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溫度對O型圈可靠性的影響
來源：廣東東晟密封科技有限公司更新時間：2016-09-20
眾所周知，針對橡膠密封圈O型圈處在高溫工況容易發(fā)生熱膨脹及應(yīng)力松弛并導(dǎo)致失效的情況，利用有限元軟件分析比較考慮溫度時和不考慮溫度時O型圈的應(yīng)力及應(yīng)力隨著時間的松弛情況，并使用響應(yīng)面法，計(jì)算出O型圈的剪切破壞失效、密封失效及多失效的可靠度。結(jié)果表明: 高溫對O型圈的應(yīng)力分布和松弛速率的影響很大；橡膠密封圈O型圈的剪切破壞可靠度及泄漏失效可靠度隨時間呈下降趨勢，初期會發(fā)生急劇下降而后期下降速度減??；O型圈的多失效可靠度前期急劇減小然后基本達(dá)到穩(wěn)定，表明O型圈在使用初期沒有發(fā)生失效，則其在后期發(fā)生失效的概率較低。
液壓密封系統(tǒng)是機(jī)械裝置的重要組成部分，并且廣泛應(yīng)用于核、航空以及汽車行業(yè)，而O型圈作為液壓系統(tǒng)中典型的密封件，其失效會引起液壓系統(tǒng)密封失效，可能會引起重大事故。如1983年美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)的右側(cè)固態(tài)推進(jìn)器上面的一個O型圈失效，導(dǎo)致了航天飛機(jī)的爆炸解體。
通常，O型圈由高分子材料橡膠組成，其設(shè)計(jì)與分析涉及固體力學(xué)、摩擦學(xué)、高分子材料學(xué)、熱力學(xué)及機(jī)械制造工藝等多方面的理論知識，一般可利用有限元軟件對O形圈進(jìn)行分析。O型圈通過被壓縮發(fā)生大變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的密封。要滿足O型圈的密封性能，必須在保證滿足O型圈的剪切強(qiáng)度的前提下，其最大接觸應(yīng)力至少要大于密封介質(zhì)的壓力。影響O型圈應(yīng)力的因素很多，包括密封結(jié)構(gòu)參數(shù)如壓縮率、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、接觸面的摩擦因數(shù)和環(huán)境因素如密封介質(zhì)壓力、溫度等。通過建立有限元模型可以分析影響因素對O型圈性能的影響。發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的壓力越大，接觸應(yīng)力和Mises 應(yīng)力越大；O型圈與軸之間的最大接觸應(yīng)力隨著壓縮率、油壓的增加而增加，但在油壓一定的情況下Mises 應(yīng)力并不總是隨壓縮率的增加而增加的結(jié)論；研究表明，上下法蘭張開間隙、密封圈的初始壓縮率對最大接觸應(yīng)力的影響較大，而密封槽槽口和槽底處倒角半徑對剪切應(yīng)力影響明顯； 分析了摩擦因數(shù)對剪切應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)越大剪切應(yīng)力越大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，密封系統(tǒng)中的密封介質(zhì)的溫度往往較高，而溫度的提升會造成O型圈應(yīng)力的變化，并加速O型圈的松弛，因此溫度對于O型圈可靠性的影響很大。
目前，一般通過試驗(yàn)來研究溫度對橡膠密封圈O型圈性能的影響，如Bernstein 和Gillen利用高溫加速O型圈松弛的特性進(jìn)行O型圈的壽命加速試驗(yàn)，Hyung-Kyu Kim 等通過試驗(yàn)比較了高溫對O型圈的最大接觸應(yīng)力和剪切力的影響。相對于試驗(yàn)來說，利用有限元軟件對橡膠密封圈O型圈進(jìn)行溫度影響下的可靠性分析不受人為因素的影響，并且還具有節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。但是在O型圈在承載的過程中會伴隨著大變形及大應(yīng)變，如果在同時考慮溫度對應(yīng)力的影響，并且高溫還有加速O型圈橡膠老化的作用，有限元建模會十分的復(fù)雜。因此，使用有限元軟件對溫度影響下的O型圈進(jìn)行可靠性仿真分析的研究較少。
本文作者考慮研究溫度對O型圈的影響，建立有限元模型并對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，分析溫度?span style="font-family:SimSun;font-size:16px;line-height:24px;white-space:normal;">O型圈Mises 應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力及其松弛速率的影響，將溫度場、壓縮率和介質(zhì)壓力作為主要影響因素，并利用響應(yīng)面法計(jì)算O型圈在松弛過程中的可靠度，對高溫介質(zhì)中使用的橡膠密封圈O型圈的理論分析和實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價值。
1、O型圈的熱- 固耦合分析
由于溫度會導(dǎo)致O型圈結(jié)構(gòu)的熱膨脹從而引發(fā)應(yīng)力的變化，因此O型圈的應(yīng)力分析包括熱分析和結(jié)構(gòu)分析，熱分析包括缸體及O型圈由溫差造成的傳導(dǎo)換熱，液壓油與O型圈及缸體的對流傳熱以及O型圈對外部的熱輻射； 結(jié)構(gòu)分析包括對O型圈的所有節(jié)點(diǎn)的Mises 應(yīng)力分析和接觸面的接觸應(yīng)力分析。本文作者同時考慮熱分析和結(jié)構(gòu)分析，將傳導(dǎo)換熱、對流換熱、熱輻射與有限元結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合，對O型圈進(jìn)行熱- 固耦合分析。
4、結(jié)論
(1) 溫度使O型圈的Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力變大，并加速橡膠密封圈O型圈應(yīng)力的松弛。
