O形旋转密封圈的密封性能有限元分析_蒋国璋
O形旋转密封圈的密封性能有限元分析_蒋国璋
最大应力值（MPa）
2
0
10 20 30 40 50 60 70
旋转轴直径 d（cm）
（a）介质压力 P=0MPa
14
13
12
11
10
Von Mises
9
接触压力
8
7
6
5 0 10 20 30 40 50 60 70
旋转轴直径 d（cm）
（b）介质压力 P=10MPa
图 5 介质压力下旋转轴直径与应力的曲线关系
（a）中可以看出，在其他条件不变的条件下，随着旋转轴直径的增 龟裂和磨损，极易导致密封失效，这一现象称为焦耳效应[6]。O 型
大，Von Mises 应力和接触压力减小，最后变化趋于平缓。这表明， 密封圈及其密封结构尺寸设计合理，使其以压缩状态而不是拉伸
旋转轴直径较小时，VonMises 应力过大，容易导致密封失效；同时 状态装在轴上，可以避免焦耳效应[7]。因此，旋转密封表面的接触
来稿日期：2013-12-12 基金项目：国家自然科学基金项目（51375352）；湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目（D20121105）；武汉市科技局攻关项目（D201110821247） 作者简介：蒋国璋，（1965-），男，湖北武汉人，教授，博士生导师，主要研究方向：汽车与机械 CAD/CAM 的研究；
相同；（3）O 形圈受到的横向压缩视为由约束边界的指定位移引
起的；（4）由于钢的刚度远远大于橡胶的刚度，将其简化为刚体。
2.3 有限元模型
在 ABAQUS 中建立转轴、橡胶 O 形密封圈和缸体二维轴对
称模型。转轴和凹槽材料为钢，钢的密度、泊松比、密度分别为
2.1×105MPa、0.3、7.8×103kg/m3，橡胶的密度 1.5×103kg/m3。橡胶本
航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析
航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析近年来，航天器开发技术取得了长足的进步，密封系统也成为航天器中功能性和结构性部件的关键组成部分之一。
O形密封圈是常用的一种机械密封方式，它的特点是在满足弹性要求的情况下，可以起到良好的密封效果。
本文主要介绍O形密封圈的有限元分析方法，并结合有限元分析的结果，对不同的密封圈进行对比分析，为进一步提高航天任务的可靠性提供参考。
O形密封圈是一种由金属圈和橡胶垫片组成的机械密封结构。
金属圈是一种圆形金属垫片，用于支撑橡胶垫片，而橡胶垫片则可以形成良好的密封效果。
这种密封结构由金属圈和橡胶垫片两部分组成，而其组合方式又分为全金属组合和非金属桥接组合。
就其支撑面来讲，O形密封圈可分为：圆形支撑面、平面支撑面、管状支撑面、矩形支撑面以及其他形状支撑面。
同时，根据其金属圈的材料和结构参数，O形密封圈也分为大弹性、中弹性、小弹性和耐高温类型。
为了评价航天器中O形密封圈的可靠性，必须采用有限元分析的方法来模拟。
有限元分析可以准确地模拟该结构的受力和变形特性，可以准确地得出橡胶垫片的模量和弹性系数，从而准确地模拟出其完整的机械性能。
通过有限元分析，可以得出不同密封圈的完整的机械性能和可靠性数据，并可以进行对比分析。
在不同的操作条件下，比较不同密封圈的力学性能及可靠性，以评估其能否满足航天器要求。
经过有限元分析，可以得出不同密封圈的力学性能，并可以进行分析对比。
比如，有一种O形密封圈具有大弹性，可以很好地抵抗外部力的冲击，同时具有很好的密封效果；而另一种O形密封圈则具有小弹性，能够更好地抵抗各种振动，但它的密封性能会稍逊一筹。
总之，本文介绍了O形密封圈的有限元分析方法，并结合有限元分析的结果，对不同的密封圈进行对比分析，为进一步提高航天任务的可靠性提供参考。
综上所述，通过科学有效的密封结构设计，可以提高航天器中O形密封圈的可靠性。
O形橡胶密封圈密封性能的有限元分析_谭晶
= W/ 本文使用的 C1 和 C2 分别为 1 87和 0 47。 2 3 边界 (状态 ) 非线性 密封计算的边 界条 件非常 复杂, 包 含接触 计算。 接触问题的 复 杂性 是由 于系 统 接触 状态 的改 变 造成 的, 故接触问题又被称为是广泛存在于工程实际的一 个复杂的状态非线性问题。密封圈和轴套的接触属于
66
润 滑与密封
总第 181期
图 1中 r2 为轴套 槽口 倒角半 径; d0 为 O 形 密封 圈界面直径; b为轴 套沟槽宽 度; 为 O 形 密封 圈变
形后刚体与轴 套的 间隙; b1 为 O 形密封 圈变 形后 接 触宽度。
2 有限元分析模型
橡胶密封 件 的密 封计 算 涉及 到 固体 力 学、摩 擦
指数 双曲 ( expon en tial hyp erbolic) 法 则 以 及基 于 连
续体的表 象学 方法 的 M ooney R iv lin、 K losenr S egal模
型和 O gden T schoeg l模型 [ 5- 8] 。目前广泛采用 M ooney
Rev lin模型描述橡胶材料的应 变能函数, 同时 附加体
学、高分子材料学以 及计算方 法等 方面的 理论 知识,
因此要对其进行精确研究在理论上存在困难, 难以全
真模拟。现简单介绍密封结构中的三重非线性和为简
化问题的研究而进行的基本假设。
2 1 几何非线性
O 形密封圈是一种挤压形密封件, 靠预压 缩后产
生的回弹力给密封 接触面 一定压 力, 达到 密封 目的。
摘要: 利用 AN SY S建立了液压系统中液压缸用 O 形橡胶密封圈的二维轴对称模型, 分析计算了 O 形密封圈缸筒和 轴套的间隙、密封轴套槽口倒角半径、O 形密封圈的截面尺寸、橡胶材料参数、初始压缩率对密封面最大接触压力和剪 切应力的影响。结果表明: O 形密封圈缸筒和轴套的间隙对剪切应力的影响很大; 轴套沟槽宽度、 O 形密封圈的截面尺 寸和橡胶材料参数对密封面最大接触压力的影响很大; 初始压缩率对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都很大; 对 于本文分析的结构, 在其它条件不变的情况下密封轴套槽口倒角半径对密封面最大接触压力和剪切应力的影响都不大; 分析结果验证了长期使用的经验设计。
往复式密封中O形密封圈组合的有限元分析
外径、 端 面或其 他 表 面 形成 密 封 而 被 广 泛 应 用 于
液 压气 动系 统口 ］ 。橡 胶 Ｏ 形 密封 圈的 密封 性 能 涉 及到 固体 力学 、 摩 擦学 、 高分 子材 料科 学 以及 机 械 制造 工艺 学 等 多 方 面理 论 知 识 ］ ， 对其 进 行 精
２ ． １ 模 型 的 材 料
