基于ANSYS的防塵密封圈密封性能研究

張清奎，何遠宏，徐 敏

［安徽華菱星馬（集團）汽車股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000］

A型防塵密封圈（簡稱A型圈）應用于往復運動的動密封，屬唇形密封圈范疇。當A型圈裝入密封腔體后，唇部被活塞桿壓縮，發生微小扭轉，并在接觸表面產生一定的接觸應力，利用這個應力實現防塵密封。因此，A型圈唇部結構尺寸直接影響密封圈的密封性能。目前，國內外對不同材料和非標準A型圈的研究較少。本工作利用大型有限元分析軟件ANSYS建立A型圈軸對稱有限元模型，對分別以氟橡膠（FKM）、丁腈橡膠（NBR）和聚氨酯（PU）為基體的3種橡塑材料A型圈進行接觸應力、平均應力及應力分布的對比分析。

1 A型圈有限元分析模型

由于邊界條件復雜，對A型圈進行有限元計算時必須將A型圈及活塞桿、密封腔體作為整體進行分析。A型圈與活塞桿、密封腔體之間存在擠壓作用，因此A型圈的有限元分析包含橡塑材料和金屬材料的接觸問題。

1.1 橡塑材料的本構模型

目前密封產品大多采用橡塑共混材料，在對密封件進行有限元分析時，需明確其本構關系。由于橡塑共混材料防塵密封圈的基體仍然以橡膠材料為主，因此，橡膠材料的本構關系適用于橡塑共混材料。

為了得到橡膠材料性質的數學表達式，通常采用“唯象”的處理方法，即不涉及分子結構理論而通過數學推理的方法獲得。這種方法的主要作用是找到描述橡膠性質的最簡便途徑，而不用對分子級的物理意義進行解釋。本文只對一般性的唯象理論，即適用于一般應變問題的Mooney-Rivlin理論進行研究[1]。

Mooney-Rivlin模型用來模擬橡膠材料行為，該理論可以較好地描述橡膠類不可壓縮超彈性材料在大變形下的力學特征，其應變能密度函數為

式中，W為應變能密度；C1和C2為材料Mooney-Rivlin系數；I1，I2和I3為第一、二和三格林（Green）應變不變量；I1=λ12+λ22+λ32，I2=λ12λ22+λ22λ32+λ12λ32，I3=λ12λ22λ32，其中λi（i=1，2，3）為主拉伸率；α為體積彈性模量，對于不可壓縮的超彈性體，引入條件I3=1。

對于不可壓縮超彈性材料，應力表征為應變能函數對應變的偏導數，其本構方程為

式中，Sij為比奧雷-克西霍夫（Piola-Kirchhoff）應力，W為應變能密度，Eij為格林應變張量的分量[2-3]。本文采用Mooney-Rivlin兩項式應變能描述橡膠超彈性材料的特征。

1.2 A型圈有限元模型的建立

本研究A型圈材料為分別以FKM，NBR和PU為基體的3種橡塑材料，其邵爾A型硬度分別為85，90和95度，FKM基體材料的參數C1和C2分別為2.2和0.057，NBR基體材料的參數C1和C2分別為2.65和0.056，PU基體材料的參數C1和C2分別為3.2和0.055。軸徑和開式溝槽尺寸按照文獻[4]取值。有限元分析采用國際上通用的大型有限元分析軟件ANSYS，其中部分后處理工作采用Excel數據處理軟件，具體平面軸對稱有限元模型見圖1。

圖1 防塵圈的平面軸對稱有限元模型

由于鋼構成的密封腔體的彈性模量是橡膠的幾萬倍，因此將軸、溝槽視為剛性，不考慮變形，軸和密封腔體與密封圈的接觸視為剛性與柔性的接觸。在模型網格劃分中，由于研究的是密封圈與軸之間接觸應力，因此對密封圈的唇部劃分較細，其中橡膠單元采用超彈性單元HYPER 74，模型中的接觸單元由接觸單元CONTA 172和目標單元TARGE 169配對組成。

1.3 A型圈有限元分析

參照文獻[4]對A型圈進行建模分析，該步驟主要對A型圈與軸及密封腔體的接觸應力分析，結合A型圈內應力分析，判定A型圈容易發生破壞的位置。由于A型圈系列標準公稱尺寸很多，因此不能將分析結果圖片全部給出。為了說明分析結論具有普遍性，選取全系A型圈兩端（8和320 mm）及中部軸徑（90 mm），分析結果如圖2～7所示。

從圖2～7中8，90和320 mm軸用防塵圈的接觸應力和平均應力可以看出，A型圈應力分布規律有如下共性。

圖2 8 mm軸用防塵圈接觸應力分析結果

從接觸應力看，唇部接觸應力是保證A型圈防塵的關鍵，接觸應力過大會使摩擦磨損增加，縮短A型圈的使用壽命；接觸應力過小會降低A型圈的防塵效果。理想的密封性能需要A型圈唇部有適當的接觸應力與合理的應力分布形式。

