不同溝槽棱圓角半徑對帶擋環的O形圈密封的影響*

趙靜一 羅元奎 郭 銳 王建偉 唐穎達 潘玉訊 劉 堯

(1.燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066000；2.蘇州美福瑞新材料科技有限公司 江蘇常熟 118300；3.沈陽職業技術學院機械工程學院 遼寧沈陽 110000)

O形圈因其具有良好的密封穩定性及可靠性，在密封領域占據著很重要的位置。O形圈密封結構一般有帶擋環和不帶擋環2種形式，許多學者圍繞這2種O形圈密封結構做了許多研究。段密克等[1]在小于10 MPa介質壓力的作用下，進行了O形圈在有無擋環配合2種情況下密封性能以及在0～35 MPa介質壓力作用下接觸應力變化情況的研究。莫麗和王軍[2]進行了在小于5 MPa介質壓力作用下，O形圈密封結構中不同速度、時間歷程和不同壓縮率下的密封性能研究。魏列江等[3]進行了介質壓力為2.5和16 MPa且無擋環配合使用時，O形圈密封結構中不同溝槽棱圓角半徑對密封性能影響的研究。QIAO等[4]分析和討論了O形圈的密封性能與密封直徑之間的關系和因性能不同而產生的材料波動。饒建華和陸兆鵬[5]分別設置了0、3、5和10 MPa 4種介質壓力，探討了O形圈密封壓力和密封寬度之間的關系。許浩等人[6]基于三重非線性理論，研究了O形密封圈溝槽底角對密封性能的影響。

目前，很多學者在不同介質壓力作用下探究了O形圈的結構以及其密封性能，但關于O形圈密封結構中的溝槽棱圓角半徑研究較少，僅魏列江等[3]對無擋環的O形圈密封結構中的溝槽棱圓角半徑進行了研究。本文作者研究了在35 MPa介質壓力作用且有聚氨酯擋環配合O形圈使用的情況下，溝槽棱圓角半徑對密封性能的影響。

1 帶單擋環的密封結構模型的建立

根據GB/T 3452.3—2005液壓氣動用O形圈橡膠密封圈溝槽尺寸，當使用O形橡膠密封圈進行密封且介質壓力超過10 MPa時，常需采用帶擋環的密封結構形式，密封時將擋環和O形橡膠密封圈均安裝在溝槽內。對液壓徑向靜密封而言，嚴重的“擠出”是O形圈的主要失效形式[7]。

在O形圈一側或兩側安裝擋環的主要作用是在工作條件下能夠保護O形圈不被擠入到金屬部件的間隙內。文中研究的對象為帶單擋環的密封結構，其示意圖如圖1所示。

帶單擋環的密封結構可視為軸對稱模型，利用ABAQUS有限元分析軟件建立O形圈、擋環、活塞和缸體的二維軸對稱有限元模型。O形圈的可靠性受材料和幾何參數影響較大[8]，O形圈材料選用丁腈橡膠，擋環材料為聚氨酯，兩者皆為彈性體[9]。在ABAQUS等有限元分析軟件中，都設有較多超彈性模型，例如Mooney-Rivlin模型、Neo-hooken模型、Yeoh模型等，對于橡膠類物理非線性材料，常采用Mooney-Rivlin模型[1,10-11]。兩參數的Mooney-Rivlin模型的應變能密度函數表達式如式(1)所示[12]。

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中:W為應變能密度；C10、C01為Mooney-Rivlin模型的材料參數；I1為第一應變不變量；I2為第二應變不變量。

所以文中O形圈和抗擠壓環均采用Mooney-Rivlin兩參數模型，兩參數為橡膠材料常數C10和C01，除此之外，建立模型還需用到不可壓縮常數d。參數具體值可由式(2)、式(3)和式(4)計算得出[1]。

C10+C01=E/6

(2)

C01=C10/4

(3)

(4)

式中：Cij為Mooney-Rivlin模型的材料參數；E為彈性模量；d為不可壓縮常數；μ為泊松比。

由式(2)、式(3)和式(4)計算得到丁腈橡膠O形圈材料參數C10=2.79 MPa，C01=0.697 5 MPa，d=0.005 7；聚氨酯抗擠壓環材料參數C10=20 MPa，C01=5 MPa，d=0.000 8。

在接觸設置方面，O形圈與擋環為摩擦接觸，摩擦因數設為0.5；活塞與缸體由于考慮到裝配間隙，設為無摩擦接觸；其余接觸類型皆為摩擦接觸，摩擦因數為0.03[5]。

有限元分析過程可分為4個分析步，第一個分析步內容是模擬裝配過程，使得O形圈具有一個預壓縮過程，此次分析預壓縮壓縮率為15.8%；第二個分析步內容為施加額定載荷，得到O形圈在受到額定壓力35 MPa時的應力及應變情況；第三個分析步的內容為給缸體施加位移，模擬動密封的進位過程；第四個分析步也是模擬動密封，給缸體施加位移，退回第二個分析步的位置[2]。