０形 密封 圈 的橡 胶材料 是具 有高度 非线 性 的 复合 材料 ， 即存 在几何 非线 性 、 材 料非线 性 和接触
非 线性 。
为 了对 ０ 形 密封 圈组 合 进 行 高 效 率 的有 限 元 求解 ， 做如 下合 理 假 设ｌ ５ ＿ ６ ｌ ： ① 材 料 具 有 对应 的 模 型参 数 ； ② 密封 圈 受 到 的纵 向压缩 是 由约 束边 界 的指 定位移 引起 的 ； ③ 密封组 合结 构的液 压缸 、 活塞弹 性模量 远 大 于密 封 圈 ， 分 析 时作 为 刚 体处
（ ２ ） 为 ４ ２ ｍｍ。
某 弹射 液压 气 动装 置 见 图 １ ， 在 外 力 作 用 下
液体 缓 慢推 动活 塞 向左 压 缩 气 体进 行 储 能 ， 解 脱
外力 后 ， 被压 缩 的气体 迅 速膨胀 ， 推 动活 塞反 向做
功， 完成 工作 行 程 。 ｏ形 密 封 圈属 于挤 压 型密 封 圈 ］ ， 工 作 时将
１ Ｏ 形 密封 圈组 合的 结构及 工作 原 理
式 中， ｄ 为 Ｏ形 密 封圈 自由状 态下 的截 面直 径 ； ｈ
为 ０ 形 密封 圈压 缩后 高度 。 该液压 气 动装 置 密 封结 构 活塞 直 径 为 ４ ８ ｍｍ， 密 封槽 长 度 为 ４ ． ８ ｍｍ、 深度为 ３ ｍｍ、 倒 角 半径为 ０ ． ５ ｍｍ， ｄ 为 ３ ． ５ ５ ｍｍ， Ｏ形 密封 圈直径
航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析
航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析中国近年来发展的航天技术已取得了巨大的进步，无论是在航天器的设计过程中，还是在航天器制造过程中，技术的发展取得了巨大的成就。
航天器的设计是一个复杂的过程，其中关键的部件之一就是密封圈，它是航天器制造的重要组成部分，起着重要的作用。
因此，密封圈如何设计和分析成为了航天器设计过程中至关重要的问题。
在航天器设计过程中，有一种典型的O形密封圈受到了广泛的关注，这种密封圈是由一条O形型的弹性环和一排放射形钉所构成，它们能够形成一个重要的密封和连接机构。
密封圈的设计必须确保其具有良好的性能，因此，密封圈的分析成为航天器设计过程中的一个重要方面。
有限元分析是用来计算复杂结构力学特性的一种算法。
它是以网格模型为基础，以节点为元素，通过网格划分复杂结构，定位节点所代表的结构元素，并对节点处的力学场进行分析和数字模拟，来预测结构的力学性能。
有限元分析在航天器设计中得到了广泛的应用，能够有效地预测结构的力学行为，节省大量的计算时间和资源。
本文的目的是使用有限元分析技术对航天器中的一种典型O形密封圈进行分析。
首先，将O形密封圈的几何特征详细地建模出来，用Abaqus有限元分析软件来建立有限元模型，并确定有限元模型的各个参数。
其次，有限元分析中的网格划分也是很重要的，因此，我们需要使用网格分析软件对O形密封圈的特征进行精细网格划分，以便对密封圈的数值模拟进行分析。
最后，利用网格划分并建立的有限元模型，在Abaqus软件中进行有限元分析，得到计算结果，也就是O形密封圈的受力分析结果，然后根据计算结果对密封圈的设计进行修改，以改善密封性能和使用寿命。
以上就是本文对航天器中一种典型O形密封圈的有限元分析的简要介绍。
有限元分析对于航天器设计有着至关重要的作用，它能够有效地预测结构的力学性能，提高设计质量，降低设计成本。
基于Ansys的橡胶O形密封圈的密封性能有限元分析
（３）
式中 ：△ｕ＿Ａ为橡胶密封圈上的一点 Ａ 的增量位移
表 １ 不 同油 压 、不 同径 向间 隙 条 件 下 最 大 Ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应 力 的 数 值 Ｎ Ｎ ／ＭＰａ
向量 ；，ｚ为密封刚体的单位法 向向量 ；Ｈ 为接触距
离 容 限 。
若 满足 式 （３），则认 为 Ａ点 与 刚体 接 触 上 了 。
接 触 问题属 于带 约 束 条 件 的 泛 函极 值 问题 ，最 常 用 的方 法有 Ｌａｇｒａｎｇｅ乘 子法 、罚 函数 法 以及 基 于 求 解器 的直 接 约 束 法 。本 文 采用 罚 单 元 法 ，在 对 模 型进行 完 网格 划 分 后 ，在 ２个 可 能接 触 的界 面 上 的节 点之 间建 立接 触单 元 ，来 求解 Ｏ 形密 封 圈 与 刚体 间 的接触 问题 ］。
弹 性 体
第 ２Ｏ卷
Ｒｉｖｌｉｎ系数 ； ｚ为 第一 、第二 应变 张量 不变 量 。 裂纹 。而接触压力 的大 小反 应 了 Ｏ形 圈 的密封 能
应 力应 变关 系 即为 ： ａ＝ＯＷ ／Ｏｅ
力 ，ｏ形 圈保证 密封 的必要 条件是最 大接触 压力 大 （２） 于或 等于油 压 。所 以这 里 主要 利用 Ａｎｓｙｓ软 件分
摘 要 ：利 用有 限元分析软件 Ａｎｓｙｓ，建 立 了橡胶 ０形 圈及其 边界 的有 限元模 型，分析 计算 了不 同 的 ０ 形 密封 圈径 向 间 隙 以及 不 同 的 油压 下 对 密 封 面 最 大接 触 压 力 和 Ｖｏｎ Ｍ ｉｓｅｓ应 力 的 影 响 ，以及 它 们 之 间 的相 互 关 系 ，为 ０ 型 密封 圈 的合 理 安 装 和 使 用提 供 了理 论依 据 。
（２）不 同油 压 、不 同径 向间 隙条 件 下 ，最 大接 触压 力 的数值 如 表 ２所 示 。
O形橡胶密封圈的失效分析及预防
0 引言O形橡胶密封圈是在机械制造业地位举足轻重，O形橡胶密封圈因其制造简单、成本低廉、安全可靠、使用广泛且对于其他与之衔接的零部件摩擦力较小，一直备受企业青睐。
因此，O形橡胶密封圈作为使用年限最久远的密封元件，在我国国民经济总体进程中发挥着至关重要的作用。
然而，橡胶密封元件在生产中的失效情况也愈发严重，其后果会对环境能源造成污染，并导致机械发生故障等情况。
因此，本文对O形橡胶密封圈的失效成因及如何提高橡胶密封元件的成功几率提出相应的看法。
1 O形橡胶密封圈的密封原理分析1.1动态密封O形橡胶密封元件的密封原理可以分为动态密封和静止密封2种。
首先来说动态密封，动态密封的表现形式主要呈螺旋状循环往复的运动。
其中公式表现为Q∞（δ△P/γVb±V2δ）d/F （H）气公式中动态密封泄漏量用9表示；密封间隙的始末端压力差用△P表示；轴径为d; O 形橡胶圈接角臾竞度为b；液膜厚度为σ；液体密度γ；液体运动粘度为v。
由上述公式可以得出，O形橡胶圈中动态密封泄漏量与轴径大小、O形橡胶圈接触宽度以及O形橡胶圈勘虫硬度有关。
当O形橡胶圈接触低摩擦运动时，轴的运动速度v可以近似取0值，此时O形像胶圈的中动态密封泄漏量将与轴径大小成正比，与接触度及密封件硬度的大小成反比。
1.2静止密封其次来讲静止密封，静止密封的原理是将O形橡胶圈装入密封沟槽后受到一种初始压缩力的作用。
