該文首先簡要介紹了密封圈工作過程對密封性能的幾個影響因素。隨后以水下用高壓艙的O形橡膠圈密封(以下簡稱O 形圈)過程為分析實例，采用ansys 建立密封截面的工作模形，其中O 形圈采用超彈性體單元hyper56 模擬，密封艙體端面采用剛性單元模擬。通過改變密封截面的參數(shù)和介質(zhì)壓力，計算出了不同參數(shù)下的仿真結(jié)果。最后分析仿真結(jié)果總結(jié)了幾個密封影響因素對密封性能的影響機理，提出如何提高O 形圈密封性能的改進方向。

引言

　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，O 形橡膠圈密封作為一種結(jié)構(gòu)簡單而且緊湊的自緊式密封，在中、高壓密封領(lǐng)域有著廣泛使用。

　　但是O 形圈在密封槽內(nèi)的變形十分復(fù)雜， 分析求解密封界面密封壓力分布及大小非常困難， 憑借經(jīng)驗設(shè)計的可靠性往往不高， 一旦密封失效會造成巨大損失。雖然利用高壓釜壓力實驗?zāi)軐�O 形圈的密封性能進行驗證，但需要制造試驗樣品，另外無法得到密封圈的變形情況和接觸應(yīng)力的分布情況， 無法確定使用狀態(tài)是否處于臨界或者還有較大裕度， 所以借助有限元仿真工具分析求解密封圈的密封工作狀態(tài)， 研究O 形圈工作過程中的影響因素和影響機理， 對指導(dǎo)工程設(shè)計具有現(xiàn)實意義。

1、密封性能的影響

　　1)間隙的影響

　　密封間隙即密封端面裝配后， 兩密封相對面之間的縫隙，理論上的密封面設(shè)計都是無間隙的接觸，但是實際生產(chǎn)加工中存在加工面的形位誤差， 從而導(dǎo)致密封面裝配后一部分接觸面不可避免會出現(xiàn)間隙， 由于O 形圈相對于結(jié)構(gòu)件金屬來說屬于低剛性材料， 所以一定條件下間隙的大小會直接影響O 形圈的變形，因此密封間隙會影響O 形圈內(nèi)應(yīng)力大小分布和其與密封面的接觸應(yīng)力。

　　2)壓縮率的影響

　　O 形圈的密封能力與壓縮率相關(guān)， 一般隨著密封壓力升高壓縮率也應(yīng)該相應(yīng)提高， 但是壓縮率仍需要控制在一定范圍內(nèi)， 過小的壓縮率密封壓力得不到保證， 過大的壓縮率又容易造成密封圈變形過大長時間使用逐漸失去彈性而失效。

2、密封實例仿真研究

　　1)初始參數(shù)設(shè)定下密封效果的仿真

　　對于某密封端面密封槽的尺寸， 使用的O 形橡膠密封圈參數(shù)是φ=7mm， 硬度邵氏70°， 其強度極限為14MPa，初始狀態(tài)壓縮率約為η=15%。假設(shè)需要密封的介質(zhì)壓力為5MPa，密封面由于加工等級不高，密封結(jié)構(gòu)裝配后所造成的密封面間隙δ=0.4mm。仿真分析此時O 形圈工作過程中的密封接觸應(yīng)力大小及其內(nèi)應(yīng)力大小及其分布。

　　建立密封面的工作模型，其中端面采用剛性單元，O 形圈采用hyper56 單元，接觸面設(shè)為兩組，一組為O形圈與密封槽底面和右側(cè)面接觸對， 一組為O 形圈與密封端蓋的接觸對， 在接觸面的圓角區(qū)域出需要采用較小的網(wǎng)格劃分。經(jīng)測試該O 形圈的材質(zhì)參數(shù)分別為C01=0.56、C10=1.52， 彈性模量E=6.5MPa， 泊松比μ=0.499。以此為基礎(chǔ)進行計算。

　　經(jīng)計算液體介質(zhì)壓力為5MPa 時的接觸應(yīng)力和O形圈內(nèi)應(yīng)力如圖1 和圖2 所示， 由圖可以看出此時最大有效密封接觸壓力連續(xù)區(qū)間為7.675～8.771MPa，大于7MPa。密封圈的內(nèi)應(yīng)力最大為3.579～4MPa 左右，小于密封圈的強度極限，所以密封有效。

　　2)密封間隙對密封效果的影響

　　保持密封面裝配間隙δ=0.4mm 不變， 當(dāng)需要密封的介質(zhì)壓力升至18MPa 時再進行計算。由結(jié)果圖3 可知密封接觸壓力的最大有效值約為20MPa 左右， 大于18MPa。但由圖4 可以看出，此時O 形圈內(nèi)應(yīng)力最大值達到了14.1MPa，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在密封面處密封槽的過渡圓角處，這表明此時O 形圈結(jié)構(gòu)受到破壞。此時可能的后果有兩種，一種是立即發(fā)生密封泄漏，另一種是密封暫時沒有泄漏，但密封圈已損壞，持續(xù)較長工作時間將會發(fā)生泄漏或密封端面拆裝后將不能繼續(xù)重復(fù)使用。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為此時密封失效。

