李 征，李唯丹

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

O形橡膠密封作為重要的接觸式密封形式，在航空航天等領域具有廣泛的應用，近年來得到了學者的關注和研究。

Nam等[1]基于Herze接觸理論，采用理論的方法分析了某壓縮率下，O形橡膠密封應力分布規(guī)律，并通過后續(xù)試驗驗證了這一模型的正確性。Nam等[2]還建立了O形橡膠密封的三維模型，并采用這一模型探討了壓縮率和流體壓力對其密封性能的影響規(guī)律。Diany等[3]采用有限元方法研究了O形橡膠密封的松弛特性，并與采用Herze接觸理論模型計算的結果進行了對比。Yang等[4]研究了液壓系統(tǒng)中的O形橡膠密封失效的幾種表現(xiàn)形式，并提出了預防密封裝置失效的若干方法。萬鐵等[5]研究發(fā)現(xiàn)表面織構化可以有效改善部件接觸面間的摩擦學性能。于武海等[6]通過理論研究發(fā)現(xiàn)了圓柱形微坑表面織構對流體動壓潤滑性能會產生積極影響。

1 含表面織構的O形橡膠密封性能分析理論模型

根據(jù)含表面織構的O形橡膠密封具有周向循環(huán)對稱的結構特點，建立了二維模型，保證理論計算精度的前提下，也降低了計算量，提高了工作效率。

1.1 分析模型

含表面織構的O形橡膠密封結構如圖1所示，其性能分析過程中所需的物性參數(shù)包括：O形橡膠密封圈材料的模型為不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivlin模型，與材料應變能偏量部分有關的兩個材料常數(shù)c10和c01分別取1.87 MPa和0.47 MPa；上、下法蘭為金屬合金材料，其彈性模量和泊松比分別為1.2×1011Pa和0.34[7]。

圖1 含表面織構的O形橡膠密封結構圖Fig.1 Structure of O-ring with surface texture

圖2 含表面織構的O形橡膠密封有限元模型圖Fig.2 Finite element model of O-ring with surface texture

1.2 網格劃分和邊界條件

上、下法蘭以及O形橡膠密封圈的網格單元均采用PLANE182，需要注意的是在上法蘭表面織構區(qū)域以及下法蘭密封槽的倒角處均需要增大網格數(shù)，以保證網格質量。

含表面織構的O形橡膠密封性能分析有限元模型如圖2所示，其邊界條件是：上法蘭1處分別施加x方向位移約束和y方向位移激勵；下法蘭2處施加x方向和y方向的位移約束；O形橡膠密封圈3處施加氣體壓力。另外，上法蘭和下法蘭與O形橡膠密封圈接觸的部位均建立接觸對，并設置相應的摩擦系數(shù)。

2 含表面織構的O形橡膠密封性能分析

在開展含表面織構的O形橡膠密封性能分析過程中，表面織構的截面形狀、尺寸及其個數(shù)均會對O形橡膠密封的性能產生一定程度的影響。為了模型的普適性以及減小應力集中的現(xiàn)象，在上法蘭表面構造了兩個半圓截面的表面織構，以開展表面織構與否對O形橡膠密封性能的影響分析。

2.1 表面織構與否對O形橡膠密封性能的影響

在壓縮率為30%和流體壓力為0.5 MPa的條件下，半圓形表面微織構的半徑為0.2 mm。開展表面織構與否對O形橡膠密封性能的影響分析。圖3為表面織構與否對O形橡膠密封位移（或變形）分布的影響，從圖中可以看出兩種結構下，O形密封圈上表面與上法蘭間的變形均最大，但值得注意的是，含表面織構的O形橡膠密封，因上法蘭的擠壓作用，會有部分橡膠材料“填入”上法蘭的表面織構中，從而形成多級密封，這有助于提高O形橡膠密封的密封性能。

圖3 O形橡膠密封位移分布云圖Fig.3 Displacement of O-ring

圖4為表面織構與否對O形橡膠密封應力分布的影響，從圖中可以看出兩種結構應力分布的最大值均在O形橡膠密封圈的中部位置，但需要注意的是，不考慮表面織構的情況，密封圈上表面與上法蘭間的應力較大，產生這種現(xiàn)象的原因與橡膠密封圈在擠壓過程中和上法蘭表面織構處產生一定的應力集中有關。