这种压缩力提供了初始密封压力，用Pv表示，它与密封圈、沟槽深度与径向间隙的相关尺寸有着密切的联系。
当密封腔冲入液体时，在压力P的作用下O形橡胶圈会移至沟槽的一边，并封闭密封间隙S，此种的变现公式为：Pω）=P∞+D +KP。
由于在实际静止过程中，密封压力大于流动压力。
因此，O形橡胶圈存在初始压力，并能够实现静态无泄漏密封。
2 O形橡胶密封圈常见的失效原因及应对措施2.1材料方面O形橡胶密封圈在原材料上导致失效的原因，具体表现在生产过程中的选材不当以及材料本身就存在质量问题。
O形圈基本性能介绍
O型圈基本性能介绍一、概述1、橡胶密封制品是以橡胶为基材制造的，用于防止流体介质从机械、仪表的静止部件或运动部件泄漏，并防止外界灰尘、泥沙及空气进入密封机构内部的部件。
密封装置由橡胶密封制品、润滑介质、安装腔体三部分组成。
橡胶制品的质量直接影响各种密封装置的使用性能，一旦失灵，可能会导致恶性事故，如航天飞机、井下作业等。
2、分类隔膜衬垫气动用系统液压系统O型圈真空系统橡胶密封制品精细系统往复运动密封件旋转轴唇密封件其它模压密封件专用密封件3、橡胶密封件的原理及理沦①泄漏、渗漏、的区别橡胶密封件受压缩而产生的反弹力叫密封力，其作用是防止泄漏介质通过静密封面表面漏出来的现象叫泄漏。
介质通过密封材料机体“毛细管”孔道渗出来的叫渗漏。
②密封性能与物理性能的关系密封性能及所谓的密封力与材料弹性有，而且随压缩量和温度、时间而变化。
a. 与硬度的关系随橡胶硬度增大，橡胶的模量（定件应力）增大，可以避免高压流体将密封件从根部挤出，高硬度橡胶、密封件可以在介质压力相当高的范围内，不加挡圈也可使用。
b. 与剪切模量的关系杨氏模量（相当于剪切模量的3倍），因温度而发生变化。
这是根据应变速度而变化的，所以轴速越高，应变速度也高，杨氏模量变大，会导致泄漏或橡胶表面硬化和龟裂。
c. 与压缩变形的关系压缩变形是在恒定的应力和温度条件下，硫化胶试样发生的结构流变行为，是在应力除去后呈现的永久变形。
产生原因：①原始空间网络结构逐渐被破坏，力图恢复的弹性力逐渐下降。
②借助新形成的交联键，构成固定变形状态下的新结构网。
压缩变形的增大，意味着密封力的减小。
当永久变形达到一定程度，密封力会丧失，导致密封泄漏。
d. 与介质、高低温、耐腐蚀等均有要求。
二、O型圈的生产工艺流程三、O型圈的设计原则及结构参数1、材料以合成橡胶为主，其中NBR、FKM和NR为主要原料。
在各种标准中，以硬度和压缩永久变形最为重要。
2、密封间隙密封间隙超过某一临界值时，则发生挤隙现象。
基于有限元的O形密封圈密封性能分析[文档资料]
![基于有限元的O形密封圈密封性能分析[文档资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/c0973d1f773231126edb6f1aff00bed5b9f37321.png)
基于有限元的O形密封圈密封性能分析本文档格式为WORD,感谢你的阅读。
针对较为常用的O形橡胶密封圈，在有限元软件Abaqus中对其静密封性能进行了仿真模拟，并研究了介质压力、摩擦因数和预压缩量对密封圈密封性能的影响规律。
通过数值模拟可以实现对O形密封圈密封性能的预测，为密封圈的设计和应用提供了理论依据，同时也为其他结构密封圈的分析提供参考。
O形密封圈由于其结构简单、密封性能好且制造费用低，被广泛地应用于机床、船舶、汽车、航空航天、冶金、化工以及铁道机械等行业，一般安装在外圆或内圆上截面为矩形的沟槽内起密封作用，适用于静密封和往复运动密封。
O形密封圈是一种双向作用的密封件，安装时径向或轴向方向给定一定的预压缩，使其具备初始密封能力，再在系统压力作用下产生密封力，与初始密封力合成总的密封力，实现对系统的密封。
通常，为防止出现永久的塑性变形， O形圈允许的最大压缩量在静密封中约为30%，在动密封中约为20%。
在静密封中，无挡圈时， O形密封圈的最高工作压力可达20MPa。
由于影响 O形圈密封性能的因素较多，本文采用有限元软件Abaqus对静密封中的 O形圈的密封性能进行分析，并研究预压缩量、摩擦因素和介质压力对其密封性能的影响。
二、有限元模型1.材料参数O形密封圈采用的橡胶材料具有高度非线性，即几何非线性、材料非线性和接触非线性。
在分析之前，需要做以下假设：材料具有确定的弹性模量和泊松比；材料的拉伸和压缩蠕变性质相同；密封圈受到的纵向压缩视为有约束边界的指定位移引起的；蠕变不引起体积的变化。
2.几何模型密封圈及沟槽截面图，密封圈的材料为丁腈橡胶（NBR），其规格为150mm×5.33mm。
在Abaqus中建立活塞杆、凹槽和密封圈的二维轴对称模型，活塞杆和凹槽材料为40Cr，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。
分别建立密封圈与凹槽和活塞杆两组接触面，采用罚函数模拟面与面之间的接触，设定初始摩擦因数为0.2。
O型密封圈的特性与简介
O型密封圈的特性与简介
O型圈的简介
生活中我们称密封圈，为O型圈与Y型圈，是以他的形状来定，O型密封圈是拥有圆形截面的环行橡胶密封圈.主要用于机械不见在静态条件下避免液体和睦体介质的泄漏.在
某些情形下. O型密封圈还能用做轴憧憬复运动和低速旋转运动的动态密封元件.依据不同的条件,可分辨抉择不同的资料与之相适应. O型密封圈通常选用时要尽量选用大截面的O圈.在雷同间隙的情况下. O型密封圈被挤入空隙的体积应该小于其被挤入的最大容许值。
对不同品种固定密封或动密封应用处合，o型密封圈为设计者供给了一种既有效又经济的密封元件。
o型圈是一种双向作用密封元件。
安装时径向或轴向方面的初始紧缩，赋予o型圈自身的初始密封才能。
由体系压力而发生的密封力与初始密封力合成总的密封力，它随系统压力的进步而提高。
o型圈在静密封场合，显示了凸起的作用。
然而，在动态的恰当场所中，o型圈也常被应用，但它受到密封处的速度和压力的限度。
密封圈的特性：
1.具有极好的密封性能，防水不漏。
2.保鲜效果好，完全无毒无味。
3.可置高强温下加热，不变形，不产生有害物质。
4.良好的抗拉力性能，经过专门检验测试。
5.长期使用不变黄不褪色。
6.耐电晕性，耐电弧性、耐高低温、耐老化性能好、耐高温性能、符合FDA及SGS标准。
O形密封圈的有限元分析
□姚春峰“ □李萌"2
□
1. 中通客车控股股份有限公司
2. 山东通盛制冷设备有限公司
高立超''2 □洪杰胜门 山东聊城 252000 山东聊城252000
摘 要：应用ANSYS Workbench软件建立0形密封圈二维轴对称有限元模型，分析不同边界条件
下0形密封圈所受的等效应力、接触应力、剪切应力，得到0形密封圈发生偶发破损的主要原因。与此
同时，拟合出压缩率与轴孔间隙，以及压缩率与接触应力之间的关系，得到等效应力、接触应力、剪切应
