O形圈在深海環(huán)境下往復密封應力分析

劉桓龍，張毅，王國志，羅攀

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 前言

O形圈具有密封可靠、結構簡單、體積小等特點，在各類液壓元件的動態(tài)往復密封被廣泛采用［1］。目前，國內外學者對O形圈的研究主要集中在大氣環(huán)境下而對深海環(huán)境下的往復密封研究較少［2-5］。

深海環(huán)境最大的特點是高壓，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形圈往復密封結構的二維軸對稱模型，對深海環(huán)境下往復密封的接觸應力和摩擦應力進行分析，得到了不同密封過程中應力的變化情況，為深海環(huán)境下O形圈往復密封性能的分析提供一定依據。

1 仿真模型的建立

1.1 計算模型

O形圈往復密封結構中，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。往復密封結構中，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 密封結構

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中采用簡化后僅有2個材料參數的 Mooney-Rivlin模型，即W=C10(I1-3)+C01(I2-3)，其中I1，I2為應力張量不變量，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形圈往復密封結構模型簡化，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形圈密封結構的接觸類型為剛柔接觸，剛性面為目標面、柔性面為接觸面，接觸單元分別采用TARGE169、CONTA172單元，摩擦因數取 0.1［4，7］。

圖2 仿真模型

2 模擬載荷

深海環(huán)境下，O形圈單側承載往復運動的密封狀態(tài)有3種:非工作狀態(tài)、靜壓狀態(tài)和往復狀態(tài)。在ANSYS中可通過6個載荷模擬:(1)預壓縮載荷，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，模擬內行程;(6)缸體左移載荷，模擬外行程［8］。其中，預壓縮率15%，深海環(huán)境壓力110 MPa，海面溫度30℃、海下2℃，密封壓力30 MPa，往復位移10 mm。

3 結果分析

3.1 等效應力分析

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

圖3 非工作狀態(tài)下等效應力

圖4 工作狀態(tài)下等效應力

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力分布是對稱的，應力最大區(qū)域呈啞鈴狀且應力由內向外逐漸減小;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合在一起，其等效應力分布大體上呈現(xiàn)對稱狀，最大應力區(qū)域分布在擋圈右側上下兩個部位，O形圈中間和左右兩側應力較小。

3.2 接觸應力分析

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

圖5 非工作狀態(tài)下接觸應力

圖6 工作狀態(tài)下接觸應力

從圖5可知，非工作狀態(tài)下，O形圈與接觸面間的接觸應力分布呈拋物線形，中間較大兩側較小，且有一定長度的接觸帶;從圖6可知，工作狀態(tài)下O形圈與接觸面間的接觸應力分布較為對稱，在擋圈和上下接觸帶的中間部分接觸應力最大，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。

往復運動密封過程中，海面和深海環(huán)境下最大接觸應力的變化如圖7所示。

圖7 最大接觸應力的變化圖

從圖7可知，往復運動開始時，接觸應力不斷變化，之后趨于平穩(wěn);海面和深海不同環(huán)境下，接觸應力基本相等，深海高壓環(huán)境對接觸應力的影響很小，可忽略不計。

3.3 摩擦應力分析

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

圖8 非工作狀態(tài)摩擦應力

從圖8可知，壓縮載荷作用下摩擦應力分布呈拋物線狀，接觸中心點摩擦應力最大，兩側逐漸減小，接觸帶兩側摩擦應力方向相反大小相等且以接觸帶的中心點對稱。

圖9 靜壓狀態(tài)摩擦應力

從圖9可知，施加密封壓力后，O形圈與擋圈上下兩部分產生摩擦應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力方向相同大小基本相等，即O形圈上部有順時針旋轉的運動趨勢，下部有逆時針旋轉的運動趨勢。

圖10 內行程摩擦應力

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力變大，與擋圈上部分的接觸應力變大、下部分的接觸應力變小，即O形圈上部順時針旋轉的運動趨勢變大，下部逆時針旋轉的運動趨勢變小。

圖11 外行程摩擦應力

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力變大、方向變反，與下接觸面的接觸應力變小，與擋圈接觸應力方向變得一致，即O形圈整體有逆時針旋轉的趨勢。

往復運動密封過程中，海面和深海環(huán)境下最大摩擦應力的變化如圖12所示。

圖12 最大摩擦應力的變化圖

從圖12可知，往復運動過程中，最大摩擦應力大小相等﹑方向相反;運動剛開始時，摩擦應力不斷變化，運動一段時間后趨于平穩(wěn);海面和深海不同環(huán)境下，摩擦應力基本相等，深海高壓環(huán)境對摩擦應力的影響很小，可以忽略不計。

4 結論

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

(2)往復運動開始時，接觸應力和摩擦應力在變化之后趨于平穩(wěn);

(3)深海環(huán)境下，O形圈往復運動時接觸和摩擦應力大小與其在海面環(huán)境下一致，深海環(huán)境對密封性能影響很小，可以忽略。

［1］黃迷梅.液壓氣動密封與泄漏防治［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［2］LIAO Chuanjun，HUANG Weifeng，WANG Yuming，etal.Fluid-solid Interaction Model for Hydraulic Reciprocating O-ring Seals［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，26(1):85-94.

［3］徐同江.基于ANSYS的O形密封圈的有限元分析［D］.濟南:山東大學，2012.

［4］吳瓊，索雙富，廖傳軍，等.丁腈橡膠O形圈往復密封性能實驗研究［J］.潤滑與密封，2012，37(2):29-33.

［5］陳慶，陳利強，康博.往復運動橡膠O形密封圈密封機制及其特性的研究［J］.潤滑與密封，2011，36(6):76-78.

［6］曹學鵬.深海電液比例液壓源關鍵技術及工作特性研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［7］劉振東.深海活塞式壓力補償器的力學特性分析［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2013.

［8］鄭輝，張付英.液壓往復密封泄漏量的有限元分析［J］.機床與液壓，2011，39(8):58-61.