圖4 O形橡膠密封應力分布云圖Fig.4 Stress of O-ring

圖5為考慮表面織構與否對O形橡膠密封接觸壓力分布的影響，從圖可以看出兩種結構下的O形橡膠密封與上法蘭間的接觸區(qū)域近似相等，但不同的是，不考慮表面織構的O形橡膠密封與上法蘭間的接觸壓力在接觸區(qū)域會呈現(xiàn)出一個“鐘形”的分布趨勢；而考慮表面織構的O形橡膠密封與上法蘭間會形成有3個峰值的接觸壓力分布趨勢。從圖中還可看出，無表面織構條件下O形橡膠密封的最大接觸應力為5.39 MPa，而含表面織構條件下O形橡膠密封的最大接觸應力為8.06 MPa。而接觸應力大小是衡量橡膠密封性能的主要指標，該值愈大，則表明其密封性能愈好，且其密封可靠性亦越高。這又一次說明，含表面織構的O形橡膠密封可以有效提高O形橡膠密封的性能。與此同時，這一結構下產生的多個接觸壓力峰值會形成“多級密封”，故提升了密封的可靠性。

圖5 O形橡膠密封接觸壓力分布圖Fig.5 Contact pressure of O-ring

2.2 壓縮率對含表面織構O形橡膠密封性能的影響

在流體壓力為0.5 MPa條件下，對比分析15%、20%和25%三種壓縮率對含表面織構的O形橡膠密封性能的影響，其結果如圖6所示，可以看出，隨壓縮率的增大，含表面織構的O形橡膠密封與上法蘭接觸面間的接觸壓力會增大，同時接觸區(qū)域亦會有所增大。這說明隨壓縮率的增大，O形橡膠密封的密封性能會有較大的提升。

2.3 流體壓力對含表面織構O形橡膠密封性能的影響

在25%壓縮率條件下，開展流體壓力對含表面織構的O形橡膠密封性能影響的研究，如圖7所示，可以看出隨著流體壓力的增大，O形橡膠密封與上法蘭間的接觸壓力會隨之增大，產生這種現(xiàn)象的主要原因是，大的流體壓力，會使橡膠密封圈產生更大的擠壓作用。

圖6 不同壓縮率下O形橡膠密封接觸壓力分布云圖Fig.6 Contact pressure of O-ring under different compression ratios

圖7 不同流體壓力下O形橡膠密封接觸壓力分布云圖Fig.7 Contact pressure of O-ring under different differential pressures

3 結論

建立了含表面織構的O形橡膠密封有限元模型，并采用這一模型分別探討了表面織構、壓縮率及流體壓力對O形橡膠密封性能的影響，得出結論：

（1）較之無表面織構的O形橡膠密封，含表面織構的O形橡膠密封在自身減重的同時，亦顯著提升了其密封性能，說明含表面織構的O形橡膠密封在航空航天領域具有潛在的應用價值；

（2）探討了壓縮率對含表面織構的O形橡膠密封性能的影響，結果表明隨壓縮率的增大，O形橡膠密封的密封性能會隨之提高。但值得注意的是，過大的壓縮率會加速橡膠材料的老化，并因之影響O形橡膠密封的性能。因此，在工程應用中，應根據(jù)實際需要，選擇合適的壓縮率，以使O形橡膠密封的密封性能和使用壽命均滿足要求；

（3）分析了流體壓力對含表面織構的O形橡膠密封性能的影響，研究結果表明隨著壓差的增大，O形橡膠密封的密封性能會有一定程度的提高，這主要與流體壓力對O形橡膠密封圈的擠壓作用有關；

[1]Nam J，Hawong J，Han S，et al.Contact stress of O-ring under uniform squeeze rate by photoelastic experimental hybrid method[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22（12）：2337-2349.

[2]Nam J H，Hawong J S，Liu Y，et al.3-Dimensional stress analy?sis of O-ring under uniform squeeze rate and internal pressure by photoelastic experimental hybrid method[J].Journal of me?chanical science and technology，2011，25（9）：2447.

[3]Diany M，Aissaoui H.Analytical and Finite Element Analysis for Short Term O-Ring Relaxation[C]//Applied Mechanics and Materials.Trans Tech Publications，2011，61：33-42.

[4]Yang X L，Yang Z G，Ding Q.Failure analysis of O-ring gas?kets of the electric hydraulic system in the nuclear power plant[J].Engineering Failure Analysis，2017，79：232-244.

[5]萬軼，熊黨生.激光表面織構化改善摩擦學性能的研究進展[J].摩擦學學報，2006，26（6）：603-607.

[6]于海武，王曉雷，孫造，等.圓柱形微凹坑表面織構對流體動壓潤滑性能的影響[J].南京航空航天大學學報，2010，42（2）：209-213.

[7]劉占軍，王哲峰.X形變截面優(yōu)化橡膠密封圈比較應力有限元分析[J].潤滑與密封，2010，35（1）：56-58.