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近年來，國內(nèi)學(xué)者用不同的方法開展了O形圈的有限元分析，得出了不同工況下的應(yīng)力分布情況。目前的研究側(cè)重在O形圈靜密封性能的有限元分析模擬上，研究重點主要集中在O形圈溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)(如溝槽寬度、深度、倒角) 的選取、失效準則的討論、受壓下的變形分析、靜態(tài)接觸力的分布和有限元可靠性分析上，而對往復(fù)運動中的O形圈密封特性研究較少。但是橡膠O形圈用作往復(fù)運動時其工況更惡劣，更容易出現(xiàn)磨損、老化、撕裂、剪切、泄露等導(dǎo)致密封失效的情況。橡膠密封圈在往復(fù)密封中的密封能力與活塞桿的運動速度、流體的工作壓力、接觸面之間的摩擦因數(shù)、環(huán)境溫度以及預(yù)壓縮率都有很大的關(guān)系。因此主要利用ABAQUS軟件分析了O形圈在往復(fù)動密封中的密封特性，研究了不同工作參數(shù)下O形圈的變形情況，主接觸面最大接觸應(yīng)力與Von Mises應(yīng)力的分布變化規(guī)律，最大剪切應(yīng)力、主接觸面間摩擦力的變化規(guī)律及它們之間的相互關(guān)系。
典型的O形圈用作活塞動密封中的三維裝配示意圖，O形圈右側(cè)為介質(zhì)壓力側(cè)。外行程是指活塞與O形圈向右的運動過程，內(nèi)行程是指活塞與O形圈向左的運動過程。O形圈可看作是由橫截面圓繞中心軸回轉(zhuǎn)形成的彈性體。其結(jié)構(gòu)、約束條件和作用載荷呈軸對稱分布，在載荷作用下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變也呈軸對稱分布。因此，可將O形圈的力變形計算簡化為軸對稱問題。即以回轉(zhuǎn)中心軸為對稱軸(即z軸，與密封軸軸心線重合)，彈性體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移為r和z的函數(shù)，與θ無關(guān)。
杭州那泰有限元分析公司研究選用的O形圈材料為丁腈橡膠(NBR)，尺寸參數(shù)為φ50mm×5.3mm。由于橡膠密封具有幾何非線性、材料非線性和接觸非線性三大高度非線性特征，研究中作如下幾點假設(shè)：材料具有確定的彈性模量和泊松比；材料的拉伸與壓縮蠕變性質(zhì)相同；密封圈受到的縱向壓縮視為由約束邊界的指定位移引起； 蠕變不引起體積變化；忽略溫度對橡膠材料性能的影響。
在ABAQUS分析軟件中建立O形圈、軸筒和凹槽的二維軸對稱有限元模型。定義軸筒和凹槽的材料為鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。橡膠的密度為1200kg/m3。
整個分析共設(shè)置4個分析步，以模擬O形圈的預(yù)壓縮過程、流體工作載荷作用過程，以及往復(fù)運動過程。模型中設(shè)置了密封圈表面與凹槽表面及密封圈表面與軸筒表面兩對接觸對。此接觸問題屬于帶約束條件的泛函數(shù)極值問題，應(yīng)用罰函數(shù)法進行描述，摩擦模型選用庫倫摩擦模型。
劃分網(wǎng)格后的模型采用四邊形CAX4R單元，總共包含2290個節(jié)點，單元總數(shù)為2099。
橡膠密封圈的往復(fù)密封機制異于其靜密封機制。在靜密封中，依靠裝配過盈量或預(yù)加載荷壓縮具有彈性的橡膠體從而實現(xiàn)初始密封，工作過程中，流體壓力作用在密封圈暴露于介質(zhì)的表面，進一步壓縮密封圈，使得密封面的接觸應(yīng)力增加進而實現(xiàn)“自密封”。但是，當(dāng)橡膠密封圈用于往復(fù)運動時，由于被密封件的表面并不是絕對平整的，往復(fù)運動的活塞桿或拉桿很容易將流體帶到密封圈和其之間，導(dǎo)致發(fā)生黏稠泄漏。
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