力间的变化关系，并提出优化设计建议。
关键词：密封圈 有限元 分析
中图分类号:TH136；TB42
文献标志码:A
文章编号:1000 - 4998(2019)05-0065-04
Abstract: The 2D axisymmetric finite element model of O-ring was established by ANSYS Workbench
一般将邵氏硬度(HA)不小于80的密封圈称为硬 质密封圈，橡胶材料硬度与弹性模量的试验拟合公式 为：
F— 15.75+2.15Hha _ 100-Hha
(( )
式中：E为O形密封圈弹性模量；Hha为O形密封圈邵 氏硬度(HA)O
对于体积不变的橡胶材料，弹性模量、剪切模量、 材料不可压缩常数及两个材料定常数之间有如下关系 式〔7-9]：
根据密封原理进行了简化，具体原则及思路如下。
MPa。O形密封圈最大接触应力在0形密封圈与O形
模拟O形密封圈与0形密封圈接头之间的过盈 密封圈接头接合面处，数值为1.425 8 MPao最大剪切
O形密封圈的主要失效原因及其防治措施
O形密封圈的主要失效原因及其防治措施1.年龄失效：随着时间的推移，O形密封圈会因为老化而失去弹性。
这可能导致密封效果下降，甚至失去密封功能。
防治措施包括定期更换密封圈，避免使用过旧的密封圈。
2.机械磨损：O形密封圈可能会因为磨损而失效。
当密封圈与活塞、轴或密封座接触时，由于不正确的安装或操作不当，可能会出现摩擦和磨损现象。
为了防治这种失效，应确保正确安装密封圈，并避免不必要的摩擦。
3.化学腐蚀：一些化学物质（如溶剂、酸、碱等）可能会损坏O形密封圈的材料，导致密封圈的性能下降或失效。
防治措施包括在接触这些化学物质的环境中选择耐腐蚀的密封圈材料。
4.温度影响：O形密封圈在高温或低温环境中可能会失效。
高温可能会导致密封圈的硬化、老化和膨胀，而低温则可能导致密封圈变得过于硬性。
选择适用于特定温度范围的密封圈材料，并确保密封圈能够在所需温度范围内正常工作，是防治这种失效的有效措施。
5.压力过高或过低：当O形密封圈承受超过其设计压力的压力时，会发生压缩变形或破裂，导致密封圈失效。
相反，过低的压力可能导致密封圈无法完全密封。
防治措施包括根据应用要求选择合适的密封圈材料和设计。
6.安装错误：错误的安装可能导致O形密封圈受到过度压缩、拉伸或损坏，从而导致失效。
正确安装密封圈的方法包括确保密封圈与密封座或活塞的接触面干净、光滑，正确选择安装工具，避免过度拉伸或压缩密封圈。
除了以上所述的失效原因外，还有其他因素可能导致O形密封圈失效，如振动、侧向力、湿气等。
因此，在设计和使用O形密封圈时，需要综合考虑各种因素，并采取相应的措施进行防治。
总结起来，为了防治O形密封圈的失效，需要从材料选择、正确安装、适当维护等方面入手。
定期检查和更换老化的密封圈，选择合适的材料以适应不同的工作环境，确保正确的安装和操作方法，可以有效地延长O形密封圈的使用寿命并保持其良好的密封性能。
橡胶O形密封圈的变形及应力分析
1994年10月收到;1994年12月收到修改稿。
33西安市169信箱101室 710000第10卷 第3期航空动力学报 V o l 110N o 131995年7月Journa l of Aerospace Power Ju ly 1995橡胶O 形密封圈的变形及应力分析航天工业总公司四十一所 任全彬 陈汝训 杨卫国【摘要】 建立了橡胶O 形密封圈多边界有摩擦接触问题的接触模型,同时还根据多维应力蠕变理论的基本原理建立了橡胶类材料的应力松驰模型。
在此基础上,采用已有文献给出的大应变问题有限元法,计算了橡胶O 形密封圈在工作状态下的变形及应力分布规律,从而为可靠地设计橡胶O 形密封圈提供了理论依据。
主题词: 橡胶O 形密封圈 大应变问题 接触问题 应力松驰 分类号: V 255.3 O 343.3目前,国内外橡胶O 形密封圈(简称O 形圈)的设计基本上是依赖一些经验数据和定性原则[1],O 形圈在密封槽内的变形及密封界面上的接触压应力的分布是影响O 形圈密封性能的重要参数,但要得到精确的解是非常困难的。
本文在一定的假设条件下,用有限元法[2]计算了在固体火箭发动机贮存和工作状态下的O 形圈在密封槽内的变形及应力,得到的计算结果和实验结果符合较好,为可靠地设计橡胶O 形密封圈提供了一定的理论依据。
1 计算模型111 基本假设(1)O 形圈材料具有确定的弹性模量E 和泊松比Τ。
(2)取Τ为接近015的常数;(3)钢构件组成的密封槽槽壁看作O 形圈变形时的约束边界,O 形圈受到的压缩看作由某个约束边界的指定位移引起;(4)接触点接触状态有粘式接触和滑移接触;接触边界上存在静摩擦力和滑动摩擦力;(5)O 形圈材料拉抻与压缩的蠕变性质相同;(6)蠕变不引起体积变化。
112 有限元基本方程为反映大应变及摩擦力对O 形圈变形的影响,并由基本假设(1)、(2),可以采用大变形弹图1 O 形圈的接触模型性速率型本构方程[3]。
基于有限元的O形橡胶圈密封性能分析
圈） 过程为分 析实例 ， 采用 ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 建立密封截 面的工作模形 ， 其 中 ０形圈采用超弹性体 单元 ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ５ ６模 拟 ， 密 封 舱 体 端 面采 用 刚 性 单 元
模 拟 。通 过 改 变 密 封 截 面 的参 数 和 介 质 压 力 。 计 算 出了 不 同参 数 下 的仿 真 结 果 。最 后 分 析 仿 真 结 果 总 结 了 几 个 密 封影 响 因 素对 密封 性
０ 引 言
随着现代科 技的发展 ． Ｏ形 橡 胶 圈 密 封 作 为 一 种
高 压 密封 领 域 有 着 广泛 使 用 。
收 稿 目期 ： ２ ０ １ ３ — １ １ － ０ ４ 作者 简介 ： 秦亚军 （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 甘肃庆 阳人 ， 工程师 ， 硕士 ， 研 究 方 向 为 海 洋设 备。
Ｈｖ ｄｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ Ｐｎｅ ｕ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ＆ Ｓｅ ｌｓ ａ ／ Ｎｏ ． ０８． ２０１ ４
ｄ ｏ ｉ ： ｌ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ － ０ ８ １ ３ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ８ ． ０ １ １
