、 O 形橡胶密封圈与挡 圈相互接触的弧长与油压及接触压力的关系 。 结果表明 O 形橡胶密封圈在配合挡圈的情况下的柯西应力主要集中于挡 圈的右上部分及左下部分 ; O 形橡胶密封圈与挡圈的接触弧长开始随油压的增加而增长 , 最后保持一定值 ; O 形橡胶密 封圈与挡圈的接触宽度与接触压力近似呈二次曲线 。关键词 :O 形橡胶密封圈 ; 挡圈 ; 应力分布中图分类号 :T B42 文献标识码 :A 文章编号 :0254-0150(2009 5-065-4Fi n ite Ele ment Ana lysis of Stress and Cont act Pressur

3、eof Rubber O 2sea li n g Ri n g R ao J ia nhua Lu (China University of Abstract:Based on finite element oft w are . contact p ressure of the rubber O 2sealingring with back 2up ring . The Cauchy stress distribution, the relati onship be 2t ween contact relati onshi p of contact length bet ween rubbe

4、r O 2sealing ring and back 2up ring and oil p p ressure were discussed . The results show that Cauchy stress concentrates on the right t op and the left bott om of the back 2up ring . The contact length bet ween rubber O 2sealing ring and back 2up ring becomes longer firstly with the increase of oil

5、 p ressure, then it keep s a certain value . The relati onship of contact width and contact p ressure bet ween rubber O 2sealing ring and back 2up ring is cl ose t o a conic .Keywords:rubber O 2sealing ring; back up 2ring; stress distribution O 形橡胶密封圈是一种小截面的圆环形密封件 。 其具有结构简单、 体积小 、 密封可靠、 价格便宜等特 点 , 广

6、泛应用于液压机械、汽车等领域 。当 O 形橡 胶密封圈配合挡圈使用后 , 工作压力可以大大提高 。陈国定等 1进行了 O 形密封圈的有限元力学分析 , 得出了在 3MPa 油压作用下 O 形橡胶密封圈的变形 图 , 以及轴和密封接触面间的接触压力及剪应力分布状态 。 周志鸿等 2进行了 O 形橡胶密封圈应力与接 触压力的有限元分析 , 得出了 O 形橡胶密封圈与轴 之间的最大接触压力随着压缩率、油压的增加而增 加 。 他们文中都提到了在大油压压力作用下需要在 O 形橡胶密封圈一侧配备挡圈 , 目的是防止 O 形橡胶 密封圈被挤出 , 但是使用挡圈为何可以防止 O 形橡 胶密封圈被挤出没有一定的

7、科学计算依据 , 使用挡圈 后应力与接触压力的有限元分析尚未有人进行 , 所以本文作者利用大型有限元分析软件 MSC 1MARC 对 O形橡胶密封圈配合挡圈密封的应力和接触应力进行有 限元分析是一项很有意义的工作 , 尤其是现今高压产 品被广泛应用的时期。 希望通过本文作者的分析为在 超高压的情况下使用挡圈提供一定的科学计算依据。 1 O 形橡胶密封圈及其挡圈分析模型的构建图 1 O 形橡胶密封圈与挡圈模型 Fig 1 Rubber O 2ring and back 2up ring model采用的 O 形橡胶密封圈及挡圈为美国 PARKER 公司的产品。 O 形橡胶密封圈的硬度为 I RH

8、D (国际 橡胶硬度等级 90, 型号为 22327, 挡圈采用 82327。 为简化计算量 , 模型采用 2D 平面进行建模。利用 MSC 1MARC 的网络划分功能 , 先建立 1/4截面的单 元 , 然后进行镜像形成 O 形橡胶密封圈的实际截面 单元 。 挡圈的模型利用转化法进行划分 , O 形橡胶密 封圈一共有 368个单元 , 挡圈有 72个单元。单元类 型采用 11号单元 。划分后的模型如图 1所示。分析 中采用的橡胶材料模型为近似不可压缩弹性材料的穆 尼 2瑞林 (Mooney 2R ivlin 模型 , Mooney 理论基于下 列假设 :(1 橡胶是不可压缩的而且在变形前是各

9、 向同性的 ; (2 简单剪切包括先受简单拉伸再在平 面截面上叠加简单剪切服从胡克定律。 R ivlin 采用材 料不可压缩及无变形状态是各向同性假设 。 各向同性 条件函数 W 对 3个主伸长率 1、 2、 3应为对称 。I 1=21+22+23(1 I 2=2122+2223+2321(2 I 3=212223(3 采用不变量形式的 Mooney 列式为 :W =C 1(I 1-3 +C 2(I 2-3(4其中 , C 1和 C 2均为正定常数 。材料模型 1, C 数的确定参照文献 3。2 O O 与轴 、 , 接触部分都采用网 格自适应功能。 若不采用网格重划分功能 , 结果可能 会出

