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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)生熱膨脹及應力松弛并導致失效的情況，利用有限元軟件分析比較考慮溫度時和不考慮溫度時O型圈的應力及應力隨著時間的松弛情況，并使用響應面法，計算出O型圈的剪切破壞失效、密封失效及多失效的可靠度。結果表明: 高溫對O型圈的應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小；O型圈的多失效可靠度前期急劇減小然后基本達到穩(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)是機械裝置的重要組成部分，并且廣泛應用于核、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”號航天飛機的右側固態(tài)推進器上面的一個O型圈失效，導致了航天飛機的爆炸解體。
通常，O型圈由高分子材料橡膠組成，其設計與分析涉及固體力學、摩擦學、高分子材料學、熱力學及機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形圈進行分析。O型圈通過被壓縮發(fā)生大變形，從而產生應力來實現(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型圈的剪切強度的前提下，其最大接觸應力至少要大于密封介質的壓力。影響O型圈應力的因素很多，包括密封結構參數(shù)如壓縮率、結構尺寸參數(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)介質的壓力越大，接觸應力和Mises 應力越大；O型圈與軸之間的最大接觸應力隨著壓縮率、油壓的增加而增加，但在油壓一定的情況下Mises 應力并不總是隨壓縮率的增加而增加的結論；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力的影響較大，而密封槽槽口和槽底處倒角半徑對剪切應力影響明顯； 分析了摩擦因數(shù)對剪切應力的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)越大剪切應力越大。在實際工程應用中，密封系統(tǒng)中的密封介質的溫度往往較高，而溫度的提升會造成O型圈應力的變化，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型圈松弛的特性進行O型圈的壽命加速試驗，Hyung-Kyu Kim 等通過試驗比較了高溫對O型圈的最大接觸應力和剪切力的影響。相對于試驗來說，利用有限元軟件對橡膠密封圈O型圈進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。但是在O型圈在承載的過程中會伴隨著大變形及大應變，如果在同時考慮溫度對應力的影響，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雜。因此，使用有限元軟件對溫度影響下的O型圈進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行適當?shù)暮喕治鰷囟葘?span style="font-family:SimSun;font-size:16px;line-height:24px;white-space:normal;">O型圈Mises 應力、最大接觸應力及其松弛速率的影響，將溫度場、壓縮率和介質壓力作為主要影響因素，并利用響應面法計算O型圈在松弛過程中的可靠度，對高溫介質中使用的橡膠密封圈O型圈的理論分析和實際工程應用有一定的參考價值。
1、O型圈的熱- 固耦合分析
由于溫度會導致O型圈結構的熱膨脹從而引發(fā)應力的變化，因此O型圈的應力分析包括熱分析和結構分析，熱分析包括缸體及O型圈由溫差造成的傳導換熱，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； 結構分析包括對O型圈的所有節(jié)點的Mises 應力分析和接觸面的接觸應力分析。本文作者同時考慮熱分析和結構分析，將傳導換熱、對流換熱、熱輻射與有限元結構分析相結合，對O型圈進行熱- 固耦合分析。
4、結論
(1) 溫度使O型圈的Mises應力和接觸應力變大，并加速橡膠密封圈O型圈應力的松弛。
(2) 選取溫度、介質壓力和壓縮率作為主要影響因素，使用響應面法對O型圈松弛時的各個時刻的可靠度進行計算，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)是機械裝置的重要組成部分，并且廣泛應用于核、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”號航天飛機的右側固態(tài)推進器上面的一個O型圈失效，導致了航天飛機的爆炸解體。
通常，O型圈由高分子材料橡膠組成，其設計與分析涉及固體力學、摩擦學、高分子材料學、熱力學及機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形圈進行分析。O型圈通過被壓縮發(fā)生大變形，從而產生應力來實現(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型圈的剪切強度的前提下，其最大接觸應力至少要大于密封介質的壓力。影響O型圈應力的因素很多，包括密封結構參數(shù)如壓縮率、結構尺寸參數(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)介質的壓力越大，接觸應力和Mises 應力越大；O型圈與軸之間的最大接觸應力隨著壓縮率、油壓的增加而增加，但在油壓一定的情況下Mises 應力并不總是隨壓縮率的增加而增加的結論；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力的影響較大，而密封槽槽口和槽底處倒角半徑對剪切應力影響明顯； 分析了摩擦因數(shù)對剪切應力的影響，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)越大剪切應力越大。在實際工程應用中，密封系統(tǒng)中的密封介質的溫度往往較高，而溫度的提升會造成O型圈應力的變化，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型圈松弛的特性進行O型圈的壽命加速試驗，Hyung-Kyu Kim 等通過試驗比較了高溫對O型圈的最大接觸應力和剪切力的影響。相對于試驗來說，利用有限元軟件對橡膠密封圈O型圈進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。但是在O型圈在承載的過程中會伴隨著大變形及大應變，如果在同時考慮溫度對應力的影響，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雜。因此，使用有限元軟件對溫度影響下的O型圈進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行適當?shù)暮喕治鰷囟葘?span style="font-family:SimSun;font-size:16px;line-height:24px;white-space:normal;">O型圈Mises 應力、最大接觸應力及其松弛速率的影響，將溫度場、壓縮率和介質壓力作為主要影響因素，并利用響應面法計算O型圈在松弛過程中的可靠度，對高溫介質中使用的橡膠密封圈O型圈的理論分析和實際工程應用有一定的參考價值。
1、O型圈的熱- 固耦合分析
由于溫度會導致O型圈結構的熱膨脹從而引發(fā)應力的變化，因此O型圈的應力分析包括熱分析和結構分析，熱分析包括缸體及O型圈由溫差造成的傳導換熱，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； 結構分析包括對O型圈的所有節(jié)點的Mises 應力分析和接觸面的接觸應力分析。本文作者同時考慮熱分析和結構分析，將傳導換熱、對流換熱、熱輻射與有限元結構分析相結合，對O型圈進行熱- 固耦合分析。
4、結論
(1) 溫度使O型圈的Mises應力和接觸應力變大，并加速橡膠密封圈O型圈應力的松弛。
(2) 選取溫度、介質壓力和壓縮率作為主要影響因素，使用響應面法對O型圈松弛時的各個時刻的可靠度進行計算，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型圈由于摩擦產生的熱量對O型圈的應力及可靠性產生的影響將是后續(xù)研究的一個方向。
