橡胶O形圈静、动态密封性能研究
橡胶O形圈广泛应用于机械、能源、化工、航空等领域的静、动密封。研究了O形圈的力学性能和密封性能。研究了预压缩量、流体压力、摩擦系数对O形圈静、动态密封性能的影响。结果表明，最大应力出现在O形圈的内侧，而不是表面。静态密封性能随流体压力和压缩量的增加而提高。橡胶O形圈的往复动密封性能与其静态密封性能不同，往复运动时应力分布和变形也在变化。外行程密封性能优于内行程密封性能。当摩擦力矩为大于内冲程中流体压力引起的扭矩。动态密封中O形圈的主要失效形式是变形、咬入和疲劳失效。
这些结果可用于静态和动态密封中橡胶O形圈的设计、安装和操作。
- 介绍
橡胶O形圈以其结构简单、密封性能可靠等优点，广泛应用于各种密封结构中。O型圈的密封性能影响整个密封系统的使用寿命和工作性能。橡胶O形圈是静密封、往复密封和旋转密封中最常见的密封之一。在恶劣的工作条件、润滑不良、设计错误和使用不当的情况下，可能会出现密封失效。橡胶O形圈常见的失效形式有永久变形、咬伤、磨损和变形。因此，研究橡胶O形圈的失效机理、静密封性能和动密封性能具有重要意义。
对O形密封圈的静密封和失效进行了大量的研究。Karaszkiewicz[1]给出了安装在密封槽中的O型环在密封压力作用下的几何、接触压力和接触力的方程。Yamabe和Nishimura[2]研究了氢压、环境温度和压力循环模式对EPDM橡胶O型环断裂行为的影响。在两种压力循环模式下，在10–70兆帕的氢气压力和30–100摄氏度的环境温度下进行压力循环试验。Sui和Anderle[3]设计了一种具有独特接触压力分布的新密封，然后在旋转密封测试仪上根据基准O型环设计进行测试。试验数据表明，该设计大大延长了密封系统的使用寿命，并证实了密封性能的提高。Prokopovich等人[4]开发了用于预测密封摩擦的摩擦模型，并验证了在纳米级和组件级尺度下进行的测量摩擦试验。Chen等人[5]发现机械密封弹性环的端面变形直接受O型环的部分压缩影响。Liu等人[6]通过实验研究了高压旋转密封的力学性能，研究了密封形式、材料、工作压力和主轴转速对摩擦力矩和泄漏的影响。Grimble等人[7]研究了O型环在整体配合、筒体压力变形和局部共轭弹流动力压力作用下的摩擦学特性。Han等人[8]在仿生学的基础上，设计了一种两侧有三个凹凸凸起的密封圈结构，发现该密封圈的密封性能比O型环和矩型环较好。ZHANG和ZHANG[9]通过数值模拟研究了D型环动密封和静密封的性能。但这些研究并未考虑横向密封中O形圈的摩擦性能和密封条件。
本文对橡胶材料和钢进行了摩擦学试验。研究了橡胶O形圈的静态和动态密封性能。研究了压缩量、流体压力、速度、摩擦系数对O型环力学性能、密封性能、失效模式的影响。动态密封中发现了O形圈的滚动和咬合机理。这可用于静态和动态密封装置中橡胶O形圈的设计、安装和操作。
- 材料和方法
2.1橡胶材料本构模型。橡胶是一种在外力作用下发生变形的不可压缩超弹性材料。目前，各种本构模型被用来描述非线性材料，如指数-双曲线规则、穆尼-瑞林模型、克洛舍尔-西格尔模型和奥格登-茨肖格尔模型[10-13]。本文采用穆尼-瑞林模型描述了橡胶O形圈的力学性能。该函数可以表示为：其中W是应变能密度，C1，C2是穆尼-里夫林系数，I1，I2是第一和第二应变张量不变量。
应力应变关系可表示为：
根据橡胶压缩试验，c1=1.87兆帕，c2= 0.47兆帕[14]。橡胶密度Q=1200 kg/m3。
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