o形旋转圈结构参数对范米塞斯应力的影响

o形旋转圈结构参数对范米塞斯应力的影响

1总结橡胶密封结构简单、拆卸可靠、成本低、结构紧凑、易安装等特点，广泛应用于机械工程中。2有限分析模型2.1密封的有限元模型根据有限元分析理论,在ABAQUS中建立单侧位移受限橡胶O形密封圈的有限元模型。研究选取GB3452.1-92橡胶O形密封圈,密封圈的材料为丁腈橡胶(NBR)。液压油缸旋转轴用O形圈的计算模型,如图1所示。图中:d—旋转轴直径;W—O形圈截面直径。2.2基本假设橡胶材料为近似不可压缩的超弹性体,具有几何非线性、材料非线性和接触非线性。针对研究对象做出以下假设2.3建立简化模型在ABAQUS中建立转轴、橡胶O形密封圈和缸体二维轴对称模型。转轴和凹槽材料为钢,钢的密度、泊松比、密度分别为2.1×10C采用轴对称四边形单元CAX4R对模型进行网格划分,划分后的简化有限元模型,如图2所示。在模型中通过施加2个载荷分析步来实现。(1)对缸体施加Y方向位移载荷,模拟O形圈过盈安装;(2)对O形圈未与缸体接触的一侧施加均布压力,模拟O形圈受到的介质压力P。模型中定义了2个接触对即轴与橡胶O形圈的接触以及O形圈与缸体的接触。为了使计算收敛,它们之间采用库伦摩擦,摩擦因素取0.2。3密封性能分析VonMises应力反应了截面上各主应力差值的大小,一般来讲,VonMises应力越大,将越加速橡胶材料的松弛,从而造成刚度下降,材料越容易出现裂纹,导致密封失效。接触压力的大小反应了O形圈的密封能力,O形圈保证密封必须满足密封面最大接触压力不小于工作介质压力。通过利用有限元方法主要研究不同结构参数对密封结构中密封件变形、VonMises和密封面最大接触压力的影响。3.1旋转轴直径对应力值的影响O形圈在安装时存在一定的过盈量,会产生径向压缩。不同旋转轴直径下的VonMises应力分布,如图4所示。从图4中可以看出,在其他条件不变的条件下,随着旋转轴直径的增大,左侧应力集中区域逐渐变大,并向中间扩展。这是因为,压缩位移引起的应变值为:ε=δ/d(2)式中:ε—应变值,压缩位移;d—旋转轴直径。在压缩位移相同的情况下,O形圈内径越大,应变值越小,反之应变值越大。再加上橡胶材料弹性模量较小易变形,这就使内径较小的O形圈受到径向压缩时产生的变形主要集中于O形圈外侧,而随着旋转轴直径的增大,相应的形变就会往内圈扩散而在内外径处变得对称。不同旋转轴直径与应力的关系曲线,如图5(a)所示。从图5(a)中可以看出,在其他条件不变的条件下,随着旋转轴直径的增大,VonMises应力和接触压力减小,最后变化趋于平缓。这表明,旋转轴直径较小时,VonMises应力过大,容易导致密封失效;同时接触压力过大也不利于安装。因此,选择合理的旋转轴直径可以减小VonMises应力,有利于避免O形圈应力松弛、刚度降低造成的密封失效。在介质压力10MPa下,旋转轴直径与应力的关系曲线,如图5(b)所示。从图5(b)中可以看出,在其他条件不变的情况下,旋转轴直径对VonMises应力和接触压力的影响与前述一致。因此,在满足使用要求的条件下,尽量选择较大的旋转轴直径。3.2不同截面直径对预应力集中区域的影响O形圈截面直径已经列入国家标准,但实际工作中,有时同一情况下可以选择几种截面直径,如果不合理的选择O形圈截面直径,容易引起安装困难和密封圈的失效。不同截面直径下O形圈的VonMises应力分布情况,如图6所示。由图6可以看出在其他条件不变的情况下,随着O形圈截面直径的增大,左侧应力集中区域逐渐变小。这是因为右侧主要受周向压缩,而左侧周向压缩影响比较小。结合图4,实际中可以通过增大旋转轴直径来改变这种单侧应力集中。因此,截面直径小的O形圈更适用于旋转轴直径较小的情况。O形圈截面直径与VonMises应力和接触压力的关系曲线,如图7(a)所示。由图7(a)可以看出,在其他条件不变的情况下,随着O形圈截面直径的增大,VonMises应力和接触压力都呈近似线性规律增大。这说明O形圈截面直径过大容易导致VonMises应力过大,容易使密封疲劳破坏。在介质压力10MPa的情况下,VonMises应力和接触压力的关系曲线,如图7(b)所示。从图7(b)中可以看出,随着O形圈截面直径增大,VonMises应力先减小,再趋于平缓;接触压力变化不大。3.3焦耳效应的定义旋转密封在使用中不易生成润滑油膜,密封表面易摩擦发热,温度不断上升,O形圈在高温下收缩,对轴抱的更紧,使密封面接触压力增大,导致摩擦力增大,如此反复,大大加剧橡胶老化龟裂和磨损,极易导致密封失效,这一现象称为焦耳效应4不同截面直径对应力松弛率的影响(1)在介质压力为0MPa的情况下,随着旋转轴直径增大,应力集中由O形圈外径一侧逐渐变为O形圈内外径两侧对称,同时最大接触应力和VonMises应力减小,因此,旋转轴直径较大有利于避免O形圈应力松弛,发生压缩永久变形,弹性降低,从而导致密封失效;(2)旋转轴直径一定时,随着O形圈截面直径的增大,应力集中由对称的两侧变为O形圈外径一侧,最大应力增大。因此要根据旋转轴直径选择合理O形圈截面直径,防止VonMises应力和接触压力过大,利于安装。(3)随着内圆周向压缩率的增大,VonMises应力呈近似线性增