劉桓龍，張毅，王國(guó)志，羅攀

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 前言

O形圈具有密封可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)，在各類(lèi)液壓元件的動(dòng)態(tài)往復(fù)密封被廣泛采用［1］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)O形圈的研究主要集中在大氣環(huán)境下而對(duì)深海環(huán)境下的往復(fù)密封研究較少［2-5］。

深海環(huán)境最大的特點(diǎn)是高壓，深度增加100 m，環(huán)境壓力就增大 1 MPa［6］。

利用ANSYS軟件建立O形圈往復(fù)密封結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱模型，對(duì)深海環(huán)境下往復(fù)密封的接觸應(yīng)力和摩擦應(yīng)力進(jìn)行分析，得到了不同密封過(guò)程中應(yīng)力的變化情況，為深海環(huán)境下O形圈往復(fù)密封性能的分析提供一定依據(jù)。

1 仿真模型的建立

1.1 計(jì)算模型

O形圈往復(fù)密封結(jié)構(gòu)中，為了提高承載壓力，防止O形圈出現(xiàn)間隙咬傷，通常將其與擋圈配合使用［1］，如圖1所示。往復(fù)密封結(jié)構(gòu)中，密封槽寬度5.6 mm，深度3.05 mm;擋圈截面高度3.10 mm，厚度1.02 mm，材料為聚四氟乙烯;O形圈直徑為φ3.53 mm，材料為丁腈橡膠。

圖1 密封結(jié)構(gòu)

1.2 有限元模型

橡膠是一種近似不可壓縮、高彈性、高度非線性的超彈性體，ANSYS中采用簡(jiǎn)化后僅有2個(gè)材料參數(shù)的 Mooney-Rivlin模型，即W=C10(I1-3)+C01(I2-3)，其中I1，I2為應(yīng)力張量不變量，C10、C01分別取 1.87 MPa、0.47 MPa［4］。

在ANSYS中為了分析方便將帶有擋圈的O形圈往復(fù)密封結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化，如圖2所示。其中O形圈采用超彈性單元 PLANE182，彈性模量E=14.04 MPa，泊松比σ=0.499，O形圈密封結(jié)構(gòu)的接觸類(lèi)型為剛?cè)峤佑|，剛性面為目標(biāo)面、柔性面為接觸面，接觸單元分別采用TARGE169、CONTA172單元，摩擦因數(shù)取 0.1［4，7］。

圖2 仿真模型

2 模擬載荷

深海環(huán)境下，O形圈單側(cè)承載往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封狀態(tài)有3種:非工作狀態(tài)、靜壓狀態(tài)和往復(fù)狀態(tài)。在ANSYS中可通過(guò)6個(gè)載荷模擬:(1)預(yù)壓縮載荷，模擬O形圈的安裝;(2)環(huán)境壓力載荷，模擬O形圈從海面逐漸下潛到深海過(guò)程;(3)溫度載荷，模擬溫度變化;(4)密封壓力載荷，模擬承載狀態(tài);(5)缸體右移載荷，模擬內(nèi)行程;(6)缸體左移載荷，模擬外行程［8］。其中，預(yù)壓縮率15%，深海環(huán)境壓力110 MPa，海面溫度30℃、海下2℃，密封壓力30 MPa，往復(fù)位移10 mm。

3 結(jié)果分析

3.1 等效應(yīng)力分析

非工作狀態(tài)下，等效應(yīng)力分布如圖3所示;靜壓工作狀態(tài)和往復(fù)工作狀態(tài)下，等效應(yīng)力分布如圖4所示。

圖3 非工作狀態(tài)下等效應(yīng)力

圖4 工作狀態(tài)下等效應(yīng)力

從圖3可知，非工作狀態(tài)下，O形圈發(fā)生壓縮變形其等效應(yīng)力分布是對(duì)稱的，應(yīng)力最大區(qū)域呈啞鈴狀且應(yīng)力由內(nèi)向外逐漸減小;從圖4可知，工作狀態(tài)下O形圈發(fā)生較大變形，變形后與擋圈和密封槽等緊密結(jié)合在一起，其等效應(yīng)力分布大體上呈現(xiàn)對(duì)稱狀，最大應(yīng)力區(qū)域分布在擋圈右側(cè)上下兩個(gè)部位，O形圈中間和左右兩側(cè)應(yīng)力較小。

