压缩率对O形橡胶密封圈密封性能的影响

1、陈占清 詹永麒 朱昌明( 上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240 )摘要: 首先分析了 O 形橡胶密封圈有限元分析的现状, 然后从工程实例入手, 分析了压缩率对橡胶密封圈密封性能的影响, 利用有限元分析软件 ANSYS 对 O 形橡胶密封圈在不同压缩率下的接触压力分布进行了分析, 说明提高压 缩率对密封圈的密封性能有显著的影响; 以此分析结果为根底可以合理设计密封槽的尺寸和缸筒与活塞间的间隙。 关键词: 密封 O 形橡胶密封圈; 压缩率; 接触压力; 有限元分析中图分类号: IP42文献标识码: B文章编号: 1672- 8904 ( 2007) 02- 0046- 003该液压缸

2、直径为 320 mm, 油压为 20 MPa, 拆开未发现液压缸部件有异常。在柱塞端部装有 L 形密 封圈和 O 形密封圈。因 L 形密封圈的工作压力为01 MPa, 在 20 MPa 的油压作用下显然不起作用。 起作用的是 O 形密封圈, 经检查, 未发现 O 形密封圈有裂纹, 老化, 磨损等现象。最后计算压缩率, 发现压缩率过小2。 结构相关尺寸为:前言密封的失效往往是使整个系统运转失效的重 要原因, 所以人们越来越重视密封性能的研究。国 外在此方面的研究工作较大地领先与国内, 主要表 现在以下几个方面:( a) 起步早;( b) 研究方法先进;( c) 研究队伍素质高;( d) 研究和生

3、产密封的企业实力强大。建国以来, 与机械工业各类主机相比, 密封行 业起步较晚, 其开展滞后已严重制约各类主机的发展, 此问题已引起国家领导和各有关部门的重视。O 形橡胶密封圈具有结构紧凑, 制造简单, 安装 使用方便, 密封效果好, 本钱低廉等特点, 是一种适 应性很强的密封件, 主要用于径向和轴向的静密 封, 以及速度及压力较小情况下的动密封。在液压 元件的设计使用中, 应特别注意橡胶密封安装后的 压缩率。压缩率是指橡胶密封圈装入密封槽后, 因 受挤压、截面产生的压缩变形率。压缩率不能太小, 太小容易引起液压系统产生液压油泄漏; 压缩率也 不能过大, 过大容易使密封圈出现裂纹, 如作为动

4、密封, 那么使密封圈与缸筒间的摩擦力增大, 影响柱 塞运动。液压缸内径: !320+0.15 mm;0柱塞直径: !320 0mm;- 0.15O 形密封圈截面直径: !70.15 mm;+0.2内径: !3071.6 mm, 沟槽深: 6 0mmO 形密封圈最小压缩率计算如下:dmin- (Hmax+Cmax)Ybmin=dmin式中dmin O 形密封圈的最小截面直径;HmaxO 形密封圈最大沟槽深度;Cmax缸壁与柱塞的最大间隙。 所以最小压缩率6.85- (6.2+0.15)Ybmin=7.3%6.85根据相关资料分析: 做往复运动的密封件, 压缩率应为 10%20%, 才能获得满意的

5、效果。1工程实例某企业购进一台液压机, 用于压制皮革, 该机3O 形密封圈有限元分析密封圈的有限元计算, 由于其材料和几何特性安装使用后不久, 液压缸发生泄漏, 拆开检查, 未发现零件有异常。更换密封圈后, 不久又发生泄漏。均呈非线性变化, 边界条件也很复杂, 使得必须将密封圈及密封结构的轴、孔作为整体进行分析。密 封圈与轴、孔间存在挤压作用, 因此密封圈的有限 元分析是个涉及橡胶材料和金属材料的接触问题。 O 形密封圈与活塞和缸筒在内部结构上是轴对故障分析2收稿日期: 2007- 01- 22作者简介: 陈占清, 硕士研究生。2007 年 3 月47陈占清等: 压缩率对 O 形橡胶密封圈密封

6、性能的影响称的。在理想状况下, 约束和载荷也是轴对称的。由于载荷和结构的对称性, O 形密封圈问题属于轴对 称问题。因此, 可以把对 O 形密封圈的研究由三维 变成两维问题, 其上任意一点的应力、应变及变形 只与坐标 X 和 Y 有关, 与其轴向位置无关, 所以只 需研究坐标平面 XOY 上的截面局部。建立计算模型时, 选取了缸筒、活塞和 O 形密 封圈进行研究。建模过程中, O 形密封圈作为柔体考虑, 缸筒和活塞作为刚体考虑。为了进一步简化模型, 刚体均用线代表平面。如图 1 所示, L1、L2、L3、L4 所 组 成 的 圆 代 表 O 形 密 封 圈 , L5 代 表 缸 筒 , L6、