(2) 選取溫度、介質(zhì)壓力和壓縮率作為主要影響因素，使用響應(yīng)面法對O型圈松弛時的各個時刻的可靠度進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)O型圈的可靠度在密封初期首先急劇減小，然后可靠度緩慢減小。對于本文作者所研究的橡膠密封圈O型圈，若O型圈在100s左右時沒有發(fā)生失效，則O型圈在后期發(fā)生失效的概率較低，對運(yùn)用在工程上的其他O型圈具有一定的借鑒意義。
液壓密封系統(tǒng)是機(jī)械裝置的重要組成部分，并且廣泛應(yīng)用于核、航空以及汽車行業(yè)，而O型圈作為液壓系統(tǒng)中典型的密封件，其失效會引起液壓系統(tǒng)密封失效，可能會引起重大事故。如1983年美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)的右側(cè)固態(tài)推進(jìn)器上面的一個O型圈失效，導(dǎo)致了航天飛機(jī)的爆炸解體。
通常，O型圈由高分子材料橡膠組成，其設(shè)計(jì)與分析涉及固體力學(xué)、摩擦學(xué)、高分子材料學(xué)、熱力學(xué)及機(jī)械制造工藝等多方面的理論知識，一般可利用有限元軟件對O形圈進(jìn)行分析。O型圈通過被壓縮發(fā)生大變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的密封。要滿足O型圈的密封性能，必須在保證滿足O型圈的剪切強(qiáng)度的前提下，其最大接觸應(yīng)力至少要大于密封介質(zhì)的壓力。影響O型圈應(yīng)力的因素很多，包括密封結(jié)構(gòu)參數(shù)如壓縮率、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、接觸面的摩擦因數(shù)和環(huán)境因素如密封介質(zhì)壓力、溫度等。通過建立有限元模型可以分析影響因素對O型圈性能的影響。發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的壓力越大，接觸應(yīng)力和Mises 應(yīng)力越大；O型圈與軸之間的最大接觸應(yīng)力隨著壓縮率、油壓的增加而增加，但在油壓一定的情況下Mises 應(yīng)力并不總是隨壓縮率的增加而增加的結(jié)論；研究表明，上下法蘭張開間隙、密封圈的初始壓縮率對最大接觸應(yīng)力的影響較大，而密封槽槽口和槽底處倒角半徑對剪切應(yīng)力影響明顯； 分析了摩擦因數(shù)對剪切應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)越大剪切應(yīng)力越大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，密封系統(tǒng)中的密封介質(zhì)的溫度往往較高，而溫度的提升會造成O型圈應(yīng)力的變化，并加速O型圈的松弛，因此溫度對于O型圈可靠性的影響很大。
目前，一般通過試驗(yàn)來研究溫度對橡膠密封圈O型圈性能的影響，如Bernstein 和Gillen利用高溫加速O型圈松弛的特性進(jìn)行O型圈的壽命加速試驗(yàn)，Hyung-Kyu Kim 等通過試驗(yàn)比較了高溫對O型圈的最大接觸應(yīng)力和剪切力的影響。相對于試驗(yàn)來說，利用有限元軟件對橡膠密封圈O型圈進(jìn)行溫度影響下的可靠性分析不受人為因素的影響，并且還具有節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)。但是在O型圈在承載的過程中會伴隨著大變形及大應(yīng)變，如果在同時考慮溫度對應(yīng)力的影響，并且高溫還有加速O型圈橡膠老化的作用，有限元建模會十分的復(fù)雜。因此，使用有限元軟件對溫度影響下的O型圈進(jìn)行可靠性仿真分析的研究較少。
本文作者考慮研究溫度對O型圈的影響，建立有限元模型并對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，分析溫度?span style="font-family:SimSun;font-size:16px;line-height:24px;white-space:normal;">O型圈Mises 應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力及其松弛速率的影響，將溫度場、壓縮率和介質(zhì)壓力作為主要影響因素，并利用響應(yīng)面法計(jì)算O型圈在松弛過程中的可靠度，對高溫介質(zhì)中使用的橡膠密封圈O型圈的理論分析和實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價值。
1、O型圈的熱- 固耦合分析
由于溫度會導(dǎo)致O型圈結(jié)構(gòu)的熱膨脹從而引發(fā)應(yīng)力的變化，因此O型圈的應(yīng)力分析包括熱分析和結(jié)構(gòu)分析，熱分析包括缸體及O型圈由溫差造成的傳導(dǎo)換熱，液壓油與O型圈及缸體的對流傳熱以及O型圈對外部的熱輻射； 結(jié)構(gòu)分析包括對O型圈的所有節(jié)點(diǎn)的Mises 應(yīng)力分析和接觸面的接觸應(yīng)力分析。本文作者同時考慮熱分析和結(jié)構(gòu)分析，將傳導(dǎo)換熱、對流換熱、熱輻射與有限元結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合，對O型圈進(jìn)行熱- 固耦合分析。
4、結(jié)論
(1) 溫度使O型圈的Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力變大，并加速橡膠密封圈O型圈應(yīng)力的松弛。
(2) 選取溫度、介質(zhì)壓力和壓縮率作為主要影響因素，使用響應(yīng)面法對O型圈松弛時的各個時刻的可靠度進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)O型圈的可靠度在密封初期首先急劇減小，然后可靠度緩慢減小。對于本文作者所研究的橡膠密封圈O型圈，若O型圈在100s左右時沒有發(fā)生失效，則O型圈在后期發(fā)生失效的概率較低，對運(yùn)用在工程上的其他O型圈具有一定的借鑒意義。
(3) 研究O型圈由于摩擦產(chǎn)生的熱量對O型圈的應(yīng)力及可靠性產(chǎn)生的影響將是后續(xù)研究的一個方向。