3.2 接觸應(yīng)力分析

非工作狀態(tài)下，接觸應(yīng)力分布如圖5所示;靜壓和往復(fù)工作狀態(tài)下，接觸應(yīng)力分布如圖6所示。

圖5 非工作狀態(tài)下接觸應(yīng)力

圖6 工作狀態(tài)下接觸應(yīng)力

從圖5可知，非工作狀態(tài)下，O形圈與接觸面間的接觸應(yīng)力分布呈拋物線形，中間較大兩側(cè)較小，且有一定長(zhǎng)度的接觸帶;從圖6可知，工作狀態(tài)下O形圈與接觸面間的接觸應(yīng)力分布較為對(duì)稱，在擋圈和上下接觸帶的中間部分接觸應(yīng)力最大，范圍在31.7 MPa和35.7 MPa之間，大于所承載的密封壓力30 MPa，滿足密封要求。

往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封過(guò)程中，海面和深海環(huán)境下最大接觸應(yīng)力的變化如圖7所示。

圖7 最大接觸應(yīng)力的變化圖

從圖7可知，往復(fù)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，接觸應(yīng)力不斷變化，之后趨于平穩(wěn);海面和深海不同環(huán)境下，接觸應(yīng)力基本相等，深海高壓環(huán)境對(duì)接觸應(yīng)力的影響很小，可忽略不計(jì)。

3.3 摩擦應(yīng)力分析

非工作狀態(tài)下，摩擦應(yīng)力分布如圖8所示;靜壓工作狀態(tài)下，分布如圖9所示;內(nèi)外行程分布圖如圖10和11所示。

圖8 非工作狀態(tài)摩擦應(yīng)力

從圖8可知，壓縮載荷作用下摩擦應(yīng)力分布呈拋物線狀，接觸中心點(diǎn)摩擦應(yīng)力最大，兩側(cè)逐漸減小，接觸帶兩側(cè)摩擦應(yīng)力方向相反大小相等且以接觸帶的中心點(diǎn)對(duì)稱。

圖9 靜壓狀態(tài)摩擦應(yīng)力

從圖9可知，施加密封壓力后，O形圈與擋圈上下兩部分產(chǎn)生摩擦應(yīng)力且大小基本相等方向相反，O形圈與上下接觸面的摩擦應(yīng)力方向相同大小基本相等，即O形圈上部有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，下部有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖10 內(nèi)行程摩擦應(yīng)力

從圖10可知，缸體右移載荷作用下O形圈與上下接觸面的接觸應(yīng)力變大，與擋圈上部分的接觸應(yīng)力變大、下部分的接觸應(yīng)力變小，即O形圈上部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)變大，下部逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)變小。

圖11 外行程摩擦應(yīng)力

從圖11可知，缸體左移載荷作用下O形圈與上接觸面的接觸應(yīng)力變大、方向變反，與下接觸面的接觸應(yīng)力變小，與擋圈接觸應(yīng)力方向變得一致，即O形圈整體有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封過(guò)程中，海面和深海環(huán)境下最大摩擦應(yīng)力的變化如圖12所示。

圖12 最大摩擦應(yīng)力的變化圖

從圖12可知，往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，最大摩擦應(yīng)力大小相等﹑方向相反;運(yùn)動(dòng)剛開(kāi)始時(shí)，摩擦應(yīng)力不斷變化，運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后趨于平穩(wěn);海面和深海不同環(huán)境下，摩擦應(yīng)力基本相等，深海高壓環(huán)境對(duì)摩擦應(yīng)力的影響很小，可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

(1)深海各工作狀態(tài)下，O形圈接觸應(yīng)力大于密封壓力，可實(shí)現(xiàn)可靠密封;

(2)往復(fù)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，接觸應(yīng)力和摩擦應(yīng)力在變化之后趨于平穩(wěn);

(3)深海環(huán)境下，O形圈往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸和摩擦應(yīng)力大小與其在海面環(huán)境下一致，深海環(huán)境對(duì)密封性能影響很小，可以忽略。

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