7、L7、 L8、L9、L10 所组成的线段代表活塞。建模过程中省略 掉了局部缸筒和活塞材料, 这并不影响计算分析, 因为 O 形密封圈的失效主要发生在接触面上。型;( 2) 定义单元类型, 选择 Hyper 56;( 3) 定义材料单元属性。弹性模量 E=6 MPa, 泊松比 =0.45, 在本计算 中, 采用两个常数的应变能函数, 取 C10 和 C01 分别为 1.87 和 0.47。( 4)划分网格步骤二: 创立接触对ANSYS 的接触对生成向导可以方便地生成分析需要的接触对,在生成接触对的同时, ANSYS 将自动定义所需的接触单元和实常数号等。( 1) 翻开接触器管理器;( 2)创立接

8、触对。由于接触类型为刚- 柔接触, 所以刚性面定义为目标面, 柔性面定义为接触面, 选择面面接触, 注 意接触方向, 摩擦系数定为 0.2。步骤三: 施加载荷( 1)为 0;( 2) ( 3)活塞固定不动, 设置活塞各线 X、Y 向位移定义缸筒 X 方向位移为 0;给缸筒 Y 方向施加一负向位移( - 0.5 mm) ,并定义为 1 号载荷;( 4) 给 O 形密封圈左侧施加线压力(20 MPa),并定义为 2 号载荷。步骤四: 设置分析类型及分析选项( 1) 选择分析类型; 选择静态分析。( 2) 设置分析选项; 设置如图 3 所示。 步骤五: 求解步骤六: 查看求解结果由图 4 可以看出,

9、 接触压力的最大值发生在接 触区域的中间部位, 为(19.00421.379) MPa,而橡胶 圈左侧的油压为 20 MPa, 从数值上可以看出, 油压图 1 实体模型模型几何尺寸如下: 缸筒内直径: 320.15 mm; 活塞沟槽深度: 6.2 mm; 活塞沟槽底直径: 307.45 mm; O 形密封圈直径: 6.85 mm这样建立的模型, 较好地模拟了 O 形密封圈与 缸筒、活塞间的摩擦与接触的实际情况。在有限元模型中, O 形密封圈划分了较细的单元网格, 全部为 四节点四边形单元, 而活塞、缸筒等那么不划分网格;有限元模型如图 2。 具体分析过程如下:步骤一: 建立模型, 划分网格(

10、1) 按照上述方法建立 O 形密封圈的实体模图 3 分析选项图 2 有限元模型48流体传动与控制2007 年第 2 期和接触压力最大值相差不大, 说明是压缩率太小引起泄漏。图 5 接触压力图 4 接触压力从上图可以看出, 接触压力的最大值改变为(21.93724.679) MPa,满足了 O 形密封圈的密封条件。4故障处理通过提高压缩率可以解决这一故障。压缩率的结论5提高可以通过缩小缸筒和柱塞之间的间隙来实现,也可以通过修补沟槽的尺寸来实现。我们采用后一 种方法来解决该故障; 具体如下:假定最小压缩率为 Ybmin=11%, 那么沟槽深度计算 如下通过上述的分析发现压缩率增加到了 11%后,最

11、大接触压力已经满足了密封条件。实际上通过故 障处理手段, 增加了压缩率以后, 泄漏问题得到了很好的解决。(1) 密封时, 橡胶密封圈要有适当的压缩率;(2) 通过实例的分析, 可以确定对 O 形密封圈 的有限元分析是正确的, 在设计使用密封圈时, 可 以先对其进行有限元分析, 分析其密封性能是否满 足要求;( 3) 在设计使用密封圈时, 可以通过 O 形密封 圈的有限元分析对密封圈、密封槽、活塞和缸筒的 设计尺寸进行优化, 找到最合理的设计尺寸。参 考 文 献1 高秀华.结构力学与有限单元法原理M.长春: 吉林科学 技术工业出版社, 19952 卢黎明.O 形密封圈压缩率得应用分析J.中国设备

12、与工 程, 2003( 4) , 573 詹永麒.液压传动M.上海: 上海交通大学出版社, 1999 4 徐 灏.密封M.北京: 冶金工业出版社, 19995 刘令勋, 刘英贵.动态密封设计技术M.北京: 中国标准出 版社, 19936 左健民.液压与气压传动M.北京: 机械工业出版社, 2002 7 荣廷藻.液压系统故障处理M.北京: 机械工业出版社,2002 dmin=6.85 mm, Cmax=0.15mmdmin- (Hmax+Cmax)Ybmin=dmin Hmax=dmin(1- Ybmin)- Cmax=6.85(1- 0.11)- 0.156mm据此, 先对柱塞进行堆焊, 填补原沟槽, 再按所确定的沟槽尺寸进行加工。5处理后密封圈有限元计算模型几何尺寸如下: 缸筒内直径: 320.15 mm; 活塞沟槽深度: 6.0 mm;