超高液壓下o形橡膠橡膠橡膠密封應(yīng)力分析

超高液壓下o形橡膠橡膠橡膠密封應(yīng)力分析

1超高壓下液壓系統(tǒng)特性研究橡膠o型鏈結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單，安裝方便，成本低。廣泛應(yīng)用于汽車、動(dòng)力機(jī)械和液體運(yùn)動(dòng)機(jī)械等領(lǐng)域。O形橡膠密封圈是一種壓縮性密封圈,同時(shí)具有自封能力,使用范圍很寬,密封壓力從1.33×10-5Pa到400MPa的高壓。傳統(tǒng)上認(rèn)為工程應(yīng)用中工作壓力在35MPa以下時(shí),液壓元件和液壓系統(tǒng)具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。但是,隨著機(jī)械和材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,目前許多廠家提供的通用液壓元件和產(chǎn)品的額定壓力已經(jīng)提高到70MPa水平,如果繼續(xù)將它們使用在相對(duì)較低油壓水平實(shí)際上并不經(jīng)濟(jì)。適當(dāng)提高系統(tǒng)壓力,將使機(jī)械結(jié)構(gòu)更緊湊,機(jī)械裝備整體將更為經(jīng)濟(jì)。因此,探討超高壓下液壓系統(tǒng)的規(guī)律,豐富其理論和技術(shù)十分重要。近些年來,國內(nèi)的一些學(xué)者對(duì)O形橡膠圈的研究逐步深入。崔玉濤等采用實(shí)驗(yàn)研究的方法得出只要合理選擇和控制,單獨(dú)使用普通O形環(huán)錐面密封結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)138MPa可靠密封的結(jié)論。張梅等進(jìn)行了利用普通O形橡膠圈解決超高壓密封問題的試驗(yàn)研究,試驗(yàn)壓力達(dá)到了35MPa且密封效果良好。實(shí)驗(yàn)研究方法雖然直接,但具有研究周期長、成本高、參數(shù)調(diào)整困難等缺點(diǎn),適用范圍較窄。陳國定等進(jìn)行了O形密封圈的有限元力學(xué)分析得出了在3MPa油壓作用下O形橡膠密封圈的變形圖,以及軸和密封接觸面間的接觸壓力及剪應(yīng)力分布狀態(tài)。王杰等對(duì)橡膠O形密封圈進(jìn)行了Ansys分析,得出了在0到15MPa油壓作用下O形圈應(yīng)力的分布以及最大接觸應(yīng)力和油壓、初始?jí)嚎s率的關(guān)系。他們對(duì)O形圈在中低油壓條件下的規(guī)律進(jìn)行了模擬分析,但在超高壓條件下O形密封圈變化規(guī)律、應(yīng)力及接觸壓力分布的理論研究還很少。本文作者利用ABAQUS軟件,結(jié)合某超高壓液壓缸活塞靜密封實(shí)例,對(duì)O形橡膠密封圈在超高壓液壓壓力條件下的應(yīng)力和接觸應(yīng)力進(jìn)行有限元分析是一項(xiàng)很有意義的工作,為在超高液壓下O形橡膠密封圈的設(shè)計(jì)和使用提供一定的科學(xué)依據(jù)。2有限分析模型2.1橡膠體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用的O形橡膠密封圈為美國某公司的產(chǎn)品,型號(hào)為2-363,材料為丁腈橡膠(NBR),邵氏硬度為90,內(nèi)徑為164.47mm,內(nèi)徑公差為±0.74%,截面直徑5.33mm,截面直徑公差為±0.13mm,軸頸和溝槽尺寸按產(chǎn)品手冊推薦范圍選取。O形橡膠密封圈與液壓缸、活塞桿組成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此計(jì)算模型采用平面軸對(duì)稱模型。橡膠屬于超彈性材料,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜,國內(nèi)外學(xué)者已提出了許多用于描述橡膠材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)變能函數(shù)形式。