10、现 O 形橡胶密封圈截面单位渗透出沟槽、 O 形 橡胶密封圈与挡圈由于相互作用导致计算结果不收敛致使计算程序中断等情况 , 因此为了更好地分析 O形橡胶密封圈与挡圈密封的过程 , 采用了这种网格重 划分技术。 摩擦模型采用库仑摩擦模型。库仑摩擦模型为 :fr -n t (5 式中 :n 为接触节点法向应力 ; fr 为切向 (摩擦 应力 ; 为摩擦因数 ; t 为滑动速度方向上的切向单 位矢量。本模型中采用轴与 O 形橡胶密封圈摩擦因数为 0103, O 形橡胶密封圈与挡圈的摩擦因数为 015, 摩 擦因数的选用参照文献 4。 3 边界条件及加载方法首先 , 模拟 O 形橡胶密封圈的安装过程

11、, 轴进 行下移动作 , 然后 , 在 O 形橡胶 , 使其达到最 3个 :第一是沟 , 其位置安装完成以 ; 第三是右侧的油压压力。根据实际情 况可知 O 形橡胶密封圈所受的真实压力只能是与刚 体未发生接触的单元边 。但是由于 O 形橡胶密封圈 的变形和刚体的压迫 , 无法预知承 压面的 准确位 置 , 因此在定义边界条件时 , 选择为可能的承压边 界 。 4 模拟及数据分析图 2 不同油压下的 Cauchy 应力云图 Fig 2 Cauchy stress under different oil p ressure 图 2给出了密封装置在安装完成及其以后右侧有 3, 5, 10MPa 油压

12、情况下的变形和 Cauchy 应力分布66润滑与密封 第 34卷 云图 。 柯西应力 (Cauchy stress 是根据当前面积和 当前几何变形得出 (变形后每单位面积的力 的 。 它是最本质的、 最易理解的应力值 , 能够最好地描述 材料响应。 一般来讲 , 应力值越大的区域 , 材料越容 易出现裂纹 , 随之密封圈发生撕裂破坏。此外 , 应力 越大 , 将加速橡胶材料的松弛。从图中可以看出 , 在 安装完成后 , O 形橡胶密封圈所受的应力主要集中于 中间的上下两侧 , 形状上看似 “ 哑铃 ” , 挡圈所受的 应力主要集中于左侧的上下两角和中间的右侧部分 。 随着右侧油压逐渐的增大 ,

13、 O 形橡胶密封圈的应力分 布开始发生变化 , 沿与挡圈接触的面的上下两侧间分 散 , 应力值逐渐增大 , 挡圈所受的应力由在安装状态 集中于其中部的位置开始沿其左上侧与左下侧集中 , 最后集中于左下侧及右上侧 , 所受应力大小随着油压 压力的增加而增加 。最后结果如图 2(d 所示 , O 形橡胶密封圈所受的应力分散了 , 所受应力主要集中 于和挡圈接触的上下两侧 , 大应力主要集中于挡圈的 右上部分和左下部分。图 3为 O , O 。 中可以看出随着右 , , 其峰值总 是大于油压的压力 , 这就保证了 O 形橡胶密封圈的 密封功能。 从图中还可以看出 , 接触压力随接触长度 的变化近似呈

14、二次曲线 , 接触压力值从最大处向两侧 减小 。 随着油压的增大 , 轴与密封圈的接触长度也增 加 。 图中所表示的零点 , 表明已经没有接触发生。 图 3 不用油压下 O 形橡胶密封圈与轴的接触压力与接触宽度的关系 Fig 3 Variation of contact p ressure bet ween O 2ring andaxis with contact width under different oil p ressure图 4为挡圈与轴在 4种油压下的接触压力与接触 宽度的关系 , 由图中可以看出 , 在右侧油压压力作用 不太大的情况下 (3和 5MPa 其接触压力与接触宽 度的

15、关系比较平缓 , 当其右侧压力到达 10MPa 时 , 出现了大的变动 , 接触压力最大值接近于挡圈本身的 右上端 , 经过分析认为是此时 O 形橡胶密封圈与挡 圈之间摩擦力作用的结果 。 由数值可以看出最大压力 并没有油压的压力大 , 说明挡圈只是用来配合密封圈 , 并不是依靠挡圈来进行密封。图 4 不同油压下挡圈与轴的接触压力与接触宽度的关系 Fig 4 Variation of contact p ressure bet ween back 2up ring andaxis with contact width under different oil p ressure图 5为油压为 0

