張 博，王 娜

（太原學(xué)院，山西 太原030032）

O形圈和X形圈是常見的橡膠密封圈，使用非常廣泛。通常密封圈的溫度與環(huán)境溫度相一致。在使用過程中若溫度發(fā)生變化，便會引起密封圈的應(yīng)力發(fā)生變化進(jìn)而影響它的密封性能，嚴(yán)重時會造成泄露等現(xiàn)象，起不到密封作用，導(dǎo)致設(shè)備無法正常使用[1,2]。

關(guān)于溫度對橡膠密封圈應(yīng)力的影響前人已經(jīng)做了一定的研究，但將溫度對O形圈、X形圈的應(yīng)力影響對比分析的研究很少。本文基于橡膠的基本理論，運(yùn)用ANSYS軟件對O形圈和X形圈在不同工況下的應(yīng)力隨溫度變化情況進(jìn)行了仿真和對比分析，為上述密封圈的選用與密封分析研究提供理論依據(jù)。

1 建模仿真

根據(jù)O形圈和X形圈的實(shí)際使用情況與ANSYS數(shù)值仿真的相關(guān)理論假設(shè)，建立兩種密封圈的二維仿真模型。

為研究O形圈和X形圈在不同工況下的應(yīng)力隨溫度變化的情況及對二者之間所受應(yīng)力進(jìn)行對比分析，在建模時設(shè)定兩種密封圈的密封槽尺寸相同，密封圈截面直徑為φ3.53mm，建立模型如圖1所示。

在ANSYS中，PLANE182平面單元具有塑性、超彈性、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變能力，并具有力——位移混合公式的能力，可以模擬接近不可壓縮的彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料的變形。建立密封圈模型時，采用PLANE182單元，彈性模量為14.04MPa，泊松比為0.499，采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來表示橡膠材料性能。其中，相關(guān)材料參數(shù)：C10=1.87MPa、C01=0.46MPa；密封圈的接觸采用TARGE169、CONTA172模擬[3,4]。

圖1 密封圈仿真模型

密封圈的工作狀態(tài)主要有預(yù)壓縮、承載密封壓力、上下滑動等[5-8]。在進(jìn)行數(shù)值仿真時設(shè)定壓縮率為15%，密封壓力為10MPa，滑動行程為30mm。

2 結(jié)果分析

由于密封圈各處應(yīng)力分布不同，為方便分析本文選取各狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.1 預(yù)壓縮應(yīng)力分析

預(yù)壓縮狀態(tài)下兩種密封圈的應(yīng)力隨溫度的變化情況如圖2所示。其中，圖 （a）為兩種密封圈的等效應(yīng)力隨溫度的變化情況，圖 （b）為兩種密封圈的接觸應(yīng)力隨溫度的變化情況。

圖2 預(yù)壓縮應(yīng)力變化圖

從圖2可知，在預(yù)壓縮狀態(tài)下，兩種密封圈的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力均隨著溫度的增大而增大，基本上呈線性關(guān)系，變化幅度最大約5.3%。另外，X形圈的等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力均大于O形圈。

2.2 承載應(yīng)力分析

承載狀態(tài)下兩種密封圈的應(yīng)力隨溫度變化如圖3所示。其中，圖 （a）為其等效應(yīng)力隨溫度的變化情況，圖 （b）為其接觸應(yīng)力隨溫度的變化情況。

圖3 承載應(yīng)力變化圖

由圖3可知，在承載狀態(tài)下，O形圈的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力基本不變，而X形圈的應(yīng)力均隨溫度的增加而增大，變化幅度最大約5.5%；另外得知，O形圈的等效應(yīng)力比X形圈的大，而其接觸應(yīng)力則比X形圈的小。

2.3 上滑動應(yīng)力分析

兩種密封圈在向上滑動狀態(tài)下應(yīng)力隨溫度變化情況如圖4所示。其中，圖 （a）為其等效應(yīng)力隨溫度的變化情況，圖 （b）為其接觸應(yīng)力隨溫度的變化情況。

圖4 密封圈向上滑動應(yīng)力變化圖

從圖4可知，密封圈向上滑動時，O形圈的等效應(yīng)力較大，X形圈的接觸應(yīng)力較大；上述應(yīng)力隨溫度的增大而增大，最大幅度約7.5%。

2.4 下滑動應(yīng)力分析

兩種密封圈在向下滑動狀態(tài)下的應(yīng)力隨溫度變化如圖5所示。其中，圖（a）為其等效應(yīng)力隨溫度的變化情況，圖（b）為其接觸應(yīng)力隨溫度的變化情況。

圖5 密封圈向下滑動應(yīng)力變化圖

從圖5可知，密封圈向下滑動時，X形圈的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力均大于O形圈的；O形圈的應(yīng)力基本不變，X形圈的應(yīng)力隨溫度增大而增大，增幅最大約5.5%。密封圈向上滑動狀態(tài)的各種應(yīng)力值都比向下滑動狀態(tài)的應(yīng)力值要小。

3 結(jié)論

綜上所述，可得以下結(jié)論：

1）隨著溫度的增大，密封圈的接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力基本上是增大的，變化幅度都小于7.5%。

2）溫度變化對X形圈應(yīng)力的影響比對O形圈的大。

3）各工況下X形圈的接觸應(yīng)力均大于O形圈，密封性能更好。