O型密封圈的動密封性及失效分析

余浪 常佩琛 謝禹鈞

摘 要：考慮到活塞摩擦系數為0.3的液壓氣體分配系統，采用ABAQUS運行軟件對O型密封圈分析模型的進行分析，以4m/s的運動速度和6MPa的介質壓力作為O型密封圈分析模型的運行參數，將從兩個方面液壓配氣系統對O型密封圈動態密度特性的影響進行研究。結果顯示：O型圈密封面接觸壓力受介質壓力和預壓縮率影響較大且呈正比。當O型密封圈密封性的預壓縮率小于10%時，密封性滿足要求。O型密封圈密封性能失效的主要原因是不合理的初始接觸壓力。因此，為保證O型圈良好的密封性能，選擇合適的預壓縮率和初始接觸壓力是考慮的第一因素。

關鍵詞：O型密封圈;動密封;接觸壓力;預壓縮率;有限元;失效原因

0 引言

O型密封圈是由一個或多個零件配合組成的，因其許多優點而廣泛使用于液壓和氣動系統中[1]。在高速加工過程中，O型密封圈的工作非常復雜，密封圈的接觸壓力因此受到深刻的影響，使其運動狀態變得更加復雜。因此，檢查O型形密封圈的性能尤為關鍵。

高速高壓動態密度系統通常以極高的速度和壓力運行。油缸活塞速度為4m/s，油壓高達6MPa[2]。

本文運用ABAQUS軟件探討了介質壓力和預壓縮率對O型圈的動態密度特性的影響，使其更好地應用在液壓配氣系統中。

1 密封原理

圖1為接觸密封密封圈示意圖。從圖1可以看出，O型圈裝入密封槽后，會受到初始擠壓力或壓縮力，從而提供初始密封壓力PO，這與密封圈、槽深和徑向間隙有關。當密封腔充滿液體時，由于存在液體壓力P，O型圈往槽的一側移動，使密封間隙S為零，從而實現無泄漏密封。此時密封接觸面的壓力Pm按式（1）計算。

Pm=P0+KP（1）

式中，Po為O型圈初始密封壓力，MPa;P為液體壓力，MPa;K為壓力傳遞系數，橡膠件取1。

2 密封結構的有限元模型

2.1 橡膠材料參數的定義

橡膠材料參數的定義

由上可以看出，邵氏硬度試驗可以對橡膠O型圈試樣的硬度Ha進行精確的測量，測量結果可以得到非常準確的彈性模量，在ABAQUS軟件中，橡膠O型圈材料的定義可以由此實現。

2.2 有限元模型

軸對稱是O型密封圈的主要特性，如密封的受力和結構性，因此，ABAQUS軟件中的有限元分析功能可以在在二維模式下對O型密封圈、油缸、活塞的軸對稱模型進行定向分析，O型密封圈規格為10mm×1.8mm，使用材料是丁腈橡膠密封圈（NBR），試樣硬度為邵氏硬度90。

2.3 接觸邊界條件

在O型密封圈動密封模擬仿真中，O型密封圈與油缸內壁和活塞凹槽的表面均存在接觸問題[3]，在分析時設置成2對接觸對，摩擦因數標準為0.3。

3 計算結果以及分析

3.1 介質壓力對接觸壓力的影響

推程路徑中，活塞和油缸之間存在一個摩擦力，流體介質與密封圈之間的存在一個作用力，二力方向均為向右。在二力共同影響下，密封圈的左側面產生的變形。密封圈變形的程度會隨也介質壓力的增加而嚴重，從而導致密封圈進入活塞與油缸之間且介質壓力越大堆積的數量就會越多。

在預壓縮率為15%、摩擦因數為0.3、運動速度為4m/s的模擬條件下產生的實驗結果。當活塞處于推程的實驗路徑中，壓力會因介質不同而不同。O型密封圈和油缸接觸面之間的接觸壓力與介質產生的壓力呈正比，但是接觸壓力曲線的變化情況趨勢一致。在不同的介質壓力下，介質壓力相比O型密封圈和油缸之間接觸面的接觸壓力都要小，這表明O型密封圈和油缸之間的接觸面可以達到密封性標準。當實驗路徑處于推程時，O型密封圈與活塞之間接觸面的接觸壓力會因為介質壓力的增大而增大。但是二者曲線變化的幅度跟介質壓力變化呈正相關。在不同的介質壓力下，O型密封圈與油缸之間的密封性更良好。

3.2 預壓縮率對接觸壓力的影響

在推程中的實驗路徑下，介質壓力為6MPa、運動速度為4m/s、摩擦因數為0.3的條件下，活塞在不同預壓縮率中的模擬仿真結果。推程實驗中，O型密封圈和油缸之間接觸面的接觸壓力的變化與預壓縮率呈正相關影響，而二者之間的曲線變化幅度也與預壓縮率成正比。在推程的實驗路徑下，預壓縮率為5%時，O型密封圈和油缸接觸面之間的接觸壓力均達不到6MPa，說明O型密封圈無法與油缸之間接觸面有良好的密封性。O型密封圈與油缸之間接觸面的接觸壓力在預壓縮率設定10%、15%、20%時都能夠滿足實驗要求。在不同的預壓縮率數值中，接觸壓力曲線變化幅度較小。只有在預壓縮率為15%、20%時，O型密封圈與活塞之間接觸面的接觸壓力大于6MPa。

4 失效原因

4.1 材料

密封圈失效的影響因素：第一，原材料的選擇上;第二，選擇材料的質量。當密封材料與流體產生排斥時，液體被橡膠吸收進入從而產生了永久的形變。只有選擇合理的橡膠材料硬度，才能保證密封性能所需求的彈性，否則密封失效從而導致泄露。

4.2 初始接觸壓力

影響O型密封圈密封性能第一因素是初始接觸壓力。不合理的過盈量、不合理的外壓和機械損傷是導致O型圈初始接觸壓力不足的主要原因。

依據O型密封圈的密封原理，可以得出O型密封圈不僅僅需要合適的接觸壓力還需要適當的外壓才能實現密封圈的彈性變形。但并不是說外部壓力越大越好。當外部壓力過大時，O型密封圈會被擠毀，就會失去密封功能。

5 結論

①O型密封圈密封面的接觸壓力變化正比于受介質壓力、預壓縮率且影響較大;

②O型密封圈只有在預壓縮率不大于10%前提下才能滿足液壓式配氣系統的密封性要求。因此，預壓縮率的選擇合適與否決定了O型密封圈的密閉性能是否良好;

③合理的初始接觸壓力和外部壓力才能保證O型密封圈初始密封能力良好。

參考文獻：

[1]陳國定，HaiserH，HaasW，等.O型封圈的有限元力學分析[J]機械科學與技術，2000，19（5）：740-742.

[2]劉溪涓，劉承宗，林鈞毅，等.一種含超彈性接觸問題的密封結構的有限元求解方法[J].中國機械工程，2001，12 （11）：1211-1213.

[3]鐘亮，趙俊利，范社衛.基于ABAQUS的O型密封圈密封性能仿真研究[J].煤礦機械，2014（3）：52-54.