O型密封圈的动密封性及失效分析

余浪 常佩琛 谢禹钧

摘 要：考虑到活塞摩擦系数为0.3的液压气体分配系统，采用ABAQUS运行软件对O型密封圈分析模型的进行分析，以4m/s的运动速度和6MPa的介质压力作为O型密封圈分析模型的运行参数，将从两个方面液压配气系统对O型密封圈动态密度特性的影响进行研究。结果显示：O型圈密封面接触压力受介质压力和预压缩率影响较大且呈正比。当O型密封圈密封性的预压缩率小于10%时，密封性满足要求。O型密封圈密封性能失效的主要原因是不合理的初始接触压力。因此，为保证O型圈良好的密封性能，选择合适的预压缩率和初始接触压力是考虑的第一因素。

关键词：O型密封圈;动密封;接触压力;预压缩率;有限元;失效原因

0 引言

O型密封圈是由一个或多个零件配合组成的，因其许多优点而广泛使用于液压和气动系统中[1]。在高速加工过程中，O型密封圈的工作非常复杂，密封圈的接触压力因此受到深刻的影响，使其运动状态变得更加复杂。因此，检查O型形密封圈的性能尤为关键。

高速高压动态密度系统通常以极高的速度和压力运行。油缸活塞速度为4m/s，油压高达6MPa[2]。

本文运用ABAQUS软件探讨了介质压力和预压缩率对O型圈的动态密度特性的影响，使其更好地應用在液压配气系统中。

1 密封原理

图1为接触密封密封圈示意图。从图1可以看出，O型圈装入密封槽后，会受到初始挤压力或压缩力，从而提供初始密封压力PO，这与密封圈、槽深和径向间隙有关。当密封腔充满液体时，由于存在液体压力P，O型圈往槽的一侧移动，使密封间隙S为零，从而实现无泄漏密封。此时密封接触面的压力Pm按式（1）计算。

Pm=P0+KP（1）

式中，Po为O型圈初始密封压力，MPa;P为液体压力，MPa;K为压力传递系数，橡胶件取1。

2 密封结构的有限元模型

2.1 橡胶材料参数的定义

橡胶材料参数的定义

由上可以看出，邵氏硬度试验可以对橡胶O型圈试样的硬度Ha进行精确的测量，测量结果可以得到非常准确的弹性模量，在ABAQUS软件中，橡胶O型圈材料的定义可以由此实现。

2.2 有限元模型

轴对称是O型密封圈的主要特性，如密封的受力和结构性，因此，ABAQUS软件中的有限元分析功能可以在在二维模式下对O型密封圈、油缸、活塞的轴对称模型进行定向分析，O型密封圈规格为10mm×1.8mm，使用材料是丁腈橡胶密封圈（NBR），试样硬度为邵氏硬度90。

2.3 接触边界条件

在O型密封圈动密封模拟仿真中，O型密封圈与油缸内壁和活塞凹槽的表面均存在接触问题[3]，在分析时设置成2对接触对，摩擦因数标准为0.3。

3 计算结果以及分析

3.1 介质压力对接触压力的影响

推程路径中，活塞和油缸之间存在一个摩擦力，流体介质与密封圈之间的存在一个作用力，二力方向均为向右。在二力共同影响下，密封圈的左侧面产生的变形。密封圈变形的程度会随也介质压力的增加而严重，从而导致密封圈进入活塞与油缸之间且介质压力越大堆积的数量就会越多。

在预压缩率为15%、摩擦因数为0.3、运动速度为4m/s的模拟条件下产生的实验结果。当活塞处于推程的实验路径中，压力会因介质不同而不同。O型密封圈和油缸接触面之间的接触压力与介质产生的压力呈正比，但是接触压力曲线的变化情况趋势一致。在不同的介质压力下，介质压力相比O型密封圈和油缸之间接触面的接触压力都要小，这表明O型密封圈和油缸之间的接触面可以达到密封性标准。当实验路径处于推程时，O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力会因为介质压力的增大而增大。但是二者曲线变化的幅度跟介质压力变化呈正相关。在不同的介质压力下，O型密封圈与油缸之间的密封性更良好。

3.2 预压缩率对接触压力的影响

在推程中的实验路径下，介质压力为6MPa、运动速度为4m/s、摩擦因数为0.3的条件下，活塞在不同预压缩率中的模拟仿真结果。推程实验中，O型密封圈和油缸之间接触面的接触压力的变化与预压缩率呈正相关影响，而二者之间的曲线变化幅度也与预压缩率成正比。在推程的实验路径下，预压缩率为5%时，O型密封圈和油缸接触面之间的接触压力均达不到6MPa，说明O型密封圈无法与油缸之间接触面有良好的密封性。O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力在预压缩率设定10%、15%、20%时都能够满足实验要求。在不同的预压缩率数值中，接触压力曲线变化幅度较小。只有在预压缩率为15%、20%时，O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力大于6MPa。

4 失效原因

4.1 材料

密封圈失效的影响因素：第一，原材料的选择上;第二，选择材料的质量。当密封材料与流体产生排斥时，液体被橡胶吸收进入从而产生了永久的形变。只有选择合理的橡胶材料硬度，才能保证密封性能所需求的弹性，否则密封失效从而导致泄露。

4.2 初始接触压力

影响O型密封圈密封性能第一因素是初始接触压力。不合理的过盈量、不合理的外压和机械损伤是导致O型圈初始接触压力不足的主要原因。

依据O型密封圈的密封原理，可以得出O型密封圈不仅仅需要合适的接触压力还需要适当的外压才能实现密封圈的弹性变形。但并不是说外部压力越大越好。当外部压力过大时，O型密封圈会被挤毁，就会失去密封功能。

5 结论

①O型密封圈密封面的接触压力变化正比于受介质压力、预压缩率且影响较大;

②O型密封圈只有在预压缩率不大于10%前提下才能满足液压式配气系统的密封性要求。因此，预压缩率的选择合适与否决定了O型密封圈的密闭性能是否良好;

③合理的初始接触压力和外部压力才能保证O型密封圈初始密封能力良好。

参考文献：

[1]陈国定，HaiserH，HaasW，等.O型封圈的有限元力学分析[J]机械科学与技术，2000，19（5）：740-742.

[2]刘溪涓，刘承宗，林钧毅，等.一种含超弹性接触问题的密封结构的有限元求解方法[J].中国机械工程，2001，12 （11）：1211-1213.

[3]钟亮，赵俊利，范社卫.基于ABAQUS的O型密封圈密封性能仿真研究[J].煤矿机械，2014（3）：52-54.