針對(duì)矩形橡膠密封件，論述了密封圈的密封機(jī)理和材料的本構(gòu)模型，運(yùn)用有限元分析技術(shù)，分析了矩形密封圈的壓縮率、溫度和油壓對(duì)Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：矩形密封圈壓縮率、溫度和油壓對(duì)Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力有很大影響，為密封圈的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

引言

　　矩形橡膠密封圈的矩形截面形狀，使其工作過(guò)程中具有較大的接觸面積，從而可以承受較高的密封壓力。在安裝后，形狀變化很小，即使在高壓作用下，其變形量也不太大，因此，被廣泛運(yùn)用于靜密封場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)外的一些文獻(xiàn)研究了矩形密封圈的有限元分析。但是，由于密封圈的工況非常復(fù)雜，不僅僅有預(yù)壓、油壓，還有溫度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認(rèn)為僅僅分析密封圈常溫密封性能不能滿足實(shí)際工況要求。

　　本文運(yùn)用非線性有限元軟件ABAQUS 建立了矩形密封圈的有限元模型，研究了壓縮率、溫度和油壓對(duì)密封圈密封性能的影響。

1、理論論述

1.1、失效準(zhǔn)則

　　(1)最大接觸應(yīng)力準(zhǔn)則。根據(jù)密封理論，實(shí)現(xiàn)可靠密封的充分必要條件是密封圈與溝槽封蓋連續(xù)界面上的接觸應(yīng)力不小于被密封壓力。即：

　　(2)剪切應(yīng)力準(zhǔn)則。密封圈在工作中的最大應(yīng)力應(yīng)小于橡膠材料的許用抗剪強(qiáng)度，即：

1.2、本構(gòu)模型

　　橡膠是典型的材料非線性與幾何非線性材料，其本構(gòu)關(guān)系是非常復(fù)雜的非線性函數(shù)，通常用應(yīng)變能函數(shù)表示，而且應(yīng)力張量不能由變形唯一地確定;結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，受載后呈現(xiàn)出大位移、大應(yīng)變，而且，分析過(guò)程中存在復(fù)雜的邊界條件和接觸。因此，本構(gòu)模型的選擇非常重要。

　　Rivlin 結(jié)合理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了應(yīng)變能密度函數(shù)表示橡膠類(lèi)非線性材料模型，即：

2、有限元分析

　　橡膠密封件的密封性能計(jì)算涉及到固體力學(xué)、摩擦學(xué)、高分子材料學(xué)以及計(jì)算方法等方面的理論知識(shí)，因此，要對(duì)其進(jìn)行精確研究在理論上存在困難。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，數(shù)值計(jì)算方法、材料學(xué)以及大型有限元分析軟件的發(fā)展，利用非線性有限元對(duì)密封件在安裝和使用中的高度非線性接觸問(wèn)題進(jìn)行研究成為可能。本文首先運(yùn)用ABAQUS 軟件建立矩形橡膠密封件的有限元模型，根據(jù)密封圈的實(shí)際工作狀況，依次對(duì)密封圈進(jìn)行預(yù)壓分析、溫度場(chǎng)分析和油壓分析。

2.1、有限元模型建立

　　矩形橡膠密封圈在實(shí)際工作中與油缸蓋和油缸槽相配合，由于油缸蓋與油缸槽均為金屬材料，其彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠的彈性模量，因此，在分析過(guò)程中將其建立為剛體。本次分析運(yùn)用軸對(duì)稱(chēng)模型，網(wǎng)格單元類(lèi)型為CAX4H。

2.2、預(yù)壓分析

　　根據(jù)密封件的實(shí)際工作狀況，首先對(duì)其進(jìn)行預(yù)壓安裝，首先選用的密封圈壓縮率為10%，Von Mises 應(yīng)力云圖與接觸應(yīng)力云圖如圖1 所示。

圖1 壓縮率為10%橡膠密封圈25℃Von Mises 應(yīng)力云圖和接觸應(yīng)力云圖

　　根據(jù)Von Mises 應(yīng)力云圖可以看出，預(yù)壓VonMises 應(yīng)力峰值為1.776MPa，且發(fā)生在密封圈的外側(cè)靠近接觸面處，這是因?yàn)槊芊馊�尖角的形狀和接觸的綜合結(jié)果。接觸應(yīng)力云圖中可以看出預(yù)壓安裝后的接觸應(yīng)力峰值為2.579MPa，但是峰值接觸面非常小，非峰值區(qū)域基本保持1.5MPa。

