压缩率对o形橡胶密封圈密封性能的影响

陈占清詹永麒朱昌明上海交通大学机械与动力工程学院上海200240摘要首先分析了O形橡胶密封圈有限元分析的现状,然后从工程实例入手,分析了压缩率对橡胶密封圈密封性能的影响,利用有限元分析软件ANSYS对O形橡胶密封圈在不同压缩率下的接触压力分布进行了分析,说明提高压缩率对密封圈的密封性能有显著的影响以此分析结果为基础可以合理设计密封槽的尺寸和缸筒与活塞间的间隙。关键词密封O形橡胶密封圈压缩率接触压力有限元分析中图分类号IP42文献标识码B文章编号167289042007020046003该液压缸直径为320MM,油压为20MPA,拆开未发现液压缸部件有异常。在柱塞端部装有L形密封圈和O形密封圈。因L形密封圈的工作压力为01MPA,在20MPA的油压作用下显然不起作用。起作用的是O形密封圈,经检查,未发现O形密封圈有裂纹,老化,磨损等现象。最后计算压缩率,发现压缩率过小2。结构相关尺寸为前言密封的失效往往是使整个系统运转失效的重要原因,所以人们越来越重视密封性能的研究。国外在此方面的研究工作较大地领先与国内,主要表现在以下几个方面A起步早B研究方法先进C研究队伍素质高D研究和生产密封的企业实力强大。建国以来,与机械工业各类主机相比,密封行业起步较晚,其发展滞后已严重制约各类主机的发展,此问题已引起国家领导和各有关部门的重视。O形橡胶密封圈具有结构紧凑,制造简单,安装使用方便,密封效果好,成本低廉等特点,是一种适应性很强的密封件,主要用于径向和轴向的静密封,以及速度及压力较小情况下的动密封。在液压元件的设计使用中,应特别注意橡胶密封安装后的压缩率。压缩率是指橡胶密封圈装入密封槽后,因受挤压、截面产生的压缩变形率。压缩率不能太小,太小容易引起液压系统产生液压油泄漏压缩率也不能过大,过大容易使密封圈出现裂纹,如作为动密封,则使密封圈与缸筒间的摩擦力增大,影响柱塞运动。液压缸内径320015MM0柱塞直径3200MM015O形密封圈截面直径7015MM02内径30716MM,沟槽深60MMO形密封圈最小压缩率计算如下DMINHMAXCMAXYBMINDMIN式中DMINO形密封圈的最小截面直径HMAXO形密封圈最大沟槽深度CMAX缸壁与柱塞的最大间隙。所以最小压缩率68562015YBMIN73685根据相关资料分析做往复运动的密封件,压缩率应为1020,才能获得满意的效果。1工程实例某企业购进一台液压机,用于压制皮革,该机3O形密封圈有限元分析密封圈的有限元计算,由于其材料和几何特性安装使用后不久,液压缸发生泄漏,拆开检查,未发现零件有异常。更换密封圈后,不久又发生泄漏。均呈非线性变化,边界条件也很复杂,使得必须将密封圈及密封结构的轴、孔作为整体进行分析。密封圈与轴、孔间存在挤压作用,因此密封圈的有限元分析是个涉及橡胶材料和金属材料的接触问题。O形密封圈与活塞和缸筒在内部结构上是轴对故障分析2收稿日期20070122作者简介陈占清,硕士研究生。2007年3月47陈占清等压缩率对O形橡胶密封圈密封性能的影响称的。在理想状况下,约束和载荷也是轴对称的。由于载荷和结构的对称性,O形密封圈问题属于轴对称问题。因此,可以把对O形密封圈的研究由三维变成两维问题,其上任意一点的应力、应变及变形只与坐标X和Y有关,与其轴向位置无关,所以只需研究坐标平面XOY上的截面部分。建立计算模型时,选取了缸筒、活塞和O形密封圈进行研究。建模过程中,O形密封圈作为柔体考虑,缸筒和活塞作为刚体考虑。为了进一步简化模型,刚体均用线代表平面。