温度对橡胶密封圈应力的影响分析

张 博，王 娜

（太原学院，山西 太原030032）

O形圈和X形圈是常见的橡胶密封圈，使用非常广泛。通常密封圈的温度与环境温度相一致。在使用过程中若温度发生变化，便会引起密封圈的应力发生变化进而影响它的密封性能，严重时会造成泄露等现象，起不到密封作用，导致设备无法正常使用[1,2]。

关于温度对橡胶密封圈应力的影响前人已经做了一定的研究，但将温度对O形圈、X形圈的应力影响对比分析的研究很少。本文基于橡胶的基本理论，运用ANSYS软件对O形圈和X形圈在不同工况下的应力随温度变化情况进行了仿真和对比分析，为上述密封圈的选用与密封分析研究提供理论依据。

1 建模仿真

根据O形圈和X形圈的实际使用情况与ANSYS数值仿真的相关理论假设，建立两种密封圈的二维仿真模型。

为研究O形圈和X形圈在不同工况下的应力随温度变化的情况及对二者之间所受应力进行对比分析，在建模时设定两种密封圈的密封槽尺寸相同，密封圈截面直径为φ3.53mm，建立模型如图1所示。

在ANSYS中，PLANE182平面单元具有塑性、超弹性、应力刚度、大变形和大应变能力，并具有力——位移混合公式的能力，可以模拟接近不可压缩的弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料的变形。建立密封圈模型时，采用PLANE182单元，弹性模量为14.04MPa，泊松比为0.499，采用两参数的Mooney-Rivlin模型来表示橡胶材料性能。其中，相关材料参数：C10=1.87MPa、C01=0.46MPa；密封圈的接触采用TARGE169、CONTA172模拟[3,4]。

图1 密封圈仿真模型

密封圈的工作状态主要有预压缩、承载密封压力、上下滑动等[5-8]。在进行数值仿真时设定压缩率为15%，密封压力为10MPa，滑动行程为30mm。

2 结果分析

由于密封圈各处应力分布不同，为方便分析本文选取各状态下的最大等效应力和最大接触应力进行分析。

2.1 预压缩应力分析

预压缩状态下两种密封圈的应力随温度的变化情况如图2所示。其中，图 （a）为两种密封圈的等效应力随温度的变化情况，图 （b）为两种密封圈的接触应力随温度的变化情况。

图2 预压缩应力变化图

从图2可知，在预压缩状态下，两种密封圈的等效应力和接触应力均随着温度的增大而增大，基本上呈线性关系，变化幅度最大约5.3%。另外，X形圈的等效应力、接触应力均大于O形圈。

2.2 承载应力分析

承载状态下两种密封圈的应力随温度变化如图3所示。其中，图 （a）为其等效应力随温度的变化情况，图 （b）为其接触应力随温度的变化情况。

图3 承载应力变化图

由图3可知，在承载状态下，O形圈的等效应力和接触应力基本不变，而X形圈的应力均随温度的增加而增大，变化幅度最大约5.5%；另外得知，O形圈的等效应力比X形圈的大，而其接触应力则比X形圈的小。

2.3 上滑动应力分析

两种密封圈在向上滑动状态下应力随温度变化情况如图4所示。其中，图 （a）为其等效应力随温度的变化情况，图 （b）为其接触应力随温度的变化情况。

图4 密封圈向上滑动应力变化图

从图4可知，密封圈向上滑动时，O形圈的等效应力较大，X形圈的接触应力较大；上述应力随温度的增大而增大，最大幅度约7.5%。

2.4 下滑动应力分析

两种密封圈在向下滑动状态下的应力随温度变化如图5所示。其中，图（a）为其等效应力随温度的变化情况，图（b）为其接触应力随温度的变化情况。

图5 密封圈向下滑动应力变化图

从图5可知，密封圈向下滑动时，X形圈的等效应力和接触应力均大于O形圈的；O形圈的应力基本不变，X形圈的应力随温度增大而增大，增幅最大约5.5%。密封圈向上滑动状态的各种应力值都比向下滑动状态的应力值要小。

3 结论

综上所述，可得以下结论：

1）随着温度的增大，密封圈的接触应力和等效应力基本上是增大的，变化幅度都小于7.5%。

2）温度变化对X形圈应力的影响比对O形圈的大。

3）各工况下X形圈的接触应力均大于O形圈，密封性能更好。