不同沟槽棱圆角半径对带挡环的O形圈密封的影响*

赵静一 罗元奎 郭 锐 王建伟 唐颖达 潘玉讯 刘 尧

(1.燕山大学机械工程学院 河北秦皇岛 066000；2.苏州美福瑞新材料科技有限公司 江苏常熟 118300；3.沈阳职业技术学院机械工程学院 辽宁沈阳 110000)

O形圈因其具有良好的密封稳定性及可靠性，在密封领域占据着很重要的位置。O形圈密封结构一般有带挡环和不带挡环2种形式，许多学者围绕这2种O形圈密封结构做了许多研究。段密克等[1]在小于10 MPa介质压力的作用下，进行了O形圈在有无挡环配合2种情况下密封性能以及在0～35 MPa介质压力作用下接触应力变化情况的研究。莫丽和王军[2]进行了在小于5 MPa介质压力作用下，O形圈密封结构中不同速度、时间历程和不同压缩率下的密封性能研究。魏列江等[3]进行了介质压力为2.5和16 MPa且无挡环配合使用时，O形圈密封结构中不同沟槽棱圆角半径对密封性能影响的研究。QIAO等[4]分析和讨论了O形圈的密封性能与密封直径之间的关系和因性能不同而产生的材料波动。饶建华和陆兆鹏[5]分别设置了0、3、5和10 MPa 4种介质压力，探讨了O形圈密封压力和密封宽度之间的关系。许浩等人[6]基于三重非线性理论，研究了O形密封圈沟槽底角对密封性能的影响。

目前，很多学者在不同介质压力作用下探究了O形圈的结构以及其密封性能，但关于O形圈密封结构中的沟槽棱圆角半径研究较少，仅魏列江等[3]对无挡环的O形圈密封结构中的沟槽棱圆角半径进行了研究。本文作者研究了在35 MPa介质压力作用且有聚氨酯挡环配合O形圈使用的情况下，沟槽棱圆角半径对密封性能的影响。

1 带单挡环的密封结构模型的建立

根据GB/T 3452.3—2005液压气动用O形圈橡胶密封圈沟槽尺寸，当使用O形橡胶密封圈进行密封且介质压力超过10 MPa时，常需采用带挡环的密封结构形式，密封时将挡环和O形橡胶密封圈均安装在沟槽内。对液压径向静密封而言，严重的“挤出”是O形圈的主要失效形式[7]。

在O形圈一侧或两侧安装挡环的主要作用是在工作条件下能够保护O形圈不被挤入到金属部件的间隙内。文中研究的对象为带单挡环的密封结构，其示意图如图1所示。

带单挡环的密封结构可视为轴对称模型，利用ABAQUS有限元分析软件建立O形圈、挡环、活塞和缸体的二维轴对称有限元模型。O形圈的可靠性受材料和几何参数影响较大[8]，O形圈材料选用丁腈橡胶，挡环材料为聚氨酯，两者皆为弹性体[9]。在ABAQUS等有限元分析软件中，都设有较多超弹性模型，例如Mooney-Rivlin模型、Neo-hooken模型、Yeoh模型等，对于橡胶类物理非线性材料，常采用Mooney-Rivlin模型[1,10-11]。两参数的Mooney-Rivlin模型的应变能密度函数表达式如式(1)所示[12]。

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

(1)

式中:W为应变能密度；C10、C01为Mooney-Rivlin模型的材料参数；I1为第一应变不变量；I2为第二应变不变量。

所以文中O形圈和抗挤压环均采用Mooney-Rivlin两参数模型，两参数为橡胶材料常数C10和C01，除此之外，建立模型还需用到不可压缩常数d。参数具体值可由式(2)、式(3)和式(4)计算得出[1]。

C10+C01=E/6

(2)

C01=C10/4

(3)

(4)

式中：Cij为Mooney-Rivlin模型的材料参数；E为弹性模量；d为不可压缩常数；μ为泊松比。

由式(2)、式(3)和式(4)计算得到丁腈橡胶O形圈材料参数C10=2.79 MPa，C01=0.697 5 MPa，d=0.005 7；聚氨酯抗挤压环材料参数C10=20 MPa，C01=5 MPa，d=0.000 8。

在接触设置方面，O形圈与挡环为摩擦接触，摩擦因数设为0.5；活塞与缸体由于考虑到装配间隙，设为无摩擦接触；其余接触类型皆为摩擦接触，摩擦因数为0.03[5]。

有限元分析过程可分为4个分析步，第一个分析步内容是模拟装配过程，使得O形圈具有一个预压缩过程，此次分析预压缩压缩率为15.8%；第二个分析步内容为施加额定载荷，得到O形圈在受到额定压力35 MPa时的应力及应变情况；第三个分析步的内容为给缸体施加位移，模拟动密封的进位过程；第四个分析步也是模拟动密封，给缸体施加位移，退回第二个分析步的位置[2]。