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ，ｉ ｔ ｂ ｉｅ ｒ ｆ ｉ ｌ ｌ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ｏ ｍｅ ｏ ｆ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｅ ａ ｌ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｏ － ｉｎ ｒ ｇ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ｉ ｔ ｕ ｓ ｅ ｄ ａ ｏ － ｉｎ ｒ ｇ ｏ ｆ ａ ｃ ａ ｂ ｉ ｎ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ
Ｓ ｅ ａ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｐｅ ｆｏ ｒ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ０ — — ｒ ｉ ｎ ｇ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ ｉ ｎｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ
O形密封圈的密封原理及各种特性
O形密封圈简称O形圈，是一种截面为圆形的橡胶圈。
O形密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。
O形圈有良好的密封性，既可用于静密封，也可用于往复运动密封中；不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。
它的适用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种运动条件的要求，工作压力可从1.333×105Pa的真空到400MPa高压；温度范围可从-60℃到200℃。
与其它密封型式相比，O形密封圈具有以下特点：1）结构尺寸小，装拆方便。
2）静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏。
3）使用单件O形密封圈，有双向密封作用。
4）动摩擦阻力较小。
5）价格低廉。
O形密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。
在用于静密封和动密封时，密封接触面接触压力产生原因和计算方法不尽相同，需分别说明。
1、用于静密封时的密封原理在静密封中以O形圈应用最为广泛。
如果设计、使用正确，O形密封圈在静密封中可以实现无泄漏的绝对密封。
O 形密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。
对接触面产生一定的初始接触压力Po。
即使没有介质压力或者压力很小，O形密封圈靠自身的弹性力作用而也能实现密封；当容腔内充入有压力的介质后，在介质压力的作用下，O形密封圈发生位移，移向低压侧，同时其弹性变形进一步加大，填充和封闭间隙δ。
此时，坐用于密封副偶合面的接触压力上升为Pm：Pm=Po+Pp式中Pp——经O形圈传给接触面的接触压力（0.1MPa）Pp=K·PK——压力传递系数，对于橡胶制O形密封圈K=1；P——被密封液体的压力（0.1MPa）。
从而大大增加了密封效果。
由于一般K≥1，所以Pm＞P。
由此可见，只要O形密封圈存在初始压力，就能实现无泄漏的绝对密封。
这种靠介质本身压力来改变O形密封圈接触状态，使之实现密封的性质，称为自封作用。
O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟
ｔ ｅ ｓｒ ｃｕ ａ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｓ ｌｃｉｎ ｏ ｒｎ ｅ ｓｕ ｅ ｒｓ ｂ ｅ ｒｄ ｃｉｎ ｅ ｕｐ ｎ ． ｈ ｔｕ ｔ ｒｌｄ ｓｇ ｎ ｅｅ ｔ ｆＯ－ ｇ ｓ ａ ｓ ｄ ｆ ｕ ｓ ａｐ ｏ ｕ ｔｏ ｑ ｉｍｅ ｔ ｏ ｉ ｌ ｏ
中 图分 类 号 ：Ｔ ４ 文献 标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：０ ５ ０ ５ （０ １ Ｂ２ ２４— １０ ２ １ ）９— ８ ５ ． ０ ６—
Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕｌｔｏ ｆｔ ｅ Ｓ ａｉ ｇ ｎ ｔ ｅ ｎｔＮｕ ｒｃ ｌＳ ｍ ａ ｉ ｎ ｏ ｈ ｅ ｌｎ Ｐｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｆ０ －ｉ ｅ ｌ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ｏ ｒｎｇ Ｓ ａｓ
Ｖ ｎＭｉ ｓ 力 、最 大 接触 压 力及 最 大 接触 压 与油 压 压 差 的影 响 。结 果 表 明 ：Ｏ形 密封 圈 最 大 Ｖ ｎＭ ｓｓ 力 、密 封 面最 ｏ ｓ 应 ｅ ｏ ｉ 应 ｅ 大 接 触压 力 随压 缩 率 和油 压 的增 加 而 增加 ，且 Ｏ形 密 封 圈在 中低 高压 下 的 密封 能力 高 于 超 高 下 的 密 封 能 力 ，为 海底 采 油 设 备 用 Ｏ形 密 封 圈 的结 构设 计及 选 型 提 供相 关 参考 。 关 键词 ：Ｏ形 密 封 圈 ；Ｙ ｎＭｉ ｓ 力 ；接 触 压 力 ；非 线性 有 限元 分 析 ｏ ｓ 应 ｅ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｒｎ ｅ ｓ Ｖｏ ｓ ｓｓｒ ｓｅ ； ｏ ｔｃ ｔｅ ｓ ｓ ｎ ｎ ｌｎ ａ ｎ ｔ ｌｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｙ ｒ ｓ ０－ ｇ ｓａ ； ｎ Ｍｉｅ ｔｅ ｓ ｓ ， ｎ ａ ｔｓｒ ｓ ｅ ； ｏ －ｉｅ ｒｆ ｉｅｅｅ ｎ ｎ ｌｓｓ ｉ ｌ ｃ ｉ
机械制造中O形密封圈的密封原理及其失效类型分析
机械化工科技风2019年1月DO I ：10.19392/j . cnki . 1671-7341.201901112机械制造中〇形密封圈的密封原理及其失效类型分析刘贵彬1解小琴21.四川电子机械职业技术学院四川绵阳621000;2.巴中职业技术学院汽车工程系四川巴中636000摘要:机械密封是在补偿机构的磁力（或弹力）和流体压力的作用下，根据垂直于轴作相对滑动的端面并配合辅助密封从而 达到阻止泄漏的机械装置，又称作端面密封或轴向端面密封。
