Yx橡胶密封圈密封性能研究.pdf

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文章编号:1672-0121(2013)02-0058-07
Yx橡胶密葑圈密封性能硏究
夏卫明,骆桂林,嵇宽斌
(扬力集团江苏国力锻压机床有限公司,江苏扬州225009)
摘要:本文应用有限元法,按照国家标准建立了Yx密封圈的平面应变有限元模型,进行了预压缩和工
作压力的模拟计算,得到了Yx密封圈的变形规律和密封性能判据 Ratio值的变化规律。计算表明,Yx密封
圈的低压密封效果要优于高压,在进行密封结构的设计时,应将Yx密封圈放置在低压侧,有利于提高使用
寿命和密封性能。重点进行了低压状态下密封性能的细化计算,并引入了变形速率的概念,对低液体压力下
其下唇口最大接触压力的变化进行了分析。计算表明,低压下,下唇ロ最大接触压カ出现了两个分界点,第
个分界点是Yx密封圈下層口接触尖端的点接触变形到线接触变形的转折点,第二个分界点是下唇口线接
触变形速率值最大的转折点,该转折点处的最大液体压力为1.3MPa。通过对Yx密封圈下唇口在不同液体工
作压力下接触线长度的计算,得出了Yx密封圈最佳工作压力为3.7-4.2MPa,液体压力超过4.2MPa,其下唇
口接触线长度将阶跃式增大到接近最大值,这对密封件的使用寿命不利。
关键词:机械制造;Yx橡胶密封圈;密封性能;失效;有限元
中图分类号:TH136文献标识码:A
0引言
1 Mooney- Rivlin材料模型
Yx橡胶密封圈以其结构简单、安装方便、密封
Yx橡胶密封圈采用的是TPU聚氨酯材料
性能好等优点广泛应用于液压、气动等密封场合。采程上主要是以连续介质力学为基础,橡胶材料被认
用有限元手段对密封圈的研究较多,其中主要集中为是超弹性近似不可压缩体(泊松比趋近于0.5),其
在O形密封圈?、A形防尘圈、X形变截面密封圈阳力学性质表现为材料非线性和几何非线性。目前,大
等,而关于Yx密封的研究国内外报道较少。经检型有限元软件可以用来模拟超弹性材料的材料模型
索,杨光、胡旭林等应用有限元分析了Y形密封圈有:Neo- Hookean、 Mooney- Rivlin、 Aden、 Polynomial
在不同工作压力下的变形规律,但其密封圈的模型Form、 Arruda- Boyce、Gemt、Yeoh、 Blatz-Ko等,本文
结构过于简单,其唇部没有按照Yx密封图的国家采用广泛应用的 Mooney- Rivlin模型描述橡胶材料
标准进行建模分析,有限元分析中没有计算安装的应变能函数。
压缩效果,这与实际有一定的差异;于润生,杨秀萍
本文采用2参数的 Mooney- Rivlin模型,其应变
应用超弹性理论和非线性理论,采用有限元方法对能函数表达式为
Yx形液压密封圈的性能进行模拟,分析其失效的位
W=Co(1-3)+Ca(2-3)+(-1)2
置和模式,研究了参数对密封性能的影响,提出结构
优化模型等等。这些专家学者的分析研究工作取得
其中,1、1为第一和第二 reen应变不变量,
了一定的理论和工程应用价值
Co、Co为 Mooney- Rivlin材料参数,d为材料不可压
本文应用 ANSYS有限元软件对Yx橡胶密封缩参数,由式d=(1-2n)/( Cio+Cor)给出,n为材料泊
圈进行建模,研究了该型密封圈初始预压缩量、工作松比。本文参照文献[1?,取Co、Co分别为1.84MPa
压力变化等对密封性能的影响和原因
0.47MPA.
有限元模型
根据Yx密封圈、孔轴、密封沟槽边界条件以及
收稿日期:2012-08-10
ANSYS的功能,Yx密封圈的有限元模型简化为平
」作者简介:夏卫明(91)男,土士、从事结构强度、液压机等研发设而对称模型,下x密封圈截面结构及尺す参照国家标
准JB/ZQ4265-1997进行建模,本文按公称内径为
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EQUIPMENT装备
d=300mm的轴用Yx密封圈建模,弹性模量取为
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7.8MPa,泊松比为0.5(不可压缩材料)。密封圈的硬
度相对于金属材料的轴、孔,非常之小,轴、孔的变形
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相对密封圏可以忽略不计,因此以刚体一柔体的面
面接触单元 TARGE169- CONTA172来模拟Yx密封
圈对轴和沟槽的非线性接触行为,橡胶单元采用带
1,1
中间节点的平面PL.ANE183超弹性单元来模拟
图4压缩量8=2.3mm的应力云图
( ANSYS较早的版本采用 HPPER56, HPPER74等超
分析可知,在无液体压力作用下,预压缩量的变
弹性单元),设置单元关键字 KEYOPI(3)=2来模拟化对Yx密封圈的应力分布的影响不大,预压缩量
平面应变( Plane strain)问题。如图1所示。
增大0.63mm,最大 von Mises应力只増加了约
0.3MPa,主要是由于密封圈之类橡胶柔性材料,其弹
性模量很小,按应力应变公式,s=Ee,其变形量e对
应力的影响相对很小。
在预压缩量加大的情况下,Yx密封圈上唇口
变形量比下暦口大,预压缩量为2.3mm时,上層口
基本被压缩为直线,与沟槽内壁基本贴合、而下層
口还基本维持点接触状态(三维模型为线接触),上
图1Yx密封圈有限元模型
脣口刚度小于下唇口。分析可知,下層口与轴外圆
柱面之间有相对运动,Yx密封圏的这种变形方式
3预压缩计算
有利于减小运动摩擦力,减缓密封圈的磨损,提高
YX密封圈装入沟槽中,其唇口与轴和沟槽内使用寿命。
壁形成一定的预压缩形成的回弾力给密封接触面
在预压缩量为δ=1.63、1.8、2.3mm三种情况下,
定的压力,达到密封的作用。按照密封圈的结构尺下唇口与轴外圆柱面的最大接触压力分別为1.52
す,其预压缩量四为た1028
1.67、2.28MPa,接触压力基本按压缩量成线性递增
8+mm=
这是因为下唇口与轴外圆柱面接触面积基本维持线
1.63-2.3mm,活塞杆的配合公差为f8,直径d=接触不变,压缩量増加与施加的挤压力成正比。
300mm的活塞杆,其单边误差范围为0.028
0.068mm,基本上可以忽略。因此,分别取S=1.63、4工作压力计算
1.8、2.3mm三种情况进行分析比较,得到 von Mises
Yx密封圈质地相对斯特封、格莱圈等组合形
应力云图如图2、3、4所示(应力单位:MPa,変形比式的密封圏要柔软,在高压的作用下容易被挤入活
例因子:1)。
塞杆和缸筒之间的间隙中。因此,Yx密封圈一般用
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在活塞缸的杆腔,或反向安装在活塞头下端,用来
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对低压进行密封(液压缸回程压力一般小于最大工
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作压力),我公司生产的液压机床最大液压工作压
力为2.5MPa,因此,本文的计算按0~25MPa,以
IMPa为载荷步增量逐步增加,计算中取标准预压
缩量δ=1.8mm。取26个载荷步,时间增量为1s,共
图2预压缩量8=1.63mm的应力云图
计算26s。本文所研究的对象为静态分析,时间设置
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并非真正意义上的时间,使用时间的目的在于使用
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ANSYS的时间历程后处理器,查看Yx密封圈下唇
日尖点处