O形圈和矩形圈靜密封性能仿真對比研究

陸云江，黃 敬

[1.蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123；2.景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373]

橡塑密封按是否存在相對運動可分為靜密封和動密封，靜密封是依靠封閉接合面間的間隙實現(xiàn)密封功能，O形圈和矩形圈是兩種常見的靜密封制品，具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造簡單、安裝方便、成本低廉等優(yōu)點。相對而言O(shè)形圈的應(yīng)用更為普遍，相關(guān)學(xué)者對O形圈的研究也較多[1-4]，但矩形圈作為O形圈的替代品之一，很少有學(xué)者對其展開研究。

本工作基于有限元分析軟件Ansys建立了O形圈和矩形圈的二維軸對稱模型，分析對比預(yù)安裝、介質(zhì)壓力、尺寸公差波動對兩者的密封性能，如接觸壓力和徑向力的影響，以期為兩者的選型互換提供參考。

1 有限元分析模型的建立

GB/T 3452.1—2005推薦的O形圈截面直徑有5檔，分別為1.80，2.65，3.55，5.30和7.00 mm，選擇中間檔3.55 mm直徑的截面作為研究對象，公差為±0.1 mm，O形圈內(nèi)徑選擇100 mm，公差為±0.65 mm。為了便于對比，矩形圈的尺寸及公差取值與O形圈保持一致。

借助繪圖軟件分別建立O形圈和矩形圈組成的密封系統(tǒng)（主要包括密封圈和溝槽）幾何模型，如圖1所示。其中溝槽尺寸與GB/T 3452.1—2005中徑向密封的靜密封溝槽尺寸相符，槽寬為4.8 mm，槽深為2.9 mm，孔徑為105 mm。

圖1 密封系統(tǒng)幾何模型

密封圈的材料為橡膠，選用兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型進行定義，C10取3.38，C01取-0.43，溝槽的材料為金屬，定義其彈性模量（E）為200 GPa，泊松比（ε）為0.3。

由于密封圈受力具有軸對稱特點，采用PLANE182單元建立二維軸對稱有限元分析模型進行分析，設(shè)置兩個載荷步進行分析，載荷步1用于分析密封圈預(yù)安裝狀態(tài)，通過位移加載實現(xiàn)；載荷步2用于分析密封圈承受介質(zhì)壓力狀態(tài)（以下簡稱承壓狀態(tài)），通過介質(zhì)壓力加載實現(xiàn)。

2 影響因素分析

2.1 預(yù)安裝狀態(tài)

預(yù)安裝狀態(tài)下O形圈和矩形圈的有限元分析結(jié)果如圖2所示。通過對有限元分析結(jié)果進行處理得到O形圈和矩形圈預(yù)安裝狀態(tài)下的接觸壓力分布（見圖3）和預(yù)安裝過程中的徑向力變化（見圖4），其中接觸寬度以密封件截面的中點作為 零點。

圖2 預(yù)安裝狀態(tài)下兩種密封圈的有限元分析結(jié)果

圖3 預(yù)安裝狀態(tài)下密封圈的接觸壓力分布

圖4 預(yù)安裝過程中密封圈徑向力的變化

從圖3和4可知，預(yù)安裝狀態(tài)下矩形圈的接觸壓力分布寬度、最大接觸壓力和徑向力明顯大于O形圈，且兩種結(jié)構(gòu)密封圈的接觸壓力分布形式也不相同，矩形圈的接觸壓力峰值分布在接觸區(qū)兩側(cè)，接觸區(qū)中間呈近似均勻分布，而O形圈的接觸壓力峰值位于接觸區(qū)中間，整體呈拋物線分布。

2.2 承壓狀態(tài)

5和10 MPa承壓狀態(tài)下O形圈和矩形圈的有限元分析結(jié)果分別如圖5和6所示。通過對結(jié)果進行處理得到O形圈和矩形圈承壓狀態(tài)下的接觸壓力分布（見圖7）和承壓過程中的徑向力變化（見圖8）。承壓狀態(tài)下O形圈和矩形圈最大接觸壓力與徑向力隨著介質(zhì)壓力的變化情況如圖9所示。