本文分析了机械密封原理的基础上，给出了 0形密封圈基本理论, 重点给出了 0形的压缩率，以及0形密封圈的失效类型分析。
为0形密封圈的设计分析提供了一定的基础。
关键词：〇形密封圈；密封原理；失效类型一、机械密封原理及其失效类型因为机械密封通常工作环境比较恶劣，会遇到各种各样的问题，所以在仿真分析中可能会遗漏某些因数素。
综合考虑，可做一些假设：(1) 密封副结构均为轴对称结构，而所承受的载荷也具备 该特性；(2) 密封副正常工作时，设摩擦系数固定值，材料磨损也可 忽略.^3)密封副所使用材料的物理特性与温度和力没有太大的 关系；^4)材料之间的热传导可被忽略；(5)假设传热均是由密封表面之间的摩擦产生的，并且在 密封端面上的热流密度的分布是均衡的。
机械密封主要包含静环、动环、密封元件和紧固元件等构成。
轴的转动带着动环一起旋转，静环和动环的结合面形成密封接触，以阻止介质的泄漏。
动环根据封闭空间内介质的压力 将其与静环端面接触并紧固，两者接触面形成一层非常薄的液 体膜并存在一定的压力比，最终达到密封的效果。
机械密封是 与机械设备的其它零部件共同配合工作的，机械密封的运行情 况和现场状况、本身的特征有直接的联系。
〇形密封圈的失效类型：(1) 永久形变因为〇形密封圈通常使用的材料具有粘 弹性,其回弹堵塞能力和初始值使用的时间较长，并造成永久 变形，逐步消失，最后造成渗漏现象。
橡胶O形圈密封性能的有限元分析
表 ３ 不 同介 质压 力下 的接触长 度对 比
Ｔ ｂ ｅ ３ Ｃｏ ａ ｓ ｎ ｏ ｅ ｃ ｎ ａ ｔ ａ ｌ ｍｐ ｒ ｏ ｆｔ ｏ ｔｃ ｉ ｈ
时 ，有限元计算值 与 Ｋ ｒｓ ｉ ｉ 模型求得 的接触应 ａ ｚｅｃ ａ ｋｗ ｚ 力分布 ，可 以看 出 ，有 限元结果 与 Ｋ ｒｓ ｉ ｉ 接触 ａａｚ ｅ ｃ ｋｗ ｚ 应力分布曲线的吻合度很 高 ，分布规律基本一致 ，两 者都呈抛物线分布 ，接触应力在接触长度 的中点处达
到最大值 ，然后应力从峰值点 向两侧逐 渐减小 。
２１ ０ ２年第 ６期
关文锦等 ：橡胶 ０形 圈密封性能 的有 限元分析
ｂ ＝（ ６＋ ．３ ｄ＋［ ．９ １—８ ２ ０ １） ０３ （ ）
一
０． ２ ＋ ５（ ｓ
３ ［—ｐ ） ）ｔ （ 】 ］ 一 ｄ
压力 。
（） ６
式 中：ｂ为介 质 压 力 存 在 时 的接 触 长 度 ；Ｐ为 介 质
ｕ ｒ ｓｒｉ ｄ ｅａ ｔｍｅｉ ｒｎ ｅ ｌａ ｄ ａ ｃ ｍｐ ｒｓ ｎ ｏ ｏ ｎ ｅｔａｎｅ ｌｓｏ ｒｃ ０一 ｇ ｓａ ｎ ｏ ａ ｏ ｆｅ ｍ— ｉ ｉ
ｐ ｔ ｒ ｉ ｉ ｓ ｉ ｘ ｅ ｍ ｎａ ｒ ｕ ｓ Ｊ ． ｒ ｔ １８ ， ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｔ ｅｐ ｒ ｅｔ ｅ ｌ ［ ］ Ｔ ｂ Ｉ ，９ ７ ｅ ｐ ｄ ｔｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｓｔ ｉ ｎ
２ （ ） ２ ７— ４ ． Ｏ ５ ：３ ２ ７
【 】Ｋ ｒ ｚｉ ｉ ．ｏｔ ｔ ｉｈａｄｃｎ ｃｐｅｓｒ ｏ 一 ａ ５ ａａ ｋ ｗｃ Ａ Ｃ ｎ ｃ ｗｄ ｎ ｏｔ ｔ ｒ ｕｅ ｆ ｓ ｌ ｓ ｅ ｚ ａ ｔ ａ ｓ ０ ｅ ｓ
气动平衡器O形密封圈密封性能分析与试验
机廉可拿性Reliability of Machine Tool2021年第2期气动平衡器O形密封圈密封性能分析与试验邵瑞影①王洪军②宋娟①葛伟伟①(①青岛黄海学院智能制造学院，山东青岛266427；②青岛万宝压缩机有限公司，山东青岛266427)摘要:针对气动平衡器中O形密封圈的密封问题，利用ANSYS软件建立有限元分析模型,得出不同预压缩率和工作压力下应力的变化规律。
研究结果表明，随着预压缩率和工作介质压力的增大,密封圈所受到的最大接触应力和von Mises应力随之增大，预压缩率取20%时,von Mises应力受到工作压力的影响较小，密封效果较好。
搭建气动平衡器密封圈密封性能测试试验平台，通过测量重物最终稳定时下降的距离计算出装置的泄漏量，通过泄漏量检验密封效果，根据试验结果，证明选用的O 形密封圈具有良好的密封性能,可以满足现场工作的需要。
关键词:气动平衡器;O形密封圈;密封性能;试验；ANSYS中图分类号:TH138文献标识码:BDOI：10.19287/ki.1005-2402.2021.02.002Analysis and test of sealing performance of pneumatic balancer O-ring sealSHAO Ruiying①，WANG Hongjun②，SONG Juan®,GE Weiwei®((DSchool of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao Huanghai University,Qingdao266427,CHN；②Qingdao Wanbao Compressor Co.,Ltd.,Qingdao266427,CHN)Abstract:Aiming at the sealing problem of O-ring in pneumatic balancer,the finite element analysis model was established by using ANSYS software,and the change law of stress under different precompression rate andworking pressure was obtained.The results show that the maximum contact stress and von Mises stress ofthe sealing ring increase with the increase of the precompression rate and the working medium pressure.The sealing performance test platform of pneumatic balancer sealing ring was built.The leakage amount ofthe device was calculated by measuring the falling distance of the weight when it was finally stabilized.The sealing effect was checked by the leakage amount.Keywords:pneumatic balancer；O-ring seal close；sealing performance；test；ANSYS随着社会科技的进步,气动装置发展迅速,逐渐占据了吊装领域E。