本文分析中采用橡膠材料模型為Mooney-Rivlin模型,其應(yīng)變能函數(shù)為:W=C1(I1?3)+C2(I2?3)W=C1(Ι1-3)+C2(Ι2-3)式中,W為應(yīng)變能密度;C1、C2為材料Mooney常數(shù);I1、I2為第一、第二應(yīng)變張量不變量。材料模型參數(shù)C1、C2參數(shù)的確定參照文獻(xiàn),并在ABAQUS材料屬性定義時(shí),輸入橡膠材料的Mooney常數(shù)。2.2橡膠不可壓縮材料本構(gòu)模型由于液壓缸和活塞桿的材料比O形圈材料的彈性模量高出很多,因此把液壓缸和活塞桿看作剛體,采用解析剛體類型建模。如圖1a所示,O形圈采用的橡膠是一種典型的不可壓縮材料,ABAQUS中提供了專門的用于模擬不可壓縮材料(泊松比為0.5)或近似不可壓縮材料(泊松比大于0.475)的雜交(Hybrid)單元。另外為了減少模型規(guī)模,縮短計(jì)算時(shí)間,在接觸可能發(fā)生的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格,提高結(jié)果精度。為了防止網(wǎng)格在受載荷時(shí)不發(fā)生網(wǎng)格畸變,使計(jì)算結(jié)果更加精確,在網(wǎng)格變形較大的區(qū)域采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃技術(shù)。網(wǎng)格劃分后的O形圈模型如圖1b所示。2.3接觸對(duì)的組成本模型采用直接約束法求解模型中的接觸問題。ABAQUS中采用基于Newton-Raphson方法的接觸算法,即在每個(gè)增量步開始時(shí)檢查所有接觸的相互作用狀態(tài),從而判斷從屬節(jié)點(diǎn)的開放和閉合。由O形圈的軸對(duì)稱有限元模型圖可知,模型中包含3個(gè)接觸對(duì):一是液壓缸壁和O形圈組成的接觸對(duì);二是O形圈和溝槽側(cè)面組成的接觸對(duì);三是O形圈和溝槽底面組成的接觸對(duì)。液壓缸壁和溝槽面在3個(gè)接觸對(duì)中作為主接觸面,O形圈的接觸區(qū)域作為從接觸面。摩擦模型采用為庫倫摩擦,摩擦系數(shù)參照文獻(xiàn)確定。2.4建立接觸模型首先約束活塞桿的所有自由度,再利用剛體的強(qiáng)制位移,通過液壓缸壁位移的控制來模擬O形橡膠密封圈的安裝過程,使O形圈處于一定的壓縮狀態(tài)。然后,在O形圈的下側(cè)逐步施加油壓載荷,使其達(dá)到最終的工作狀態(tài)?？紤]到接觸問題的復(fù)雜性,第一步先定義一個(gè)只有很小位移的載荷分析步,讓設(shè)定的接觸對(duì)平穩(wěn)的建立接觸關(guān)系,第二步再施加真實(shí)的位移,減少模型計(jì)算時(shí)收斂的困難,節(jié)省計(jì)算時(shí)間。在前兩個(gè)載荷步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,第三步載荷在O形圈未與溝槽及液壓缸壁接觸的表面施加與邊界垂直的壓力,模擬單側(cè)油壓的作用。3密封間隙對(duì)o形圈接觸壓力的影響對(duì)O形橡膠密封圈施加0～70MPa的壓力載荷,分析O形圈在安裝完成時(shí)和下側(cè)施加不同壓力時(shí)的變形和VonMises應(yīng)力分布云圖。等效VonMises應(yīng)力反映了O形橡膠圈截面上各主應(yīng)力差值的大小。一般來說,VonMises應(yīng)力值越大的區(qū)域,材料越容易出現(xiàn)裂紋,造成剛度下降并加速橡膠材料的松弛,從而導(dǎo)致失效。圖2、圖3給出了在初始?jí)嚎s率為15%,密封間隙為0.03mm時(shí),O形圈在中、低壓0、10、20、30MPa,和超高壓40、50、60、70MPa油壓情況下的變形和VonMises應(yīng)力分布。由圖3中可以看出,O形圈安裝完成時(shí),應(yīng)力主要集中在中間的上下兩側(cè),形狀上相似“啞鈴”,這與文獻(xiàn)的結(jié)果相吻合。隨著油壓的逐步增加,O形圈的應(yīng)力分布開始發(fā)生變化。在中低油壓階段,最大VonMises應(yīng)力向O形圈與溝槽側(cè)壁接觸的方向轉(zhuǎn)移,并向兩側(cè)分散且應(yīng)力值在不斷增大。