O形圈和矩形圈靜密封性能仿真對比研究

陸云江，黃 敬

[1.蘇州工業園區職業技術學院，江蘇 蘇州 215123；2.景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373]

橡塑密封按是否存在相對運動可分為靜密封和動密封，靜密封是依靠封閉接合面間的間隙實現密封功能，O形圈和矩形圈是兩種常見的靜密封制品，具有結構緊湊、制造簡單、安裝方便、成本低廉等優點。相對而言O形圈的應用更為普遍，相關學者對O形圈的研究也較多[1-4]，但矩形圈作為O形圈的替代品之一，很少有學者對其展開研究。

本工作基于有限元分析軟件Ansys建立了O形圈和矩形圈的二維軸對稱模型，分析對比預安裝、介質壓力、尺寸公差波動對兩者的密封性能，如接觸壓力和徑向力的影響，以期為兩者的選型互換提供參考。

1 有限元分析模型的建立

GB/T 3452.1—2005推薦的O形圈截面直徑有5檔，分別為1.80，2.65，3.55，5.30和7.00 mm，選擇中間檔3.55 mm直徑的截面作為研究對象，公差為±0.1 mm，O形圈內徑選擇100 mm，公差為±0.65 mm。為了便于對比，矩形圈的尺寸及公差取值與O形圈保持一致。

借助繪圖軟件分別建立O形圈和矩形圈組成的密封系統（主要包括密封圈和溝槽）幾何模型，如圖1所示。其中溝槽尺寸與GB/T 3452.1—2005中徑向密封的靜密封溝槽尺寸相符，槽寬為4.8 mm，槽深為2.9 mm，孔徑為105 mm。

圖1 密封系統幾何模型

密封圈的材料為橡膠，選用兩參數Mooney-Rivlin模型進行定義，C10取3.38，C01取-0.43，溝槽的材料為金屬，定義其彈性模量（E）為200 GPa，泊松比（ε）為0.3。

由于密封圈受力具有軸對稱特點，采用PLANE182單元建立二維軸對稱有限元分析模型進行分析，設置兩個載荷步進行分析，載荷步1用于分析密封圈預安裝狀態，通過位移加載實現；載荷步2用于分析密封圈承受介質壓力狀態（以下簡稱承壓狀態），通過介質壓力加載實現。

2 影響因素分析

2.1 預安裝狀態

預安裝狀態下O形圈和矩形圈的有限元分析結果如圖2所示。通過對有限元分析結果進行處理得到O形圈和矩形圈預安裝狀態下的接觸壓力分布（見圖3）和預安裝過程中的徑向力變化（見圖4），其中接觸寬度以密封件截面的中點作為 零點。

圖2 預安裝狀態下兩種密封圈的有限元分析結果

圖3 預安裝狀態下密封圈的接觸壓力分布

圖4 預安裝過程中密封圈徑向力的變化

從圖3和4可知，預安裝狀態下矩形圈的接觸壓力分布寬度、最大接觸壓力和徑向力明顯大于O形圈，且兩種結構密封圈的接觸壓力分布形式也不相同，矩形圈的接觸壓力峰值分布在接觸區兩側，接觸區中間呈近似均勻分布，而O形圈的接觸壓力峰值位于接觸區中間，整體呈拋物線分布。

2.2 承壓狀態

5和10 MPa承壓狀態下O形圈和矩形圈的有限元分析結果分別如圖5和6所示。通過對結果進行處理得到O形圈和矩形圈承壓狀態下的接觸壓力分布（見圖7）和承壓過程中的徑向力變化（見圖8）。承壓狀態下O形圈和矩形圈最大接觸壓力與徑向力隨著介質壓力的變化情況如圖9所示。

圖5 5 MPa承壓狀態下兩種密封圈的有限元分析結果

圖6 10 MPa承壓狀態下兩種密封圈的有限元分析結果

圖7 承壓狀態下密封圈的接觸壓力分布

圖8 承壓過程中密封圈徑向力的變化

從圖7和8可知，與預安裝狀態相似，相同介質壓力下矩形圈的接觸壓力分布寬度、最大接觸壓力和徑向力明顯大于O形圈。

從圖9可知，O形圈和矩形圈的最大接觸壓力和徑向力都會隨著介質壓力的提高而提高，其中兩者最大接觸壓力隨介質壓力的提高而提高的趨勢相同，而矩形圈徑向力隨介質壓力的提高而提高的速度要大于O形圈。

圖9 最大接觸壓力與徑向力隨介質壓力的變化

2.3 公差波動影響

O形圈和矩形圈截面上公差和下公差波動對有限元分析結果的影響如圖10和11所示。O形圈和矩形圈內徑上公差和下公差波動對有限元分析結果的影響如圖12和13所示。對比分析截面和內徑尺寸取上、下公差時與取理論公稱值時的 差異。

圖10 密封圈截面上公差波動分析結果

圖11 密封圈截面下公差波動分析結果

圖12 密封圈內徑上公差波動分析結果

圖14及表1示出了尺寸公差波動對O形圈和矩形圈接觸壓力的影響，圖15及表2示出了尺寸公差波動對O形圈和矩形圈徑向力的影響。

表2 尺寸公差波動對O形圈和矩形圈最大徑向力的影響

圖13 密封圈內徑下公差波動分析結果

圖15 尺寸公差波動對密封圈徑向力的影響

從圖14和15以及表1和2可以看出，無論是產品內徑還是截面，尺寸下公差都會使O形圈和矩形圈接觸壓力和徑向力降低，尺寸上公差會使之提高，在O形圈和矩形圈內徑和截面尺寸公差允許的波動范圍內，截面尺寸波動對O形圈和矩形圈接觸壓力和徑向力的影響遠比內徑尺寸波動的影響大。同時，尺寸公差波動對矩形圈最大接觸壓力的影響顯著大于對O形圈的影響，但對O形圈和矩形圈最大徑向力的影響相近。

圖14 尺寸公差波動對密封圈接觸壓力的影響

表1 尺寸公差波動對O形圈和矩形圈最大接觸壓力的影響

3 結論

通過Ansys軟件建立O形圈和矩形圈的有限元分析模型，對比預安裝狀態、介質壓力、尺寸公差波動等因素對兩種密封圈接觸壓力和徑向力的影響，得出以下結論。

（1）預安裝時，矩形圈的接觸壓力分布寬度、最大接觸壓力和徑向力明顯大于O形圈，其中矩形圈的接觸壓力峰值分布在接觸區兩側，接觸區中間壓力呈近似均勻分布，而O形圈的接觸壓力峰值位于接觸區中間，整體呈拋物線分布。

（2）承受介質壓力時，O形圈和矩形圈的接觸壓力分布與預安裝狀態下相似，兩種密封圈的最大接觸壓力和徑向力都會隨著介質壓力的提高而提高，其中最大接觸壓力隨著介質壓力的提高而提高的趨勢相同，而矩形圈徑向力的提高速度大于O形圈。

（3）尺寸公差波動時，無論是O形圈和矩形圈的內徑還是截面，其尺寸下公差都會使接觸壓力和徑向力降低，尺寸上公差都會使接觸壓力和徑向力提高，在公差允許波動范圍內，截面尺寸波動對接觸壓力和徑向力的影響遠比內徑尺寸波動的影響大。尺寸公差波動對O形圈和矩形圈最大徑向力的影響相近，但尺寸波動對矩形圈最大接觸壓力的影響顯著大于對O形圈的影響。