O形橡胶密封圈的热应力耦合分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏大学机械工程学院 作者:韩彬

  研究原油高温热采工具O 形橡胶密封圈在高温高压下的密封特性。借助于大型有限元分析软件ANSYS,建立O 形橡胶密封圈及其边界的二维轴对称有限元模型,研究油压、装配间隙和摩擦因数对密封面最大接触应力、剪切应力和Von Mises 应力的影响,并采用热应力耦合分析方法,分析温度对O 形密封圈密封性能的影响。结果表明:摩擦因数对应力影响不大,而油压和装配间隙对应力影响很大,过大的装配间隙会造成O 形橡胶密封圈最大接触应力下降和最大剪切应力上升,造成密封失效;当温度升高时,密封圈最大剪切应力和接触应力相应减小,而最大Von Mises 应力明显减小,因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为应使O 形密封圈在适当的温度下工作,以确保密封的可靠性。

  随着国民经济的快速发展,陆地石油资源的不断减少,海上稠油开采将会成为热点之一。海上稠油开采通常采用高温热采作业模式,因此对开采工具的高温高压密封性能要求较高。当前原油开采一般都是在150 ℃以下进行,开采工具的密封部件基本上都是采用简单高效、可靠性高的橡胶O 形圈,而橡胶O 形圈的耐用性、可靠性以及密封性能对温度比较敏感,同时对安装结构尺寸也有一定的要求。O 形密封圈简称O 形圈,是一种截面为圆形的橡胶密封圈,其成本低廉、安装和使用方便,被广泛应用于机械、汽车、动力及石油化工等领域。

  对于常温下橡胶O 形圈的密封性能,目前研究报道较多,而对于高温(150 ℃以上) 下密封性能的研究,公开报道尚不多见。研究高温( 在橡胶材料可用最高温度范围内) 和高压( 稠油开采要求最高压强达到20 MPa) 下橡胶O 形圈的热应力耦合特性,对提升稠油高温热采工具密封性能有着至关重要的作用,可为密封部件的选择和结构优化提供理论依据和数据支撑。

  本文作者利用ANSYS 有限元分析软件对O 形橡胶密封圈进行应力分析,并采用热应力耦合分析方法,分析温度对O 形密封圈密封性能的影响,得到温度与应力变化的关系。

1、模型的建立

  1. 1、几何模型的建立

  O 形橡胶密封圈工作时依靠密封圈发生弹性变形,在密封接触面上产生接触应力,当接触应力大于密封介质的压力时,则不发生泄漏。如图1(a) 所示,当O 型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不均匀的初始接触密封压力,即使没有介质压力或者压力很小,O 型密封圈也能靠自身的弹性力作用实现密封。如图1(b) 所示,当容腔内充入有压力的介质后,在介质压力p 的作用下,O 形密封圈发生位移,移向低压侧,且其弹性变形进一步加大,填充和封闭了密封间隙。

O形密封圈工作原理

图1 O 形密封圈工作原理

  鉴于O 形橡胶密封圈边界条件的复杂性,对其进行有限元分析时,将密封结构作为整体分析。根据密封结构的几何形状、材料、边界条件的特点和ANSYS 的功能,O 形橡胶密封圈的模型可以简化为二维平面对称模型,并且取其1 /2 进行分析。本文作者以最常见的O 型橡胶密封圈的密封结构( 端面密封) 为例,如图2 所示,建立O 形圈的几何模型。O形橡胶密封圈受到来自端面的安装预紧力的挤压,产生形变,在弹性力作用下,和接触面紧密接触,形成密封。

O形密封圈的几何模型

图2 O 形密封圈的几何模型

  1. 2、有限元模型的建立

  首先做如下几点假设:

  (1) O 形密封圈具有确定的弹性模量E 和泊松比γ;

  (2) O 形密封圈材料拉伸与压缩的蠕变性质相同;

  (3) O 形密封圈受到的轴向压缩视为由约束边界的指定位移引起;

  (4) O 形密封圈的蠕变不引起体积的变化,即O形密封圈的橡胶材料不可压缩。

  O 形橡胶密封圈具有高度的非线性,即几何非线性、材料非线性、状态非线性同时存在。研究的O形橡胶密封圈选自某公司生产的全氟醚橡胶密封圈,规格为7075 O-Ring,尺寸为114 mm × 3.2 mm,硬度为HRA 75,线膨胀系数为2. 5 × 10-4-1。该产品具有卓越的耐热性和耐腐蚀性。

3、结论

  (1) 油压对最大Von Mises 应力影响很大,在其他参数不变的情况下,随着油压的增大,O 形密封圈最大Von Mises 呈现大幅度增加的趋势; 而最大接触应力和最大剪切应力随着油压的增大呈小幅增加的趋势,且增幅最终趋于平缓; 总体来说,摩擦因数对O形密封圈的密封性能影响不大; 过大的装配间隙会造成O 形橡胶密封圈压缩量不足,最大接触应力下降和最大剪切应力上升,最终会造成密封失效,因此装配间隙不宜过大。

  (2) 当温度升高时,最大接触应力、最大剪切应力和最大Von Mises 应力都呈下降的趋势,其中温度对Von Mises 的影响最大,对剪切应力和接触应力的影响较小。总体来说,在0 ~300 ℃ 温度范围内,O 形密封圈仍然符合接触面的最大接触应力大于工作压力和最大剪切应力小于O 形密封圈抗剪强度的要求,可以正常工作。

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