带单挡环O形圈密封结构划分网格后的模型如图2所示，模型采用四边形CAX4R单元，挡环和O形圈网格大小设置为0.1 mm，聚氨酯挡环有161个单元，O形橡胶密封圈有688个单元；缸体和活塞网格大小设置0.8 mm，缸体有384个单元，活塞有1 305个单元，整个模型共2 768个节点，2 538个单元。

2 有、无挡环配合2种情况下O形圈应力分析

O形圈密封中，当介质压力大于10 MPa时，O形圈一端或两端需加上挡环配合使用。在魏列江等[3]的研究中已经系统阐述了在无挡环配合时，沟槽棱圆角半径对O形圈密封性能的影响，即O形圈在低介质压力作用下，沟槽棱圆角半径对密封性能影响较小，而在高介质压力作用下，半径对密封压力的影响较为明显。文中分析了在35 MPa介质压力作用下，沟槽棱圆角半径分别为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mm时在有、无挡环2种情况下的应力云图，如图3所示。

整理图3中数据，得到O形圈应力与沟槽棱圆角半径之间的关系如图4所示。

从图3可以看出，沟槽棱圆角取0.1和0.2 mm时，由于所用的丁腈橡胶O形圈取了较大硬度值，所以在无挡环配合情况下O形圈挤出现象不是很明显，且所受最大应力集中在靠近缸体和活塞的部位，近似成对称分布。这与许浩等人[6]的研究结果“α=90°时，O形圈内仍保留有两处高应力区域，呈对称分布，最大von Mises应力出现的位置分别靠近与槽底和缸套接触的区域”相符。但当沟槽棱圆角半径取0.3、0.4、0.5 mm时，从图3(f)、(h)、(j)可以看出O形圈右上角有明显的挤出现象，而在有挡环配合使用的情况下，O形圈并无挤出，且应力较小。所以可以得出在大介质压力作用下，O形圈受沟槽棱圆角影响较为明显，与魏列江等[3]的结论相符；且能说明在大介质压力作用下，O形圈需配合挡环使用，挡环能有效防止O形圈被挤入密封间隙。

从图4可看出,有挡环O形圈的最大von Mises应力出现在沟槽棱圆角半径取值为0.3 mm时，在沟槽棱圆角半径为0.4 mm时取值最小;沟槽棱圆角半径从0.1 mm变化到0.5 mm，虽然其应力随着变化，但变化幅度并不大，最大仅为2.4%，远远小于无挡环配合情况下的应力变化值。无挡环O形圈的应力随着沟槽棱半径的增大而增大，沟槽棱圆角半径从0.1 mm变化到0.3 mm时，O形圈内部的von Mises应力变化幅度较小，但在0.3 mm后O形圈所受应力急剧增大。这与文献[3]“当沟槽棱圆角半径从0.1 mm变化到0.5 mm时，O形圈内部的von Mises应力增加了43%”的结论基本一致。因此在35 MPa介质压力作用下，挡环能有效降低沟槽棱圆角半径对O形圈的影响，有挡环O形圈并没有发生挤出现象。

3 有挡环配合情况下O形圈的接触应力和挡环挤出变形分析

3.1 O形圈接触应力分析

在大介质压力作用时，O形圈应与挡环配合使用。在35 MPa介质压力下，通过改变沟槽棱圆角半径大小，探究在有、无挡环配合O形圈使用的情况下，沟槽棱圆角半径对密封性能的影响。要分析O形圈的密封性能，不能只关注O形圈内部von Mises应力，还应比较分析O形圈与缸体、活塞之间的接触应力。不同沟槽棱圆角半径下O形圈的接触应力云图如图5所示。

整理图5中数据，得到O形圈与缸体、活塞之间的接触应力和沟槽棱圆角半径的关系如图6所示。

O形圈要实现密封功能，其接触处的应力必须大于所受的介质压力，接触应力是衡量O形圈密封性能的一个重要指标[13-14]。从图6中可以看出虽然有、无挡环2种情况下接触应力随着沟槽棱圆角半径变化而变化，但其值均大于介质压力35 MPa，所以能达到密封效果，且2种情况下接触应力相差并不大。有挡环时，除了半径取值为0.3 mm时，随着沟槽棱圆角半径增大，接触应力呈现出整体减小的趋势，但减小的幅度很小。无挡环时，其变化幅度同样很小。所以总体来说挡环配合O形圈使用能有效保证其密封性能的稳定，使其所受沟槽棱圆角半径的影响降到最低。但沟槽棱圆角的值也不能取得太大，否则会降低接触应力，使密封性能的可靠性降低。因此挡环不影响O形圈的密封性能，但起到了降低沟槽棱圆角对O形圈的影响的作用。这与曹淑华等[15]的研究结果“有挡圈配合的O形圈结构中，起密封作用的是O形圈而非挡圈，挡圈的作用主要是改善O形圈的受力，提高整个密封结构的可靠性”相符。沟槽棱圆角半径对有、无挡环2种情况下的接触应力影响较小，即2种情况下都能满足密封要求，接触应力对沟槽棱半径变化不敏感。