如图1所示,L1、L2、L3、L4所组成的圆代表O形密封圈,L5代表缸筒,L6、L7、L8、L9、L10所组成的线段代表活塞。建模过程中省略掉了部分缸筒和活塞材料,这并不影响计算分析,因为O形密封圈的失效主要发生在接触面上。型2定义单元类型,选择HYPER563定义材料单元属性。弹性模量E6MPA,泊松比045,在本计算中,采用两个常数的应变能函数,取C10和C01分别为187和047。4划分网格步骤二创建接触对ANSYS的接触对生成向导可以方便地生成分析需要的接触对,在生成接触对的同时,ANSYS将自动定义所需的接触单元和实常数号等。1打开接触器管理器2创建接触对。由于接触类型为刚柔接触,所以刚性面定义为目标面,柔性面定义为接触面,选择面面接触,注意接触方向,摩擦系数定为02。步骤三施加载荷1为023活塞固定不动,设置活塞各线X、Y向位移定义缸筒X方向位移为0给缸筒Y方向施加一负向位移05MM,并定义为1号载荷4给O形密封圈左侧施加线压力20MPA,并定义为2号载荷。步骤四设置分析类型及分析选项1选择分析类型选择静态分析。2设置分析选项设置如图3所示。步骤五求解步骤六查看求解结果由图4可以看出,接触压力的最大值发生在接触区域的中间部位,为1900421379MPA,而橡胶圈左侧的油压为20MPA,从数值上可以看出,油压图1实体模型模型几何尺寸如下缸筒内直径32015MM活塞沟槽深度62MM活塞沟槽底直径30745MMO形密封圈直径685MM这样建立的模型,较好地模拟了O形密封圈与缸筒、活塞间的摩擦与接触的实际情况。在有限元模型中,O形密封圈划分了较细的单元网格,全部为四节点四边形单元,而活塞、缸筒等则不划分网格有限元模型如图2。具体分析过程如下步骤一建立模型,划分网格1按照上述方法建立O形密封圈的实体模图3分析选项图2有限元模型48流体传动与控制2007年第2期和接触压力最大值相差不大,说明是压缩率太小引起泄漏。图5接触压力图4接触压力从上图可以看出,接触压力的最大值改变为2193724679MPA,满足了O形密封圈的密封条件。4故障处理通过提高压缩率可以解决这一故障。压缩率的结论5提高可以通过缩小缸筒和柱塞之间的间隙来实现,也可以通过修补沟槽的尺寸来实现。我们采用后一种方法来解决该故障具体如下假定最小压缩率为YBMIN11,则沟槽深度计算如下通过上述的分析发现压缩率增加到了11后,最大接触压力已经满足了密封条件。实际上通过故障处理手段,增加了压缩率以后,泄漏问题得到了很好的解决。1密封时,橡胶密封圈要有适当的压缩率2通过实例的分析,可以确定对O形密封圈的有限元分析是正确的,在设计使用密封圈时,可以先对其进行有限元分析,分析其密封性能是否满足要求3在设计使用密封圈时,可以通过O形密封圈的有限元分析对密封圈、密封槽、活塞和缸筒的设计尺寸进行优化,找到最合理的设计尺寸。参考文献1高秀华结构力学与有限单元法原理M长春吉林科学技术工业出版社,19952卢黎明O形密封圈压缩率得应用分析J中国设备与工程,20034,573詹永麒液压传动M上海上海交通大学出版社,19994徐灏密封M北京冶金工业出版社,19995刘令勋,刘英贵动态密封设计技术M北京中国标准出版社,19936左健民液压与气压传动M北京机械工业出版社,20027荣廷藻液压系统故障处理M北京机械工业出版社,2002DMIN685MM,CMAX015MMDMINHMAXCMAXYBMINDMINHMAXDMIN1YBMINCMAX68510110156MM据此,先对柱塞进行堆焊,填补原沟槽,再按所确定的沟槽尺寸进行加工。5处理后密封圈有限元计算模型几何尺寸如下缸筒内直径32015MM活塞沟