2.3、溫度場(chǎng)分析

　　密封圈的實(shí)際工作環(huán)境基本都涉及溫度，因此，在模擬中常溫已不能滿足要求，需要對(duì)其進(jìn)行高溫模擬。如圖2 所示，在預(yù)壓的條件下，溫度從25℃升高至150℃時(shí)，密封圈的Von Mises 應(yīng)力峰值為2.053MPa，接觸應(yīng)力峰值為2.989MPa，且峰值區(qū)域與常溫基本相同。

圖2 壓縮率為10%橡膠密封圈150℃時(shí)Von Mises應(yīng)力云圖和接觸應(yīng)力云圖

2.4、油壓分析

　　如圖3 所示，密封件經(jīng)過(guò)預(yù)壓裝配，溫度升高時(shí)，加載2MPa 工作油壓后的Von Mises 應(yīng)力峰值為2.511MPa，接觸應(yīng)力峰值為3.988MPa。Von Mises 應(yīng)力最大發(fā)生區(qū)域與前述基本相同，因此，此處最容易破壞，即危險(xiǎn)區(qū)域。

圖3 壓縮率為10%橡膠密封圈150℃時(shí)，2MPa 油壓Von Mises 應(yīng)力云圖和接觸應(yīng)力云圖

3、結(jié)果分析

　　為了能夠研究壓縮率、溫度、油壓對(duì)密封件密封性能的影響，下面分別對(duì)其有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1、溫度、壓縮率的影響

　　如表1 所示，在不施加油壓的條件下，壓縮率分別在5%、10%和15%時(shí)，隨著溫度的升高，接觸應(yīng)力峰值逐漸增大，25℃ 時(shí)，壓縮率為5% 時(shí)接觸應(yīng)力為1.298MPa，壓縮率為15%接觸應(yīng)力為4.107MPa，增大316% 。但是，Von Mises 應(yīng)力從0.918MPa 提高到2.831MPa，增大308%，表明增加壓縮率可以增強(qiáng)密封性能，但是一定要確保橡膠材料的許用抗剪強(qiáng)度大于Von Mises 應(yīng)力峰值，即保證材料不破壞的條件下，可以增大壓縮率來(lái)提高密封性能。在工程中，如果油缸槽的高度一定，增大壓縮率就需要增大橡膠材料的質(zhì)量，即增加了成本，因此，需要考慮并優(yōu)化。

表1 不同溫度和壓縮率下橡膠密封圈的Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力

3.2、溫度、油壓的影響

　　如表2 所示，分析了隨著油壓的增大，不同溫度對(duì)應(yīng)的Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力的變化。

表2 不同溫度和油壓下橡膠密封圈的Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力

　　在溫度為25℃時(shí)，油壓為1MPa 接觸應(yīng)力峰值為2.094MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油壓，因此，密封性能滿足接觸應(yīng)力(式(2))要求，隨著油壓的增大，接觸應(yīng)力相應(yīng)增大，在3MPa 油壓時(shí)，接觸應(yīng)力為4.105MPa，仍然滿足要求。同時(shí)，Von Mises 應(yīng)力從1MPa 油壓時(shí)的1.759MPa增加到3MPa 時(shí)的2.559MPa，當(dāng)溫度升高到150℃時(shí)，3MPa 時(shí)的Von Mises 應(yīng)力增至2.724MPa，因此，對(duì)橡膠材料的許用抗剪強(qiáng)度也有了更高的要求。

4、總結(jié)

　　(1)在一定溫度和油壓的條件下，橡膠密封圈隨著壓縮率的增大，Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力均增大，但是，在工程中，增大壓縮率會(huì)增加密封件的制造成本;

　　(2)在一定壓縮率和油壓的條件下，橡膠密封圈隨著環(huán)境溫度的升高，Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力均增大;

　　(3)在一定環(huán)境溫度和壓縮率的條件下，橡膠密封圈隨油壓的增大，Von Mises 應(yīng)力和接觸應(yīng)力均增大。