在高油壓階段,最大VonMises應(yīng)力向O形圈與液壓缸與活塞桿之間的間隙區(qū)域變化,且隨著油壓的進(jìn)一步上升,O形圈發(fā)生了擠出現(xiàn)象。當(dāng)壓力達(dá)到35MPa超高壓后,O形圈的VonMises應(yīng)力峰區(qū)主要集中在擠出區(qū)域,在O形圈的中部出現(xiàn)了一塊低應(yīng)力區(qū),而其余部分的應(yīng)力值比較均勻。由VonMises應(yīng)力分布云圖可知,在0～70MPa壓力范圍內(nèi)O形圈可能出現(xiàn)裂紋破壞的區(qū)域也是在變化的,但在高壓下最大VonMises應(yīng)力主要位于擠出區(qū)域。因此當(dāng)處于超高液壓作用時(shí),在活塞桿溝槽與液壓缸之間的間隙處,O形圈易發(fā)生磨損、撕裂及扭曲等失效形式,這與實(shí)際O形圈的破壞現(xiàn)象一致。圖4給出了在初始?jí)嚎s率為15%,密封間隙為0.03mm時(shí),O形圈在50MPa壓力時(shí)的接觸壓力云圖。圖4中接觸壓力峰值區(qū)域發(fā)生在O形圈與液壓缸壁及O形圈與溝槽底部的接觸區(qū)域,并且接觸壓力的大小由接觸面的中部向兩邊衰減,最高接觸壓力達(dá)53.83MPa。O形圈與溝槽側(cè)面接觸的區(qū)域接觸壓力值與另兩個(gè)接觸面相比較小,這說明O形圈與液壓缸壁及O形圈與溝槽底部的接觸面起主要密封作用。表1分析了在密封間隙為0.03mm時(shí),不同壓縮率條件下O形圈最大VonMises應(yīng)力與油壓的關(guān)系。由表1中可以看出,在O形圈安裝時(shí),最大主應(yīng)力隨著壓縮率的增加而逐步變大。但與油壓的影響作用相比,壓縮率的作用對(duì)最大主應(yīng)力的作用較小,油壓壓力才是最大主應(yīng)力變化的主要因素。隨著油壓的上升,O形圈發(fā)生擠出現(xiàn)象,在擠出區(qū)域造成最大VonMises應(yīng)力的急劇上升。圖5分析了在密封間隙為0.03mm時(shí),不同壓縮率條件下O形圈最大接觸壓力與油壓的關(guān)系。對(duì)比不同的壓縮率,可以看出O形圈的安裝后初始接觸應(yīng)力隨著壓縮率的增加而變大,且在油壓增加的過程中,最大接觸壓力呈近似線性變化。從這點(diǎn)意義上考慮,適當(dāng)提高壓縮率,能夠提高初始接觸應(yīng)力,提高密封的可靠性。但過高的壓縮率將導(dǎo)致O形圈永久變形和表面損傷,影響O形圈的密封性能。圖6為初始?jí)嚎s率為15%時(shí),不同密封間隙條件下O形圈最大VonMises應(yīng)力與油壓的關(guān)系。在壓縮率一定的情況下,安裝完成時(shí)的最大應(yīng)力沒有隨著密封間隙的增加而變化。在油壓低于20MPa時(shí),密封間隙對(duì)最大VonMises應(yīng)力沒有顯著的改變。但在壓力達(dá)到30MPa以上時(shí),最大主應(yīng)力隨著密封間隙的增加而顯著上升。這是因?yàn)樵诟邏毫ο?密封間隙越大,O形圈更容易造成擠出,引起最大VonMises應(yīng)力值變大。這就要求在超高壓密封時(shí),密封表面須具備較高的加工精度和表面粗糙度,而在中低壓密封時(shí),對(duì)密封表面的要求相對(duì)不高,可以節(jié)省液壓元件的加工成本。在設(shè)計(jì)O形圈密封時(shí),需要合理控制密封間隙的大小,防止O形圈因發(fā)生擠出破壞而造成失效。而當(dāng)初始?jí)嚎s率一定時(shí),不同的密封間隙值不影響O形圈最大接觸壓力的變化,接觸壓力最大值僅與液壓油壓有關(guān)。這是因?yàn)槊芊忾g隙的區(qū)域和最大接觸壓力的峰值區(qū)相離較遠(yuǎn),間隙的變化不直接影響O形圈與液壓缸壁和O形圈與溝槽接觸面的最大接觸壓力值。4密封間隙的影響(1)在油壓不斷上升的過程中,O形圈的最大VonMises應(yīng)力不斷增加,應(yīng)力集中的區(qū)域也在不斷變化。當(dāng)壓力達(dá)到35MPa以上超高壓時(shí),VonMises應(yīng)力峰區(qū)主要發(fā)生O形圈處于在液壓缸與活塞桿密封間隙的區(qū)域;(2)壓縮率對(duì)O形圈的初始應(yīng)力和接觸壓力影響較大,且二者隨著壓縮率的上升而增加。最大接觸應(yīng)力發(fā)生在O形圈與液壓缸壁和O形圈與溝槽底部接觸的區(qū)域,適當(dāng)提高壓縮率能夠提高密封的可