矩形密封圈应力和接触压力的影响因素
矩形密封圈应力和接触压力的影响因素钱文强;蒋国璋;谢良喜;李公法【摘要】为了将矩形橡胶密封圈应用于叶片式液压摆动油缸的旋转密封,利用大型有限元软件ABAQUS,求解矩形密封圈在配合挡圈使用前后,不同介质压力和预压缩量下应力与接触面压力分布情况;探讨相应的接触压力与介质压力、预压缩量的关系;并利用MATLAB绘制了分析结果曲线图.结果表明:矩形密封圈的最大范·米塞斯应力随预压缩量和介质压力的增长呈线性增长,随密封间隙的增加呈指数增长;矩形密封圈配合挡圈使用既能保证密封能力,又可以明显优化其内部的应力分布情况,防止密封挤出,延长密封圈的使用寿命.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P32-35)【关键词】矩形密封圈;接触压力;有限元;密封【作者】钱文强;蒋国璋;谢良喜;李公法【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081;武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室,湖北武汉430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081【正文语种】中文【中图分类】TH137引言叶片式液压摆动油缸的旋转密封与叶片密封耦合处，通常采用O形截面橡胶密封圈[1]，其耦合面容易产生空隙，难以达到预期的密封效果。
矩形橡胶密封圈以其结构简单、互换性好等特点可用来替代O形密封圈，取得较好的密封效果。
近来，国内外学者对橡胶密封圈的密封机理及性能做了许多研究。
谭晶等分析比较了O形密封圈和矩形密封圈的密封性能及影响因素[2-4]。
周志鸿研究了预压缩率和油压对O形圈变形与受力的影响，得到预压缩率和油压对Von-Mises(以下简称范·米塞斯)应力分布及接触压力影响规律[5]，杨春明分析了O形截面密封圈密封间隙、油压对范·米塞斯应力和密封面最大接触压力的影响，以及它们之间的相互关系[6]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在压缩位移相同的情况下，O 形圈内径越大，应变值越小，
反之应变值越大。再加上橡胶材料弹性模量较小易变形，这就使
内径较小的 O 形圈受到径向压缩时产生的变形主要集中于 O 形
圈外侧，而随着旋转轴直径的增大，相应的形变就会往内圈扩散
而在内外径处变得对称。
4.5
Von Mises 接触压力
4
3.5
最大应力值（MPa）
陈少华，（1989-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向：密封设计、密封性能的研究
第6期
蒋国璋等：O 形旋转密封圈的密封性能有限元分析
179
2.2 基本假设
橡胶材料为近似不可压缩的超弹性体，具有几何非线性、材
料非线性和接触非线性。针对研究对象做出以下假设[5]：（1）O 形
圈蠕变不引起体积变化；（2）O 形圈材料的拉伸与压缩蠕变性质
接触压力过大也不利于安装。因此，选择合理的旋转轴直径可以减 小 Von Mises 应力，有利于避免 O 形圈应力松弛、刚度降低造成的 密封失效。在介质压力 10MPa 下，旋转轴直径与应力的关系曲线， 如图 5（b）所示。从图 5（b）中可以看出，在其他条件不变的情况下， 旋转轴直径对 Von Mises 应力和接触压力的影响与前述一致。因 此，在满足使用要求的条件下，尽量选择较大的旋转轴直径。
Abstract：ABAQUS was utilized to establish the two-dimensional axisymmetric finite element of O-ring seal used for swinging hydraulic cylinder. Some factors influencing Von Mises and maximum contact stress of sealing face were taken into account， such as rotating shaft diameter，O-ring section diameter and the initial compression ratio of O-ring seal inner circumference. The results indicate that when medium pressure is zero，the two former factors influence Von Mises and maximum contact pressure of sealing face greatly；O-ring inner diameter has a remarkable influence on the Von Mises stress. Under medium pressure，the two former factors have a little influence to Von Mises and maximum contact pressure，and the third one is just to avoid Gough-Joule effect. Analysis result validates long-used empirical design. Key Words：Rotating Sealing；O-Ring Rubber Seal；Von Mises；Contact Stress
因此，准确掌握了 O 形橡胶密封圈在旋转密封下的密封性能是十
分必要的。通过大型通用有限元分析软件 ABAQUS 针对液压缸沟 槽中单侧受到位移限制的橡胶 O 形圈，采用能反应橡胶 O 形圈几 何非线性和材料非线性的 Mooney-Rivlin 非线性应变能量密度本 构模型，对其力学行为进行数值模拟，研究不同截面直径橡胶 O 形
盈安装；（2）对 O 形圈未与缸体接触的一侧施加均布压力，模拟O 形
圈受到的介质压力 P。模型中定义了 2 个接触对即轴与橡胶 O 形圈
的接触以及 O 形圈与缸体的接触。为了使计算收敛，它们之间采用
库伦摩擦，摩擦因素取 0.2。
图 2 平面轴对称有限元模型 Fig.2 Plane Axisymmetric Finite Element Model.