16、10MPa 时 O 形橡胶密封圈和挡 圈最大 Cauchy 应力变化曲线。从图中可以看出挡圈 的最大 Cauchy , 且呈非 线性关系 , O 应力变化相 Cauchy 由最初的 51Cauchy 应力变 12144MPa, 防止了 O 形橡胶密封 。图 6为油压为 010MPa 时 O 形橡胶密封圈与挡 圈之间相互接触的接触弧长的关系曲线 , 由图中可以 看出在油压为 315MPa 之前与 315MPa 以后的曲线曲 率是明显有区别的 , 刚开始在油压的作用下 , O 形橡 胶密封圈与挡圈接触的弧长快速增加 , 说明 O 形橡 胶密封圈发生的形变比较快。后期随着油压的增加 , 弧长的增加速

17、度减缓。 由图 6并结合实际应用情况可762009年第 5期 饶建华等 :O 形橡胶密封圈配合挡圈密封的应力与接触压力有限元分析 知 , O 形橡胶密封圈将会与挡圈全面接触 , 使接触弧 长的值保持为沟槽底部到轴的距离 , 所以说挡圈的存 在使 O 形橡胶密封圈不会被挤入缝隙当中 , 从而有 效地防止了在没有挡圈存在时 O 形橡胶密封圈会发 生的间隙咬伤 , 延长了 O 形橡胶密封圈的使用寿命 。图 7为在油压为 3, 5, 10MPa 3种油压下 O 形 橡胶密封圈和挡圈之间的接触压力与接触宽度的关系 曲线 , 从图中可以看出两者呈非线性关系 , 它们之间 近似为二次曲线关系 , 最大接触压

18、力处于接触弧长的 中心 , 然后接触压力由接触宽度中心向两侧逐渐递减。图 7 O Fig 7 Variation of contact pressure ringand 5 结论(1 O Cauchy 应力都随油压的增加而增大 , 但是 O 形橡胶密封圈相对于挡圈应力值增加很缓慢 。(2 O 形橡胶密封圈与轴的接触压力与接触宽 度呈近似二次曲线关系 , 并且接触压力最大值始终大 于油压压力 , 保证了 O 形橡胶密封圈的密封功能 。 挡圈与轴的接触压力与接触宽度关系不呈二次曲线 , 其最大压力并不一定大于油压压力 。(3 O 形橡胶密封圈所受最大应力不是在没有 配合挡圈密封情况下的缝隙拐角处

19、, 而是分布在它与 挡圈接触侧的上部和下部 。 O 形橡胶密封圈与挡圈组 成密封装置所受的最大应力集中在挡圈的右上部分及 左下部分。 (4 随着油压压力的增加 , O 形橡胶密封圈与 挡圈相互挤压的程度增加 , 它们接触弧长的接触压力 和接触宽度关系近似呈二次曲线 , 接触弧长缓慢增 加 , 最后保持一定的值 , 即挡圈与 O 形橡胶密封圈 完全接触的弧长。(5 配合使用挡圈后的 O 形橡胶密封圈不会被 挤入缝隙当中 , 防止了间隙咬伤情况的发生 , 从而增 加了 O 形橡胶密封圈的使用寿命。参考文献【 1】 陈国定 , HA I SEH, HAAS W , 等 . O 形密封圈的有限元力学分

20、析 J .机械科学与技术 , 2000, 19(5 :625-626.Chen Guoding, HA I SEH, HAAS W , et al . Analysis of O -R ing Seals U sing the Finite ElementMethod J .Mechanical Science and Technology, 2000, (5 :625-626.【 2】 周志鸿 , , , 2006(4 :85-89. L i Jing, et al . Finite Ele 2and Contact Pressure on the Rubber O 2ring J .Lub

21、rication Engineering, 2006(4 :85-89.【 3】 王伟 , 邓涛 , 赵树高 . 橡胶 Mooney 2R ivlin 模型中材料常数的确定 J .特种橡胶制品 , 2004, 25(4 :8-10.W ang W ei, Deng Tao, Zhao Shugao .Confir m the materialconstant of the Mooney -R ivlin rubber model J .SpecialPur pose Rubber Products, 2004, 25(4 :8-10.【 4】 徐灏 . 机 械设计手册 M .北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1991.【 5】 任全彬 , 陈汝训 , 杨卫国 . 橡胶 O 形密封圈的变形及应力分析 J .航空动力学报 , 1995, 10(3 :241-244.Ren Quanbin, Chen Ruxu