帶單擋環O形圈密封結構劃分網格后的模型如圖2所示，模型采用四邊形CAX4R單元，擋環和O形圈網格大小設置為0.1 mm，聚氨酯擋環有161個單元，O形橡膠密封圈有688個單元；缸體和活塞網格大小設置0.8 mm，缸體有384個單元，活塞有1 305個單元，整個模型共2 768個節點，2 538個單元。

2 有、無擋環配合2種情況下O形圈應力分析

O形圈密封中，當介質壓力大于10 MPa時，O形圈一端或兩端需加上擋環配合使用。在魏列江等[3]的研究中已經系統闡述了在無擋環配合時，溝槽棱圓角半徑對O形圈密封性能的影響，即O形圈在低介質壓力作用下，溝槽棱圓角半徑對密封性能影響較小，而在高介質壓力作用下，半徑對密封壓力的影響較為明顯。文中分析了在35 MPa介質壓力作用下，溝槽棱圓角半徑分別為0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mm時在有、無擋環2種情況下的應力云圖，如圖3所示。

整理圖3中數據，得到O形圈應力與溝槽棱圓角半徑之間的關系如圖4所示。

從圖3可以看出，溝槽棱圓角取0.1和0.2 mm時，由于所用的丁腈橡膠O形圈取了較大硬度值，所以在無擋環配合情況下O形圈擠出現象不是很明顯，且所受最大應力集中在靠近缸體和活塞的部位，近似成對稱分布。這與許浩等人[6]的研究結果“α=90°時，O形圈內仍保留有兩處高應力區域，呈對稱分布，最大von Mises應力出現的位置分別靠近與槽底和缸套接觸的區域”相符。但當溝槽棱圓角半徑取0.3、0.4、0.5 mm時，從圖3(f)、(h)、(j)可以看出O形圈右上角有明顯的擠出現象，而在有擋環配合使用的情況下，O形圈并無擠出，且應力較小。所以可以得出在大介質壓力作用下，O形圈受溝槽棱圓角影響較為明顯，與魏列江等[3]的結論相符；且能說明在大介質壓力作用下，O形圈需配合擋環使用，擋環能有效防止O形圈被擠入密封間隙。

從圖4可看出,有擋環O形圈的最大von Mises應力出現在溝槽棱圓角半徑取值為0.3 mm時，在溝槽棱圓角半徑為0.4 mm時取值最小;溝槽棱圓角半徑從0.1 mm變化到0.5 mm，雖然其應力隨著變化，但變化幅度并不大，最大僅為2.4%，遠遠小于無擋環配合情況下的應力變化值。無擋環O形圈的應力隨著溝槽棱半徑的增大而增大，溝槽棱圓角半徑從0.1 mm變化到0.3 mm時，O形圈內部的von Mises應力變化幅度較小，但在0.3 mm后O形圈所受應力急劇增大。這與文獻[3]“當溝槽棱圓角半徑從0.1 mm變化到0.5 mm時，O形圈內部的von Mises應力增加了43%”的結論基本一致。因此在35 MPa介質壓力作用下，擋環能有效降低溝槽棱圓角半徑對O形圈的影響，有擋環O形圈并沒有發生擠出現象。

3 有擋環配合情況下O形圈的接觸應力和擋環擠出變形分析

3.1 O形圈接觸應力分析

在大介質壓力作用時，O形圈應與擋環配合使用。在35 MPa介質壓力下，通過改變溝槽棱圓角半徑大小，探究在有、無擋環配合O形圈使用的情況下，溝槽棱圓角半徑對密封性能的影響。要分析O形圈的密封性能，不能只關注O形圈內部von Mises應力，還應比較分析O形圈與缸體、活塞之間的接觸應力。不同溝槽棱圓角半徑下O形圈的接觸應力云圖如圖5所示。

整理圖5中數據，得到O形圈與缸體、活塞之間的接觸應力和溝槽棱圓角半徑的關系如圖6所示。

O形圈要實現密封功能，其接觸處的應力必須大于所受的介質壓力，接觸應力是衡量O形圈密封性能的一個重要指標[13-14]。從圖6中可以看出雖然有、無擋環2種情況下接觸應力隨著溝槽棱圓角半徑變化而變化，但其值均大于介質壓力35 MPa，所以能達到密封效果，且2種情況下接觸應力相差并不大。有擋環時，除了半徑取值為0.3 mm時，隨著溝槽棱圓角半徑增大，接觸應力呈現出整體減小的趨勢，但減小的幅度很小。無擋環時，其變化幅度同樣很小。所以總體來說擋環配合O形圈使用能有效保證其密封性能的穩定，使其所受溝槽棱圓角半徑的影響降到最低。但溝槽棱圓角的值也不能取得太大，否則會降低接觸應力，使密封性能的可靠性降低。因此擋環不影響O形圈的密封性能，但起到了降低溝槽棱圓角對O形圈的影響的作用。這與曹淑華等[15]的研究結果“有擋圈配合的O形圈結構中，起密封作用的是O形圈而非擋圈，擋圈的作用主要是改善O形圈的受力，提高整個密封結構的可靠性”相符。溝槽棱圓角半徑對有、無擋環2種情況下的接觸應力影響較小，即2種情況下都能滿足密封要求，接觸應力對溝槽棱半徑變化不敏感。

