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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
2009年5月第34卷第5期
润滑与密封
LUBRICATIONENGINEERING
May2009
Vol134No15
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.E2mail:
rao2jh@1631com1
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
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MSC.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、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:
TB42 文献标识码:
A 文章编号:
0254-0150(20095-065-4
FiniteElementAnalysisofStressandContactPressure
ofRubberO2sealingRingRaoJianhua Lu(ChinaUniversityof
Abstract:
Basedonfiniteelementoftware.contactpressureoftherubberO2sealing
ringwithback2upring.TheCauchystressdistribution,therelationshipbe2tweencontactrelationshipofcontactlengthbetweenrubberO2sealingringandback2upringandoilppressurewerediscussed.TheresultsshowthatCauchystressconcentratesontherighttopandtheleftbottomoftheback2upring.ThecontactlengthbetweenrubberO2sealingringandback2upringbecomeslongerfirstlywiththeincreaseofoilpressure,thenitkeepsacertainvalue.TherelationshipofcontactwidthandcontactpressurebetweenrubberO2sealingringandback2upringisclosetoaconic.
Keywords:
rubberO2sealingring;backup2ring;stressdistribution
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MSC1MARC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Fig1 RubberO2ringandback2upringmodel
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IRHD(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MSC1MARC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(Mooney2Rivlin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。
Rivlin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λ1、λ2、λ3应为对称。
I1=λ21+λ22+λ2
3
(1I2=λ2
1λ2
2+λ2
2λ2
3+λ2
3λ2
1(2I3=λ2
1λ2
2λ2
3
(3采用不变量形式的Mooney列式为:
W=C1(I1-3+C2(I2-3
(4
其中,C1和C2均为正定常数。
材料模型1,C数的确定参照文献[3]。
2 OO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:
σfr≤-μσnt(5式中:
σn为接触节点法向应力;σfr为切向(摩擦应力;μ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,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Fig2 Cauchystressunderdifferentoilpressure
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(Cauchystress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,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
Fig3 VariationofcontactpressurebetweenO2ringand
axiswithcontactwidthunderdifferentoilpressure
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Fig4 Variationofcontactpressurebetweenback2upringand
axiswithcontactwidthunderdifferentoilpressure
图5为油压为0~10MPa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0~10MPa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,弧长的增加速度减缓。
由图6并结合实际应用情况可
7
62009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3,5,10MPa3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 Fig7 Variationofcontactpressurering
and5 结论
(1OCauchy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。
(2O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。
(3O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,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
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85-89.LiJing,etal.FiniteEle2
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ogy,1990,63(5:
792-805.
DNCu21型油溶性纳米铜(合金研究与开发项目通过鉴定
由河南大学张治军教授主持的NPS-Z型纳米聚
硅减阻增注剂及DNCu-1型油溶性纳米铜(合金研究与开发项目通过河南省科技厅组织的科技成果项目鉴定。
鉴定委员会由中国工程院院士、中国科学院兰州化学物理研究所研究员薛群基研究员,石油大学张嗣伟教授分别担任主任,郑州大学副校长、研究员常俊标,武汉材料保护研究所研究员李健,中科院兰州化物所研究员陈建敏,河南工程学院副院长卢奎教授,
河南省科学院化学所研究员余学军等任委员的7位专家组成。
鉴定委员会认为2个项目技术方案具有创新性,产品各项技术指标符合相关企业标准,产品质量和工艺技术达到国际先进水平,并在实际应用中取得了良好的效果,具有显著的经济效益和社会效益。
最后,鉴定委员会一致同意通过鉴定,并建议进一步加强市场推广和应用。
86润滑与密封第34卷
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- 橡胶密封圈 配合 密封 应力 接触 压力 有限元分析