1 引言
2 有限元分析模型
O 形橡胶密封圈由于结构简单、密封可靠、成本低廉以及设 计结构紧凑和容易安装等特点广泛应用于工程机械设备中[1]。国内 外对 O 形圈展开了很多研究，也给出了 O 形圈的使用和设计规范 标准，为设计带来了一定的方便。近年来一些学者对橡胶 O 形圈的 有限元也做了一些研究，一些研究人员通过有限元方法探讨了影响 橡胶 O 形圈密封性能的主要因素，并对主要影响因素做了具体的 分析[2-4]。然而在现有的文献中，研究者大多只分析 O 形橡胶密封圈
d 旋转轴
W O 形密封圈
缸体
圈在不同旋转轴直径、O 型圈内径大于旋转轴直径下对 O 形圈变
形、Von Mises 应力和密封面最大接触压力的影响，得出其与密封
性能的关系，为旋转密封中轴用橡胶 O 形圈的密封结构设计和 橡胶 O 形圈选择与安装提供了参考。
图 1 O 形圈计算模型 Fig.1 Plane O-Ring Calculation Model
Seal Changing with d（P=0MPa）
不同旋转轴直径下的 Von Mises 应力分布，如图 4 所示。从
图 4 中可以看出，在其他条件不变的条件下，随着旋转轴直径的
增大，左侧应力集中区域逐渐变大，并向中间扩展。这是因为，压
缩位移引起的应变值为：ε=δ/d
（2）
式中：ε—应变值，压缩位移；d—旋转轴直径。
最大应力值（MPa）
2
0
10 20 30 40 50 60 70
旋转轴直径 d（cm）
（a）介质压力 P=0MPa
14
13
12
11
10
Von Mises
9
接触压力
8
7
6
5 0 10 20 30 40 50 60 70
旋转轴直径 d（cm）
（b）介质压力 P=10MPa
图 5 介质压力下旋转轴直径与应力的曲线关系
3.2 不同截面直径对 Von Mises 应力分布及接触压力 的影响
O 形圈截面直径已经列入国家标准，但实际工作中，有时同 一情况下可以选择几种截面直径，如果不合理的选择 O 形圈截 面直径，容易引起安装困难和密封圈的失效。不同截面直径下 O 形圈的 Von Mises 应力分布情况，如图 6 所示。由图 6 可以看出 在其他条件不变的情况下，随着 O 形圈截面直径的增大，左侧应 力集中区域逐渐变小。这是因为右侧主要受周向压缩，而左侧周 向压缩影响比较小。结合图 4，实际中可以通过增大旋转轴直径 来改变这种单侧应力集中。因此，截面直径小的 O 形圈更适用于 旋转轴直径较小的情况。
3
2.5
图 3 扩展后的 1/2 立体模型 Fig.3 Half of 3-Dimensional Model
3 计算结果及分析
Von Mises 应力反应了截面上各主应力差值的大小，一般来 讲，Von Mises 应力越大，将越加速橡胶材料的松弛，从而造成刚 度下降，材料越容易出现裂纹，导致密封失效。接触压力的大小反 应了 O 形圈的密封能力，O 形圈保证密封必须满足密封面最大接 触压力不小于工作介质压力。通过利用有限元方法主要研究不同 结构参数对密封结构中密封件变形、Von Mises 和密封面最大接 触压力的影响。
来稿日期：2013-12-12 基金项目：国家自然科学基金项目（51375352）；湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目（D20121105）；武汉市科技局攻关项目（D201110821247） 作者简介：蒋国璋，（1965-），男，湖北武汉人，教授，博士生导师，主要研究方向：汽车与机械 CAD/CAM 的研究；
3.1 旋转轴直径对应力分布及接触压力值的影响
O 形圈在安装时存在一定的过盈量，会产生径向压缩。
（a）d=d=20mm
（d）d=30mm
图 4 旋转轴直径下的 Von Mises 应力分布（P=0MPa）
Fig.4 Strain and Stress Distribution of O-Ring
Fig.5 The Relation Curves Among Von Mises，
Maximum Contact Pressure and Shaft Diameter
No.6
180
机械设计与制造
Ｊｕｎｅ．２０１４
不同旋转轴直径与应力的关系曲线，如图 5（a）所示。从图 5 面接触压力增大，导致摩擦力增大，如此反复，大大加剧橡胶老化
Finite Element Analysis of the Sealing Performance of O-Ring Seal in Rotary Sealing
JIANG Guo-zhang，CHEN Shao-hua，XIE Liang-xi，LI Gong-fa
（College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China）
相同；（3）O 形圈受到的横向压缩视为由约束边界的指定位移引
起的；（4）由于钢的刚度远远大于橡胶的刚度，将其简化为刚体。
2.3 有限元模型
在 ABAQUS 中建立转轴、橡胶 O 形密封圈和缸体二维轴对
称模型。转轴和凹槽材料为钢，钢的密度、泊松比、密度分别为
2.1×105MPa、0.3、7.8×103kg/m3，橡胶的密度 1.5×103kg/m3。橡胶本
（a）中可以看出，在其他条件不变的条件下，随着旋转轴直径的增 龟裂和磨损，极易导致密封失效，这一现象称为焦耳效应[6]。O 型