　　針對于此，壓力保持18MPa 且其他參數(shù)不變，提高密封端面的加工等級， 將此時密封面裝配間隙減小至δ=0.2mm，再進行仿真計算。

　　將仿真后的結(jié)果圖5 與圖3 對比， 可以看出密封的有效接觸應(yīng)力基本保持不變， 但是對比圖6 與圖4可以看出O 形圈的最大內(nèi)應(yīng)力由14.1MPa 減小到7.6MPa 左右。此時無論從密封的有效接觸應(yīng)力和O 形圈的強度兩方面來說，密封結(jié)果均有效。

　　3)壓縮率的對密封效果的影響

　　在O 形圈的內(nèi)應(yīng)力不超過其強度極限條件下，密封性能主要取決于O 形圈外表與密封接觸面接觸時正反作用力的應(yīng)力大小。在小的密封介質(zhì)壓力下，O 形圈的壓縮變形率即使較小， 接觸面上的接觸應(yīng)力也能夠滿足密封要求，對于小壓力密封，尤其是徑向密封，保持壓縮率在10%～15%之間，即可以滿足使用要求又可以減小裝配難度。

　　但在大壓力下，O 形圈的變形受密封截面形狀影響較大，因此分析壓縮率對密封結(jié)果的影響機理，需選擇在保持密封間隙相同的條件下， 比較不同壓縮率下的接觸應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力變化。

　　保持其他參數(shù)不變，壓縮率η=15%，密封介質(zhì)壓力為p=40MPa 下計算得到如圖7、圖8 的應(yīng)力分布圖，由于可知此時O 形圈內(nèi)應(yīng)力由于圓角處的大變形， 內(nèi)應(yīng)力過高損壞，密封失效。提高壓縮率η=20%，后計算得到密封介質(zhì)壓力下的接觸應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力圖如圖9、圖10。對比η=15%時的結(jié)果可知，增大壓縮率，即增大O形圈的預(yù)變形量，O 形圈工作時最大內(nèi)應(yīng)力的值也同時降低，且此時的密封接觸有效應(yīng)力明顯提高。

3、分析結(jié)論

　　(1)在其他參數(shù)不變的前提下，O 形圈的密封面由于加工誤差導(dǎo)致的間隙在一定范圍內(nèi)對密封性能影響很大。

　　具體表現(xiàn)在，在較小密封介質(zhì)壓力下，當(dāng)密封圈的擠壓變形部位未接觸到密封間隙處時，影響可以忽略，但隨著密封介質(zhì)的壓力升高，密封圈開始接觸到密封面的加工間隙處時，密封圈的變形嚴(yán)重擠壓扭曲，這時就會超過密封圈的強度極限，從而破壞密封圈的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致密封失效。這可以理解為密封間隙越小，則在同樣密封介質(zhì)壓力下，密封圈越不容易擠入縫隙中，從而決定了O 形圈的變形不會過大， 因而也不會超過其強度極限。

　　反之即使在較小的介質(zhì)壓力下，由于間隙過大O 形圈被擠入密封間隙中，變形量會變的很大，則O形圈也發(fā)生破壞。所以為了保障密封的有效性， 尤其是在大的密封壓力下，提高加工精度，減小密封面的間隙值，可以提高密封性能。同樣也提示我們，在相同加工精度下，小尺寸的密封面產(chǎn)生的配合間隙會比大尺寸的密封面的間隙小，所以小的密封面容易實現(xiàn)更高壓力的密封，但是大尺寸的高壓密封難以保障。

　　(2)從仿真看出，O 形圈的壓縮率直接影響密封面的接觸應(yīng)力大小，即最大密封壓力，當(dāng)O 形圈的壓縮率較低時，在小的密封介質(zhì)壓力下，密封尚且可靠，但當(dāng)壓力升高到一定程度時， 密封面的接觸應(yīng)力已達不到密封的需要，密封失效。

　　這其中的原因主要是因為O 形圈屬于超彈性體材料制造，預(yù)壓縮率過小，導(dǎo)致初始接觸應(yīng)力較小，在介質(zhì)壓力的作用小，豎直方向的變形量仍然較小，導(dǎo)致接觸應(yīng)力達不到密封要求。同時，相對于較大的壓縮率， 壓縮率過小也會導(dǎo)致在其他條件相同時O 形圈更容易被擠入密封面配合間隙中， 從而導(dǎo)致O 形圈內(nèi)應(yīng)力過大而損壞。因此O 形圈工作時的壓縮率對于提高密封性能十分重要。