含表面织构的O形橡胶密封性能分析

李 征，李唯丹

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

O形橡胶密封作为重要的接触式密封形式，在航空航天等领域具有广泛的应用，近年来得到了学者的关注和研究。

Nam等[1]基于Herze接触理论，采用理论的方法分析了某压缩率下，O形橡胶密封应力分布规律，并通过后续试验验证了这一模型的正确性。Nam等[2]还建立了O形橡胶密封的三维模型，并采用这一模型探讨了压缩率和流体压力对其密封性能的影响规律。Diany等[3]采用有限元方法研究了O形橡胶密封的松弛特性，并与采用Herze接触理论模型计算的结果进行了对比。Yang等[4]研究了液压系统中的O形橡胶密封失效的几种表现形式，并提出了预防密封装置失效的若干方法。万铁等[5]研究发现表面织构化可以有效改善部件接触面间的摩擦学性能。于武海等[6]通过理论研究发现了圆柱形微坑表面织构对流体动压润滑性能会产生积极影响。

1 含表面织构的O形橡胶密封性能分析理论模型

根据含表面织构的O形橡胶密封具有周向循环对称的结构特点，建立了二维模型，保证理论计算精度的前提下，也降低了计算量，提高了工作效率。

1.1 分析模型

含表面织构的O形橡胶密封结构如图1所示，其性能分析过程中所需的物性参数包括：O形橡胶密封圈材料的模型为不可压缩弹性材料的Mooney-Rivlin模型，与材料应变能偏量部分有关的两个材料常数c10和c01分别取1.87 MPa和0.47 MPa；上、下法兰为金属合金材料，其弹性模量和泊松比分别为1.2×1011Pa和0.34[7]。

图1 含表面织构的O形橡胶密封结构图Fig.1 Structure of O-ring with surface texture

图2 含表面织构的O形橡胶密封有限元模型图Fig.2 Finite element model of O-ring with surface texture

1.2 网格划分和边界条件

上、下法兰以及O形橡胶密封圈的网格单元均采用PLANE182，需要注意的是在上法兰表面织构区域以及下法兰密封槽的倒角处均需要增大网格数，以保证网格质量。

含表面织构的O形橡胶密封性能分析有限元模型如图2所示，其边界条件是：上法兰1处分别施加x方向位移约束和y方向位移激励；下法兰2处施加x方向和y方向的位移约束；O形橡胶密封圈3处施加气体压力。另外，上法兰和下法兰与O形橡胶密封圈接触的部位均建立接触对，并设置相应的摩擦系数。

2 含表面织构的O形橡胶密封性能分析

在开展含表面织构的O形橡胶密封性能分析过程中，表面织构的截面形状、尺寸及其个数均会对O形橡胶密封的性能产生一定程度的影响。为了模型的普适性以及减小应力集中的现象，在上法兰表面构造了两个半圆截面的表面织构，以开展表面织构与否对O形橡胶密封性能的影响分析。

2.1 表面织构与否对O形橡胶密封性能的影响

在压缩率为30%和流体压力为0.5 MPa的条件下，半圆形表面微织构的半径为0.2 mm。开展表面织构与否对O形橡胶密封性能的影响分析。图3为表面织构与否对O形橡胶密封位移（或变形）分布的影响，从图中可以看出两种结构下，O形密封圈上表面与上法兰间的变形均最大，但值得注意的是，含表面织构的O形橡胶密封，因上法兰的挤压作用，会有部分橡胶材料“填入”上法兰的表面织构中，从而形成多级密封，这有助于提高O形橡胶密封的密封性能。

图3 O形橡胶密封位移分布云图Fig.3 Displacement of O-ring

图4为表面织构与否对O形橡胶密封应力分布的影响，从图中可以看出两种结构应力分布的最大值均在O形橡胶密封圈的中部位置，但需要注意的是，不考虑表面织构的情况，密封圈上表面与上法兰间的应力较大，产生这种现象的原因与橡胶密封圈在挤压过程中和上法兰表面织构处产生一定的应力集中有关。