圖3 90 mm軸用防塵圈接觸應力分析結果

圖4 320 mm軸用防塵圈接觸應力分析結果

圖5 8 mm軸用防塵圈平均應力分布分析結果

圖6 90 mm軸用防塵圈平均應力分布分析結果

圖7 320 mm軸用防塵圈平均應力分布分析結果

從平均應力分布看，唇部靠近軸面部位受到的拉伸應力最大，在軸往復運動過程中最易發生撕裂，即A型圈唇部是承受各種應力最為集中的部位。在A型圈實際使用過程中，唇部也是最容易發生破壞與失效的地方，因此A型圈唇部是關乎其防塵效果與使用壽命的關鍵部位。

此外，接觸應力的分布形式對A型圈也非常關鍵。實踐證明，唇部接觸應力矩形分布是最理想的分布形式。

綜上所述，研究A型圈唇部尺寸結構變化對應力及應力分布的影響尤為重要。

2 A型圈唇部尺寸對接觸應力的影響分析

以40 mm軸用防塵密封圈為例，比較了以FKM，NBR和PU為基體的3種橡塑材料A型圈唇部尺寸對接觸應力的影響，結果如圖8～13所示。唇部長度標準值為3.6 mm，唇部長度變化值為3.1，3.4，3.9及4.1 mm。唇尖厚度標準值為0.85 mm，唇尖厚度變化值為0.55，0.65，0.75，0.95及1.05 mm。

圖8 唇部最大接觸應力隨唇部長度的變化

對比圖8和10可以看出，以NBR和PU為基體的橡塑材料軸用防塵圈的唇部長度與唇尖厚度變化后的最大接觸應力曲線與以FKM為基體的橡塑材料軸用防塵圈相同，以PU為基體的橡塑材料軸用防塵圈唇部長度、唇尖厚度變化后的最大接觸應力相對于以NBR為基體的橡塑材料軸用防塵圈的增幅比以NBR為基體的橡塑材料軸用防塵圈唇部長度、唇尖厚度變化后的最大接觸應力相對于以FKM為基體的橡塑材料軸用防塵圈的增幅大。唇部長度變化對最大接觸應力影響比較穩定。對3種橡塑材料A型圈單個唇部長度、唇尖厚度變化分析（圖略）可以得出：要降低最大接觸應力，減小唇部長度得到的接觸應力分布（矩形分布）比減小唇尖厚度效果更為理想，這是由于唇尖厚度變小時唇尖接觸應力值過小，防塵效果不佳；要提高最大接觸應力，增大唇尖厚度比減小唇部長度效果更為明顯。需要注意的是，當增大最大接觸應力時，最大接觸應力會向唇尖處移動，優點是可以增強防塵效果，缺點是會增加摩擦磨損，縮短防塵圈壽命。

對比圖9和11可以看出，3種材料A型圈唇部長度變化對平均接觸應力的影響比唇尖厚度變化大，因此在唇部結構設計時需考慮唇部長度及唇尖厚度對平均接觸應力的影響程度。

圖9 唇部平均接觸應力隨唇部長度的變化

圖10 唇部最大接觸應力隨唇尖厚度的變化

圖11 唇部平均接觸應力隨唇尖厚度的變化

圖12 40 mmA型圈唇部接觸長度隨唇部長度的變化

圖13 40 mmA型圈唇部接觸長度隨唇尖厚度的變化

從最大接觸應力與平均接觸應力分析可以看出：在只考慮材料硬度不考慮材料其他物理性能的情況下，唇部最大接觸應力隨材料硬度的增大而增大（硬度每上升5度接觸應力增加20%）；3種材料的唇部平均接觸應力與唇部最大接觸應力類似，硬度每上升5度，平均接觸應力增加20%左右。

綜上所述，要得到預期接觸應力及其分布，應結合唇部長度及唇尖厚度變化對接觸應力及其分布形式的影響規律，合理設計唇部結構以得到最佳結構尺寸，從而達到最好的防塵效果和使用壽命。

3 結語

采用有限元方法分析了不同材料A型圈唇部尺寸改變對密封性能的影響，得出以下結論。

（1）唇部尺寸對接觸應力大小及應力分布影響明顯，通過分析對比，可以得到改善唇部結構尺寸的方法。降低最大接觸應力，減小唇部長度得到的接觸應力分布比減小唇尖厚度更為理想；提高最大接觸應力，增大唇尖厚度比減小唇部長度效果更為明顯。

（2）在只考慮材料硬度不考慮材料其他物理性能的情況下，唇部最大接觸應力隨硬度的增大而增大（硬度每上升5度接觸應力增加20%）。3種材料的唇部平均接觸應力與唇部最大接觸應力類似，硬度每上升5度，平均接觸應力增加20%左右。