3.2 挡环挤出变形分析

挡环起到了隔断O形圈与沟槽棱圆角、密封间隙直接接触的作用，从而使沟槽棱圆角半径对O形圈影响较小，甚至没有影响，但挡环的挤出高度还是会受到沟槽棱圆角半径的影响。为了研究挡环的挤出高度与沟槽棱圆角半径之间的关系，文中重点分析挡环与沟槽棱圆角半径接触处的变形。如图7所示为沟槽棱圆角半径从0.1 mm变化到0.5 mm时挡环的挤出变形云图。

整理图7中数据，得到挡环挤出高度与沟槽棱圆角半径之间的关系图如图8所示。

从图8中可以很明显地看出，挡环的挤出高度随着沟槽棱圆角半径的增大而增大，且在半径在0.1～0.3 mm之间挤出高度与半径近似呈线性关系，半径在0.3～0.5 mm之间挡环挤出高度变化幅度较大，半径从0.1 mm增加到0.5 mm，挤出高度增加了近224%。

4 不同沟槽棱圆角半径下O形圈动密封分析

有限元分析共有4个分析步，其中，第一个分析步为初始状态，第二个分析步模拟了O形圈与缸体之间的装配过程，第三个分析步为动密封中缸体进位过程，第四个分析步为动密封中缸体退位过程。为更好地了解挡环的挤出与沟槽棱圆角半径之间的关系，文中进一步分析了不同沟槽棱圆角半径时挡环在整个过程中挤出处应力与时间的关系，如图9所示。

从图9可以看出，在1～2 s的时间段内，O形圈因受到介质压力的作用，挡环挤出处应力不断增大，直到加载结束；在2～3 s的时间段内，为缸体进位过程，模拟动密封，应力会瞬时增加，然后稳定在一定值；在3～4 s的时间段，为缸体的退位过程，应力瞬时减小到与第二分析步完成时的应力大小，直至退位结束。随着沟槽棱圆角半径的增大，挤出处应力整体呈现增大的趋势，在半径为0.1 mm时挤出处应力最小，半径为0.5 mm时最大，且在0.1～0.3 mm的半径变化范围内，应力的变化幅度较小，在0.3～0.5 mm范围内，变化幅度值较大。在2～3 s的时间段内，最大von Mises应力从半径为0.3 mm时的11.3 MPa增加到半径为0.5 mm时的26.62 MPa，增幅达到135.6%。

综合以上2方面的考虑，在涉及到动密封时，沟槽棱圆角半径从0.3 mm变化到0.5 mm时，挤出高度增加了64.2%，应力增加了135.6%，所以在满足O形圈和挡环不被沟槽棱划伤的前提下，使得挡环在挤出处受到较小应力，推荐沟槽棱圆角半径值为0.1～0.3 mm之间。

5 结论

(1)通过对O形圈有、无挡环配合2种情况下的有限元分析，发现O形圈在无挡环配合使用，且受到较大介质压力作用时，O形圈受沟槽棱圆角半径影响较大，所以实际中在大介质压力作用时，需配合挡环进行密封。

(2)在35 MPa介质压力作用下，有、无挡环2种情况下的O形圈密封都能达到密封要求，接触应力均大于介质压力，且O形圈的接触应力虽有变化，但其变化幅度较小。因此，挡环在不会影响O形圈的密封性能的前提下，还起到了降低沟槽棱圆角半径对O形圈影响的作用，且接触应力对沟槽棱半径变化不敏感。

(3)在涉及到动密封时，随着沟槽棱圆角半径的增大，挤出处应力整体呈现增大的趋势，其中在0.1～0.3 mm的半径变化范围内，应力和挤出高度的变化幅度较小，而在0.3～0.5 mm范围内，挤出了高度增加64.2%，应力增加了135.6%，变化幅度值均较大。所以在满足O形圈和挡环不被沟槽棱划伤的前提下，为使得挡环在挤出处受到较小应力，密封结构具有较长寿命，推荐沟槽棱圆角半径值为0.1～0.3 mm之间。