3.2 擋環擠出變形分析

擋環起到了隔斷O形圈與溝槽棱圓角、密封間隙直接接觸的作用，從而使溝槽棱圓角半徑對O形圈影響較小，甚至沒有影響，但擋環的擠出高度還是會受到溝槽棱圓角半徑的影響。為了研究擋環的擠出高度與溝槽棱圓角半徑之間的關系，文中重點分析擋環與溝槽棱圓角半徑接觸處的變形。如圖7所示為溝槽棱圓角半徑從0.1 mm變化到0.5 mm時擋環的擠出變形云圖。

整理圖7中數據，得到擋環擠出高度與溝槽棱圓角半徑之間的關系圖如圖8所示。

從圖8中可以很明顯地看出，擋環的擠出高度隨著溝槽棱圓角半徑的增大而增大，且在半徑在0.1～0.3 mm之間擠出高度與半徑近似呈線性關系，半徑在0.3～0.5 mm之間擋環擠出高度變化幅度較大，半徑從0.1 mm增加到0.5 mm，擠出高度增加了近224%。

4 不同溝槽棱圓角半徑下O形圈動密封分析

有限元分析共有4個分析步，其中，第一個分析步為初始狀態，第二個分析步模擬了O形圈與缸體之間的裝配過程，第三個分析步為動密封中缸體進位過程，第四個分析步為動密封中缸體退位過程。為更好地了解擋環的擠出與溝槽棱圓角半徑之間的關系，文中進一步分析了不同溝槽棱圓角半徑時擋環在整個過程中擠出處應力與時間的關系，如圖9所示。

從圖9可以看出，在1～2 s的時間段內，O形圈因受到介質壓力的作用，擋環擠出處應力不斷增大，直到加載結束；在2～3 s的時間段內，為缸體進位過程，模擬動密封，應力會瞬時增加，然后穩定在一定值；在3～4 s的時間段，為缸體的退位過程，應力瞬時減小到與第二分析步完成時的應力大小，直至退位結束。隨著溝槽棱圓角半徑的增大，擠出處應力整體呈現增大的趨勢，在半徑為0.1 mm時擠出處應力最小，半徑為0.5 mm時最大，且在0.1～0.3 mm的半徑變化范圍內，應力的變化幅度較小，在0.3～0.5 mm范圍內，變化幅度值較大。在2～3 s的時間段內，最大von Mises應力從半徑為0.3 mm時的11.3 MPa增加到半徑為0.5 mm時的26.62 MPa，增幅達到135.6%。

綜合以上2方面的考慮，在涉及到動密封時，溝槽棱圓角半徑從0.3 mm變化到0.5 mm時，擠出高度增加了64.2%，應力增加了135.6%，所以在滿足O形圈和擋環不被溝槽棱劃傷的前提下，使得擋環在擠出處受到較小應力，推薦溝槽棱圓角半徑值為0.1～0.3 mm之間。

5 結論

(1)通過對O形圈有、無擋環配合2種情況下的有限元分析，發現O形圈在無擋環配合使用，且受到較大介質壓力作用時，O形圈受溝槽棱圓角半徑影響較大，所以實際中在大介質壓力作用時，需配合擋環進行密封。

(2)在35 MPa介質壓力作用下，有、無擋環2種情況下的O形圈密封都能達到密封要求，接觸應力均大于介質壓力，且O形圈的接觸應力雖有變化，但其變化幅度較小。因此，擋環在不會影響O形圈的密封性能的前提下，還起到了降低溝槽棱圓角半徑對O形圈影響的作用，且接觸應力對溝槽棱半徑變化不敏感。

(3)在涉及到動密封時，隨著溝槽棱圓角半徑的增大，擠出處應力整體呈現增大的趨勢，其中在0.1～0.3 mm的半徑變化范圍內，應力和擠出高度的變化幅度較小，而在0.3～0.5 mm范圍內，擠出了高度增加64.2%，應力增加了135.6%，變化幅度值均較大。所以在滿足O形圈和擋環不被溝槽棱劃傷的前提下，為使得擋環在擠出處受到較小應力，密封結構具有較長壽命，推薦溝槽棱圓角半徑值為0.1～0.3 mm之間。