O形橡胶密封圈的热应力耦合分析

1、O形橡胶密封圈的热应力耦合分析 研究原油高温热采工具O 形橡胶密封圈在高温高压下的密封特性。借助于大型有限元分析软件ANSYS，建立O 形橡胶密封圈及其边界的二维轴对称有限元模型，研究油压、装配间隙和摩擦因数对密封面最大接触应力、剪切应力和Von Mises 应力的影响，并采用热应力耦合分析方法，分析温度对O 形密封圈密封性能的影响。结果说明：摩擦因数对应力影响不大，而油压和装配间隙对应力影响很大，过大的装配间隙会造成O 形橡胶密封圈最大接触应力下降和最大剪切应力上升，造成密封失效；当温度升高时，密封圈最大剪切应力和接触应力相应减小，而最大Von Mises 应力明显减小，因此真空技术网(ht

2、tp：/)认为应使O 形密封圈在适当的温度下工作，以确保密封的可靠性。 随着国民经济的快速发展，陆地石油资源的不断减少，海上稠油开采将会成为热点之一。海上稠油开采通常采用高温热采作业模式，因此对开采工具的高温高压密封性能要求较高。当前原油开采一般都是在150 以下开展，开采工具的密封部件基本上都是采用简单高效、可靠性高的橡胶O 形圈，而橡胶O 形圈的耐用性、可靠性以及密封性能对温度比较敏感，同时对安装构造尺寸也有一定的要求。O 形密封圈简称O 形圈，是一种截面为圆形的橡胶密封圈，其成本低廉、安装和使用方便，被广泛应用于机械、汽车、动力及石油化工等领域。 对于常温下橡胶O 形圈的密封性能，目前研

3、究报道较多，而对于高温(150 以上) 下密封性能的研究，公开报道尚不多见。研究高温( 在橡胶材料可用最高温度范围内) 和高压( 稠油开采要求最高压强到达20 MPa) 下橡胶O 形圈的热应力耦合特性，对提升稠油高温热采工具密封性能有着至关重要的作用，可为密封部件的选择和构造优化提供理论依据和数据支撑。 本文作者利用ANSYS 有限元分析软件对O 形橡胶密封圈开展应力分析，并采用热应力耦合分析方法，分析温度对O 形密封圈密封性能的影响，得到温度与应力变化的关系。 1、模型的建立 1. 1、几何模型的建立 O 形橡胶密封圈工作时依靠密封圈发生弹性变形，在密封接触面上产生接触应力，当接触应力大于密

4、封介质的压力时，则不发生泄漏。如图1(a) 所示，当O 型密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形，对接触面产生一定的不均匀的初始接触密封压力，即使没有介质压力或者压力很小，O 型密封圈也能靠自身的弹性力作用实现密封。如图1(b) 所示，当容腔内充入有压力的介质后，在介质压力p 的作用下，O 形密封圈发生位移，移向低压侧，且其弹性变形进一步加大，填充和封闭了密封间隙。 图1 O 形密封圈工作原理 鉴于O 形橡胶密封圈边界条件的复杂性，对其开展有限元分析时，将密封构造作为整体分析。根据密封构造的几何形状、材料、边界条件的特点和ANSYS 的功能，O 形橡胶密封圈的模型可以简化为二

5、维平面对称模型，并且取其1 /2 开展分析。本文作者以最常见的O 型橡胶密封圈的密封构造( 端面密封) 为例，如图2 所示，建立O 形圈的几何模型。O形橡胶密封圈受到来自端面的安装预紧力的挤压，产生形变，在弹性力作用下，和接触面严密接触，形成密封。 图2 O 形密封圈的几何模型 1. 2、有限元模型的建立 首先做如下几点假设： (1) O 形密封圈具有确定的弹性模量E 和泊松比； (2) O 形密封圈材料拉伸与压缩的蠕变性质相同； (3) O 形密封圈受到的轴向压缩视为由约束边界的指定位移引起； (4) O 形密封圈的蠕变不引起体积的变化，即O形密封圈的橡胶材料不可压缩。 O 形橡胶密封圈具有

6、高度的非线性，即几何非线性、材料非线性、状态非线性同时存在。研究的O形橡胶密封圈选自某公司生产的全氟醚橡胶密封圈，规格为7075 O-Ring，尺寸为114 mm 3.2 mm，硬度为HRA 75，线膨胀系数为2. 5 10-4-1。该产品具有卓越的耐热性和耐腐蚀性。 3、结论 (1) 油压对最大Von Mises 应力影响很大，在其他参数不变的情况下，随着油压的增大，O 形密封圈最大Von Mises 呈现大幅度增加的趋势； 而最大接触应力和最大剪切应力随着油压的增大呈小幅增加的趋势，且增幅最终趋于平缓； 总体来说，摩擦因数对O形密封圈的密封性能影响不大； 过大的装配间隙会造成O 形橡胶密封圈压缩量缺陷，最大接触应力下降和最大剪切应力上升，最终会造成密封失效，因此装配间隙不宜过大。 (2) 当温度升高时，最大接触应力、最大剪切应力和最大Von Mises 应力都呈下降的趋势，其中温度对Von Mi