該文首先簡(jiǎn)要介紹了密封圈工作過程對(duì)密封性能的幾個(gè)影響因素。隨后以水下用高壓艙的O形橡膠圈密封(以下簡(jiǎn)稱O 形圈)過程為分析實(shí)例，采用ansys 建立密封截面的工作模形，其中O 形圈采用超彈性體單元hyper56 模擬，密封艙體端面采用剛性單元模擬。通過改變密封截面的參數(shù)和介質(zhì)壓力，計(jì)算出了不同參數(shù)下的仿真結(jié)果。最后分析仿真結(jié)果總結(jié)了幾個(gè)密封影響因素對(duì)密封性能的影響機(jī)理，提出如何提高O 形圈密封性能的改進(jìn)方向。

引言

　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，O 形橡膠圈密封作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且緊湊的自緊式密封，在中、高壓密封領(lǐng)域有著廣泛使用。

　　但是O 形圈在密封槽內(nèi)的變形十分復(fù)雜， 分析求解密封界面密封壓力分布及大小非常困難， 憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性往往不高， 一旦密封失效會(huì)造成巨大損失。雖然利用高壓釜壓力實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)O 形圈的密封性能進(jìn)行驗(yàn)證，但需要制造試驗(yàn)樣品，另外無法得到密封圈的變形情況和接觸應(yīng)力的分布情況， 無法確定使用狀態(tài)是否處于臨界或者還有較大裕度， 所以借助有限元仿真工具分析求解密封圈的密封工作狀態(tài)， 研究O 形圈工作過程中的影響因素和影響機(jī)理， 對(duì)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1、密封性能的影響

　　1)間隙的影響

　　密封間隙即密封端面裝配后， 兩密封相對(duì)面之間的縫隙，理論上的密封面設(shè)計(jì)都是無間隙的接觸，但是實(shí)際生產(chǎn)加工中存在加工面的形位誤差， 從而導(dǎo)致密封面裝配后一部分接觸面不可避免會(huì)出現(xiàn)間隙， 由于O 形圈相對(duì)于結(jié)構(gòu)件金屬來說屬于低剛性材料， 所以一定條件下間隙的大小會(huì)直接影響O 形圈的變形，因此密封間隙會(huì)影響O 形圈內(nèi)應(yīng)力大小分布和其與密封面的接觸應(yīng)力。

　　2)壓縮率的影響

　　O 形圈的密封能力與壓縮率相關(guān)， 一般隨著密封壓力升高壓縮率也應(yīng)該相應(yīng)提高， 但是壓縮率仍需要控制在一定范圍內(nèi)， 過小的壓縮率密封壓力得不到保證， 過大的壓縮率又容易造成密封圈變形過大長(zhǎng)時(shí)間使用逐漸失去彈性而失效。

2、密封實(shí)例仿真研究

　　1)初始參數(shù)設(shè)定下密封效果的仿真

　　對(duì)于某密封端面密封槽的尺寸， 使用的O 形橡膠密封圈參數(shù)是φ=7mm， 硬度邵氏70°， 其強(qiáng)度極限為14MPa，初始狀態(tài)壓縮率約為η=15%。假設(shè)需要密封的介質(zhì)壓力為5MPa，密封面由于加工等級(jí)不高，密封結(jié)構(gòu)裝配后所造成的密封面間隙δ=0.4mm。仿真分析此時(shí)O 形圈工作過程中的密封接觸應(yīng)力大小及其內(nèi)應(yīng)力大小及其分布。

　　建立密封面的工作模型，其中端面采用剛性單元，O 形圈采用hyper56 單元，接觸面設(shè)為兩組，一組為O形圈與密封槽底面和右側(cè)面接觸對(duì)， 一組為O 形圈與密封端蓋的接觸對(duì)， 在接觸面的圓角區(qū)域出需要采用較小的網(wǎng)格劃分。經(jīng)測(cè)試該O 形圈的材質(zhì)參數(shù)分別為C01=0.56、C10=1.52， 彈性模量E=6.5MPa， 泊松比μ=0.499。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

　　經(jīng)計(jì)算液體介質(zhì)壓力為5MPa 時(shí)的接觸應(yīng)力和O形圈內(nèi)應(yīng)力如圖1 和圖2 所示， 由圖可以看出此時(shí)最大有效密封接觸壓力連續(xù)區(qū)間為7.675～8.771MPa，大于7MPa。密封圈的內(nèi)應(yīng)力最大為3.579～4MPa 左右，小于密封圈的強(qiáng)度極限，所以密封有效。

　　2)密封間隙對(duì)密封效果的影響

　　保持密封面裝配間隙δ=0.4mm 不變， 當(dāng)需要密封的介質(zhì)壓力升至18MPa 時(shí)再進(jìn)行計(jì)算。由結(jié)果圖3 可知密封接觸壓力的最大有效值約為20MPa 左右， 大于18MPa。但由圖4 可以看出，此時(shí)O 形圈內(nèi)應(yīng)力最大值達(dá)到了14.1MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在密封面處密封槽的過渡圓角處，這表明此時(shí)O 形圈結(jié)構(gòu)受到破壞。此時(shí)可能的后果有兩種，一種是立即發(fā)生密封泄漏，另一種是密封暫時(shí)沒有泄漏，但密封圈已損壞，持續(xù)較長(zhǎng)工作時(shí)間將會(huì)發(fā)生泄漏或密封端面拆裝后將不能繼續(xù)重復(fù)使用。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為此時(shí)密封失效。