图4 O形橡胶密封应力分布云图Fig.4 Stress of O-ring

图5为考虑表面织构与否对O形橡胶密封接触压力分布的影响，从图可以看出两种结构下的O形橡胶密封与上法兰间的接触区域近似相等，但不同的是，不考虑表面织构的O形橡胶密封与上法兰间的接触压力在接触区域会呈现出一个“钟形”的分布趋势；而考虑表面织构的O形橡胶密封与上法兰间会形成有3个峰值的接触压力分布趋势。从图中还可看出，无表面织构条件下O形橡胶密封的最大接触应力为5.39 MPa，而含表面织构条件下O形橡胶密封的最大接触应力为8.06 MPa。而接触应力大小是衡量橡胶密封性能的主要指标，该值愈大，则表明其密封性能愈好，且其密封可靠性亦越高。这又一次说明，含表面织构的O形橡胶密封可以有效提高O形橡胶密封的性能。与此同时，这一结构下产生的多个接触压力峰值会形成“多级密封”，故提升了密封的可靠性。

图5 O形橡胶密封接触压力分布图Fig.5 Contact pressure of O-ring

2.2 压缩率对含表面织构O形橡胶密封性能的影响

在流体压力为0.5 MPa条件下，对比分析15%、20%和25%三种压缩率对含表面织构的O形橡胶密封性能的影响，其结果如图6所示，可以看出，随压缩率的增大，含表面织构的O形橡胶密封与上法兰接触面间的接触压力会增大，同时接触区域亦会有所增大。这说明随压缩率的增大，O形橡胶密封的密封性能会有较大的提升。

2.3 流体压力对含表面织构O形橡胶密封性能的影响

在25%压缩率条件下，开展流体压力对含表面织构的O形橡胶密封性能影响的研究，如图7所示，可以看出随着流体压力的增大，O形橡胶密封与上法兰间的接触压力会随之增大，产生这种现象的主要原因是，大的流体压力，会使橡胶密封圈产生更大的挤压作用。

图6 不同压缩率下O形橡胶密封接触压力分布云图Fig.6 Contact pressure of O-ring under different compression ratios

图7 不同流体压力下O形橡胶密封接触压力分布云图Fig.7 Contact pressure of O-ring under different differential pressures

3 结论

建立了含表面织构的O形橡胶密封有限元模型，并采用这一模型分别探讨了表面织构、压缩率及流体压力对O形橡胶密封性能的影响，得出结论：

（1）较之无表面织构的O形橡胶密封，含表面织构的O形橡胶密封在自身减重的同时，亦显著提升了其密封性能，说明含表面织构的O形橡胶密封在航空航天领域具有潜在的应用价值；

（2）探讨了压缩率对含表面织构的O形橡胶密封性能的影响，结果表明随压缩率的增大，O形橡胶密封的密封性能会随之提高。但值得注意的是，过大的压缩率会加速橡胶材料的老化，并因之影响O形橡胶密封的性能。因此，在工程应用中，应根据实际需要，选择合适的压缩率，以使O形橡胶密封的密封性能和使用寿命均满足要求；

（3）分析了流体压力对含表面织构的O形橡胶密封性能的影响，研究结果表明随着压差的增大，O形橡胶密封的密封性能会有一定程度的提高，这主要与流体压力对O形橡胶密封圈的挤压作用有关；

[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]万轶，熊党生.激光表面织构化改善摩擦学性能的研究进展[J].摩擦学学报，2006，26（6）：603-607.

[6]于海武，王晓雷，孙造，等.圆柱形微凹坑表面织构对流体动压润滑性能的影响[J].南京航空航天大学学报，2010，42（2）：209-213.

[7]刘占军，王哲峰.X形变截面优化橡胶密封圈比较应力有限元分析[J].润滑与密封，2010，35（1）：56-58.