研究原油高溫?zé)岵晒ぞ?a target="_blank" href="http://www.healwit.com.cn/o-ring/">O 形橡膠密封圈在高溫高壓下的密封特性。借助于大型有限元分析軟件ANSYS，建立O 形橡膠密封圈及其邊界的二維軸對稱有限元模型，研究油壓、裝配間隙和摩擦因數(shù)對密封面最大接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力和Von Mises 應(yīng)力的影響，并采用熱應(yīng)力耦合分析方法，分析溫度對O 形密封圈密封性能的影響。結(jié)果表明：摩擦因數(shù)對應(yīng)力影響不大，而油壓和裝配間隙對應(yīng)力影響很大，過大的裝配間隙會造成O 形橡膠密封圈最大接觸應(yīng)力下降和最大剪切應(yīng)力上升，造成密封失效；當(dāng)溫度升高時，密封圈最大剪切應(yīng)力和接觸應(yīng)力相應(yīng)減小，而最大Von Mises 應(yīng)力明顯減小，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http：//www.healwit.com.cn/)認(rèn)為應(yīng)使O 形密封圈在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ�，以確保密封的可靠性。

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，陸地石油資源的不斷減少，海上稠油開采將會成為熱點(diǎn)之一。海上稠油開采通常采用高溫?zé)岵勺鳂I(yè)模式，因此對開采工具的高溫高壓密封性能要求較高。當(dāng)前原油開采一般都是在150 ℃以下進(jìn)行，開采工具的密封部件基本上都是采用簡單高效、可靠性高的橡膠O 形圈，而橡膠O 形圈的耐用性、可靠性以及密封性能對溫度比較敏感，同時對安裝結(jié)構(gòu)尺寸也有一定的要求。O 形密封圈簡稱O 形圈，是一種截面為圓形的橡膠密封圈，其成本低廉、安裝和使用方便，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、動力及石油化工等領(lǐng)域。

　　對于常溫下橡膠O 形圈的密封性能，目前研究報(bào)道較多，而對于高溫(150 ℃以上) 下密封性能的研究，公開報(bào)道尚不多見。研究高溫( 在橡膠材料可用最高溫度范圍內(nèi)) 和高壓( 稠油開采要求最高壓強(qiáng)達(dá)到20 MPa) 下橡膠O 形圈的熱應(yīng)力耦合特性，對提升稠油高溫?zé)岵晒ぞ呙芊庑阅苡兄�至關(guān)重要的作用，可為密封部件的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

　　本文作者利用ANSYS 有限元分析軟件對O 形橡膠密封圈進(jìn)行應(yīng)力分析，并采用熱應(yīng)力耦合分析方法，分析溫度對O 形密封圈密封性能的影響，得到溫度與應(yīng)力變化的關(guān)系。

1、模型的建立

　　1. 1、幾何模型的建立

　　O 形橡膠密封圈工作時依靠密封圈發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上產(chǎn)生接觸應(yīng)力，當(dāng)接觸應(yīng)力大于密封介質(zhì)的壓力時，則不發(fā)生泄漏。如圖1(a) 所示，當(dāng)O 型密封圈裝入密封槽后，其截面承受接觸壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形，對接觸面產(chǎn)生一定的不均勻的初始接觸密封壓力，即使沒有介質(zhì)壓力或者壓力很小，O 型密封圈也能靠自身的彈性力作用實(shí)現(xiàn)密封。如圖1(b) 所示，當(dāng)容腔內(nèi)充入有壓力的介質(zhì)后，在介質(zhì)壓力p 的作用下，O 形密封圈發(fā)生位移，移向低壓側(cè)，且其彈性變形進(jìn)一步加大，填充和封閉了密封間隙。

圖1 O 形密封圈工作原理

　　鑒于O 形橡膠密封圈邊界條件的復(fù)雜性，對其進(jìn)行有限元分析時，將密封結(jié)構(gòu)作為整體分析。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料、邊界條件的特點(diǎn)和ANSYS 的功能，O 形橡膠密封圈的模型可以簡化為二維平面對稱模型，并且取其1 /2 進(jìn)行分析。本文作者以最常見的O 型橡膠密封圈的密封結(jié)構(gòu)( 端面密封) 為例，如圖2 所示，建立O 形圈的幾何模型。O形橡膠密封圈受到來自端面的安裝預(yù)緊力的擠壓，產(chǎn)生形變，在彈性力作用下，和接觸面緊密接觸，形成密封。

圖2 O 形密封圈的幾何模型

　　1. 2、有限元模型的建立

　　首先做如下幾點(diǎn)假設(shè)：

　　(1) O 形密封圈具有確定的彈性模量E 和泊松比γ；

　　(2) O 形密封圈材料拉伸與壓縮的蠕變性質(zhì)相同；

　　(3) O 形密封圈受到的軸向壓縮視為由約束邊界的指定位移引起；

　　(4) O 形密封圈的蠕變不引起體積的變化，即O形密封圈的橡膠材料不可壓縮。

　　O 形橡膠密封圈具有高度的非線性，即幾何非線性、材料非線性、狀態(tài)非線性同時存在。研究的O形橡膠密封圈選自某公司生產(chǎn)的全氟醚橡膠密封圈，規(guī)格為7075 O-Ring，尺寸為114 mm × 3.2 mm，硬度為HRA 75，線膨脹系數(shù)為2. 5 × 10^-4℃^-1。該產(chǎn)品具有卓越的耐熱性和耐腐蝕性。

3、結(jié)論

　　(1) 油壓對最大Von Mises 應(yīng)力影響很大，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著油壓的增大，O 形密封圈最大Von Mises 呈現(xiàn)大幅度增加的趨勢； 而最大接觸應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力隨著油壓的增大呈小幅增加的趨勢，且增幅最終趨于平緩； 總體來說，摩擦因數(shù)對O形密封圈的密封性能影響不大； 過大的裝配間隙會造成O 形橡膠密封圈壓縮量不足，最大接觸應(yīng)力下降和最大剪切應(yīng)力上升，最終會造成密封失效，因此裝配間隙不宜過大。

　　(2) 當(dāng)溫度升高時，最大接觸應(yīng)力、最大剪切應(yīng)力和最大Von Mises 應(yīng)力都呈下降的趨勢，其中溫度對Von Mises 的影響最大，對剪切應(yīng)力和接觸應(yīng)力的影響較小。總體來說，在0 ～300 ℃ 溫度范圍內(nèi)，O 形密封圈仍然符合接觸面的最大接觸應(yīng)力大于工作壓力和最大剪切應(yīng)力小于O 形密封圈抗剪強(qiáng)度的要求，可以正常工作。