　　針對(duì)于此，壓力保持18MPa 且其他參數(shù)不變，提高密封端面的加工等級(jí)， 將此時(shí)密封面裝配間隙減小至δ=0.2mm，再進(jìn)行仿真計(jì)算。

　　將仿真后的結(jié)果圖5 與圖3 對(duì)比， 可以看出密封的有效接觸應(yīng)力基本保持不變， 但是對(duì)比圖6 與圖4可以看出O 形圈的最大內(nèi)應(yīng)力由14.1MPa 減小到7.6MPa 左右。此時(shí)無論從密封的有效接觸應(yīng)力和O 形圈的強(qiáng)度兩方面來說，密封結(jié)果均有效。

　　3)壓縮率的對(duì)密封效果的影響

　　在O 形圈的內(nèi)應(yīng)力不超過其強(qiáng)度極限條件下，密封性能主要取決于O 形圈外表與密封接觸面接觸時(shí)正反作用力的應(yīng)力大小。在小的密封介質(zhì)壓力下，O 形圈的壓縮變形率即使較小， 接觸面上的接觸應(yīng)力也能夠滿足密封要求，對(duì)于小壓力密封，尤其是徑向密封，保持壓縮率在10%～15%之間，即可以滿足使用要求又可以減小裝配難度。

　　但在大壓力下，O 形圈的變形受密封截面形狀影響較大，因此分析壓縮率對(duì)密封結(jié)果的影響機(jī)理，需選擇在保持密封間隙相同的條件下， 比較不同壓縮率下的接觸應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力變化。

　　保持其他參數(shù)不變，壓縮率η=15%，密封介質(zhì)壓力為p=40MPa 下計(jì)算得到如圖7、圖8 的應(yīng)力分布圖，由于可知此時(shí)O 形圈內(nèi)應(yīng)力由于圓角處的大變形， 內(nèi)應(yīng)力過高損壞，密封失效。提高壓縮率η=20%，后計(jì)算得到密封介質(zhì)壓力下的接觸應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力圖如圖9、圖10。對(duì)比η=15%時(shí)的結(jié)果可知，增大壓縮率，即增大O形圈的預(yù)變形量，O 形圈工作時(shí)最大內(nèi)應(yīng)力的值也同時(shí)降低，且此時(shí)的密封接觸有效應(yīng)力明顯提高。

3、分析結(jié)論

　　(1)在其他參數(shù)不變的前提下，O 形圈的密封面由于加工誤差導(dǎo)致的間隙在一定范圍內(nèi)對(duì)密封性能影響很大。

　　具體表現(xiàn)在，在較小密封介質(zhì)壓力下，當(dāng)密封圈的擠壓變形部位未接觸到密封間隙處時(shí)，影響可以忽略，但隨著密封介質(zhì)的壓力升高，密封圈開始接觸到密封面的加工間隙處時(shí)，密封圈的變形嚴(yán)重?cái)D壓扭曲，這時(shí)就會(huì)超過密封圈的強(qiáng)度極限，從而破壞密封圈的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致密封失效。這可以理解為密封間隙越小，則在同樣密封介質(zhì)壓力下，密封圈越不容易擠入縫隙中，從而決定了O 形圈的變形不會(huì)過大， 因而也不會(huì)超過其強(qiáng)度極限。

　　反之即使在較小的介質(zhì)壓力下，由于間隙過大O 形圈被擠入密封間隙中，變形量會(huì)變的很大，則O形圈也發(fā)生破壞。所以為了保障密封的有效性， 尤其是在大的密封壓力下，提高加工精度，減小密封面的間隙值，可以提高密封性能。同樣也提示我們，在相同加工精度下，小尺寸的密封面產(chǎn)生的配合間隙會(huì)比大尺寸的密封面的間隙小，所以小的密封面容易實(shí)現(xiàn)更高壓力的密封，但是大尺寸的高壓密封難以保障。

　　(2)從仿真看出，O 形圈的壓縮率直接影響密封面的接觸應(yīng)力大小，即最大密封壓力，當(dāng)O 形圈的壓縮率較低時(shí)，在小的密封介質(zhì)壓力下，密封尚且可靠，但當(dāng)壓力升高到一定程度時(shí)， 密封面的接觸應(yīng)力已達(dá)不到密封的需要，密封失效。

　　這其中的原因主要是因?yàn)镺 形圈屬于超彈性體材料制造，預(yù)壓縮率過小，導(dǎo)致初始接觸應(yīng)力較小，在介質(zhì)壓力的作用小，豎直方向的變形量仍然較小，導(dǎo)致接觸應(yīng)力達(dá)不到密封要求。同時(shí)，相對(duì)于較大的壓縮率， 壓縮率過小也會(huì)導(dǎo)致在其他條件相同時(shí)O 形圈更容易被擠入密封面配合間隙中， 從而導(dǎo)致O 形圈內(nèi)應(yīng)力過大而損壞。因此O 形圈工作時(shí)的壓縮率對(duì)于提高密封性能十分重要。