矩形橡胶密封圈的有限元分析及优化

对 矩 形 密 封 圈 与槽 壁 接 触 一 侧 倒 角 后 ， 可 以 有 效 提 高密 封性 能 。
关键词 ： 橡胶 ； 矩 形 密封 圈 ； 应力 ； 密封 ； 有 限 元 分析 中图分类号 ： Ｔ Ｑ３ ３ ６ ． ４ ２ ； Ｏ２ ４ １ ． ８ ２ 文 献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ０ — ８ ９ ０ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ０ ９ ８ — ０ ６
在有 限元 分 析 软件 Ａｂ ａ ｑ ｕ ｓ中建 立 矩形 密封 圈、 轴筒 和 凹槽 的 二维 轴 对 称有 限元 模 型 。轴筒 和 凹槽 的材料 为 钢 ， 弹性 模 量 为 ２ ． １ ×１ ０ ＭＰ ａ ， 泊 松 比为 ０ ． ３ ， 密度 为 ７ ． ８ Ｍｇ・ ｍ 。橡 胶 的 密
图 １ 矩 形 密 封 圈 断 面
本研究 选 用 Ｍｏ ｏ ｅ ｙ — Ｒ ｅ ｖ ｌ ｉ ｎ模 型 描 述 橡 胶 超 弹性 材 料 在 大 变 形 下 的力 学 特 性 。其 函数 表 达
式为 ］ ：
Ｗ — Ｃ１ （ １ — ３ ） ＋ Ｃ２ （ Ｉ ２— ３ ） （ １ ）
式中， ｗ 为应变 能密度 ； Ｃ 和 Ｃ 为 Ｍ ｏ ｏ ｎ ｅ ｙ — Ｒｉ ｖ —
ｌ ｉ ｎ模型材 料 系数 ； 和Ｉ 为 第一 、 第 二应 变 张量
不变 量 。
应力 （ ） 与应变 （ ￡ ） 的关 系 为
口一 ａ Ｖ ／ ａ ｅ （ ２ ）
１ ． ２ 有 限元前 处理
１ 有 限元模型 建立 １ ． １ 密 封圈材 料 本研究 选 取 Ｄ Ｋ 系列 矩形 密封 圈 ， 内径为 ４ ５
基金项目： 国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ ５ １ ０ ０ ４ ０ ８ ３ ） ； 中 国 博
士 后科 学 基金 资 助 项 目 （ ２ ０ １ ０ ０ ４ ８ １ ３ ８ ４ ） 作者简介： 韩传 军（ １ ９ ７ ９ 一） ， 男， 河南 虞城人 ， 西 南 石 油 大 学
副教授 ， 博士， 主要 从 事 石 油 矿 场 机 械 现 代 设 计 及 仿 真 方 面 的 教
学 和 研 究 工作 。
１ Ｏ Ｏ
橡
胶
工
业
２ ０ １ ３年 第 ６ Ｏ卷
●一无介质压力 ； ■一介质压力 １ ０ Ｍ Ｐａ 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ ａ ） 无介 质 压 力
图 ４ 不 同压 缩 率 下 的 最 大 接 触 应 力
中在 Ｏ形 密封 圈方 面 ， 而对 矩 形 密封 圈 的密封 性
ｍｍ， 截 面宽度 为 ５ ． １ ６ ｍｍ， 如图 １ 所 示 。材 料采
用 丁腈 橡 胶 （ ＮＢ Ｒ） 。橡 胶 密 封 结 构 具 有 高度 非
线性， 即几何 非 线性 、 材 料 非线 性 和接 触 非 线性 。 本 研究 作如 下 几点 假 设［ ７ ］ ： ① 材料 具 有 确 定 的 弹
性模 量 和泊松 比 ； ② 材 料 的拉 伸 与 压 缩蠕 变 性 质
相同； ③密封 圈受 到 的 纵 向压 缩 视 为 由 约束 边 界 的指定 位移 引起 的 ； ④蠕 变不 引起体 积变 化 。
能研 究较 少 。侯 友 夫［ ３ ］ 应用 润 滑 方 程 、 弹性 平 衡 方程 和缝 隙流 理论 分析 了往 复矩形 密封 圈 的密封 性能； 谭 晶等 利 用 ＡＮＳ ＹＳ软 件 分 析 了初 始 压 缩 率和 液体压 力对 矩形 圈变形 和 密封 面处接 触压
筒 运 动 速 度对 密 封 圈 的变 形 、 接 触 应 力 和 等 效 应 力 的影 响 ， 并 对 密 封 圈 的 结 构 进 行 优 化 设 计 。通 过 分 析 发 现 ： 初 始 压 缩率越大 ， 密 封 圈 的 密封 效 果 越 好 ； 材 料 特 性 和 摩擦 因 数是 影 响密 封 性 能 的 重 要 因 素 ； 矩 形 密 封 圈 不 宜 用 于 动 密封 中 ；
Ｉ
Ｉ
力 的影 响 ， 并 与 Ｏ 形 圈进 行 了对 比 ； 马 少 杰 等
研 究 了液压 盘式 制 动器 活 塞 的密 封机 理 ， 得 到一
些 计算 公式 ； 周 到 等 利用 ＡＮＳ ＹＳ软 件 分 析 摩
擦 因数 和橡胶 弹性 模量 对矩 形密 封 圈的影 响 。本 研 究分 析在静 密 封 中初 始压 缩率 、 介质 工作 压力 、 橡 胶材 料硬 度 、 摩 擦 因数 和 动 密封 中轴 筒 运 动速 度 对 密封 圈的变 形 、 接 触应 力和 等效应 力 的影 响 ， 并对 矩形密 封 圈 的结 构进 行 优 化 ， 以期 为 橡 胶密 封圈 的优化 与密 封结 构设计 提供 理论 基础 。
矩形橡 胶 密封 圈 由于结构 简单 等特 点在一 些 领域 中取 代 Ｏ 形 密 封 圈 得 到 广 泛应 用 ＿ １ ］ 。它 是 应用 最早 且最 广 泛 的光 杆 密 封 材料 ， 约 占井 Ｉ ＝ １ 密 封 圈总用 量 的 ９ ８ 以上 ， 在采 油生 产 中发挥 了举 足轻 重 的作用口 ］ 。近 年来对 密 封圈 的研 究 主要 集
上接触 面靠 近轴 筒 与 凹槽 的 间 隙处 ， 说 明 此处 的
密 封橡 胶体最 容 易被剪 断 ， 发 生断 裂失效 ， 最 大接
触 应力 随压缩 率增 大而 小 幅增 大 。接触 压 力均大
橡
胶
工
业
２ ０ １ ３年第 ６ Ｏ卷
矩 形 橡 胶 密 封 圈的 有 限元分 析 及优 化
韩传 军 ， 张 杰
（ 西 南 石 油 大 学 机 电工 程 学 院 ， 四 川 成 都 ６ １ ０ ５ ０ ０ ）
摘要 ： 采 用 有 限元 分 析 软 件 Ａｂ ａ ｑ ｕ ｓ 分 析 矩形 橡 胶 密 封 圈初 始 压 缩 率 、 介质压力 、 橡胶材料硬度 、 摩 擦 因 数 以 及 轴