圖5 5 MPa承壓狀態(tài)下兩種密封圈的有限元分析結(jié)果

圖6 10 MPa承壓狀態(tài)下兩種密封圈的有限元分析結(jié)果

圖7 承壓狀態(tài)下密封圈的接觸壓力分布

圖8 承壓過程中密封圈徑向力的變化

從圖7和8可知，與預(yù)安裝狀態(tài)相似，相同介質(zhì)壓力下矩形圈的接觸壓力分布寬度、最大接觸壓力和徑向力明顯大于O形圈。

從圖9可知，O形圈和矩形圈的最大接觸壓力和徑向力都會隨著介質(zhì)壓力的提高而提高，其中兩者最大接觸壓力隨介質(zhì)壓力的提高而提高的趨勢相同，而矩形圈徑向力隨介質(zhì)壓力的提高而提高的速度要大于O形圈。

圖9 最大接觸壓力與徑向力隨介質(zhì)壓力的變化

2.3 公差波動影響

O形圈和矩形圈截面上公差和下公差波動對有限元分析結(jié)果的影響如圖10和11所示。O形圈和矩形圈內(nèi)徑上公差和下公差波動對有限元分析結(jié)果的影響如圖12和13所示。對比分析截面和內(nèi)徑尺寸取上、下公差時與取理論公稱值時的 差異。

圖10 密封圈截面上公差波動分析結(jié)果

圖11 密封圈截面下公差波動分析結(jié)果

圖12 密封圈內(nèi)徑上公差波動分析結(jié)果

圖14及表1示出了尺寸公差波動對O形圈和矩形圈接觸壓力的影響，圖15及表2示出了尺寸公差波動對O形圈和矩形圈徑向力的影響。

表2 尺寸公差波動對O形圈和矩形圈最大徑向力的影響

圖13 密封圈內(nèi)徑下公差波動分析結(jié)果

圖15 尺寸公差波動對密封圈徑向力的影響

從圖14和15以及表1和2可以看出，無論是產(chǎn)品內(nèi)徑還是截面，尺寸下公差都會使O形圈和矩形圈接觸壓力和徑向力降低，尺寸上公差會使之提高，在O形圈和矩形圈內(nèi)徑和截面尺寸公差允許的波動范圍內(nèi)，截面尺寸波動對O形圈和矩形圈接觸壓力和徑向力的影響遠(yuǎn)比內(nèi)徑尺寸波動的影響大。同時，尺寸公差波動對矩形圈最大接觸壓力的影響顯著大于對O形圈的影響，但對O形圈和矩形圈最大徑向力的影響相近。

圖14 尺寸公差波動對密封圈接觸壓力的影響

表1 尺寸公差波動對O形圈和矩形圈最大接觸壓力的影響

3 結(jié)論

通過Ansys軟件建立O形圈和矩形圈的有限元分析模型，對比預(yù)安裝狀態(tài)、介質(zhì)壓力、尺寸公差波動等因素對兩種密封圈接觸壓力和徑向力的影響，得出以下結(jié)論。

（1）預(yù)安裝時，矩形圈的接觸壓力分布寬度、最大接觸壓力和徑向力明顯大于O形圈，其中矩形圈的接觸壓力峰值分布在接觸區(qū)兩側(cè)，接觸區(qū)中間壓力呈近似均勻分布，而O形圈的接觸壓力峰值位于接觸區(qū)中間，整體呈拋物線分布。

（2）承受介質(zhì)壓力時，O形圈和矩形圈的接觸壓力分布與預(yù)安裝狀態(tài)下相似，兩種密封圈的最大接觸壓力和徑向力都會隨著介質(zhì)壓力的提高而提高，其中最大接觸壓力隨著介質(zhì)壓力的提高而提高的趨勢相同，而矩形圈徑向力的提高速度大于O形圈。

（3）尺寸公差波動時，無論是O形圈和矩形圈的內(nèi)徑還是截面，其尺寸下公差都會使接觸壓力和徑向力降低，尺寸上公差都會使接觸壓力和徑向力提高，在公差允許波動范圍內(nèi)，截面尺寸波動對接觸壓力和徑向力的影響遠(yuǎn)比內(nèi)徑尺寸波動的影響大。尺寸公差波動對O形圈和矩形圈最大徑向力的影響相近，但尺寸波動對矩形圈最大接觸壓力的影響顯著大于對O形圈的影響。