O形圈密封 篇1
供氧系统作为空间站环控生保分系统中的重要组成部分,主要作用在于保证舱内的氧气供给,给航天员创造一个舒适的空间环境。供氧系统中的截止阀作为供氧系统的重要单机,起着氧路系统的开启及关闭功能。用于微重力状态下的截止阀,其特殊的使用环境决定了截止阀应该具有快速关闭、较好的工效学(操作力矩小)、轻量化、密封性能优良、高可靠性等优点。
旋塞阀因其具有扭矩小、四分之一圈操作、结构简单、设计紧凑等优点,能可靠地关断正向流动压力可达20MPa的流体,被应用于环控生保分系统供氧系统中。旋塞阀利用柱面O形圈实现阀门的开启与关闭,进而对供氧系统进行通断控制[1]。
因此,研究旋塞阀柱面O形密封圈密封性能机理,提高旋塞阀密封性能,具有一定的实际意义。
随着计算机性能的提高,数值计算方法、材料学以及大型有限元分析软件的发展,利用非线性有限元对密封件在安装和使用中的高度非线性接触问题进行研究成为可能。本文利用ABAQUS软件对旋塞阀柱面O形圈密封性能进行研究。
1 旋塞阀简介
供氧系统中用于开关控制的旋塞阀结构如图1、图2所示,图1代表旋塞阀的关闭状态,图2代表旋塞阀的开启状态,将阀芯逆时针旋转90°实现旋塞阀由关闭到开启状态切换。
2 仿真方案
2.1 模型简化
根据旋塞阀实际结构的接触关系和边界条件,有限元模型经过适当简化,如图3所示。
1)阀体、阀芯均采用实体单元,网格划分采用10节点的四面体单元C3D10;
2)阀体保留主体部分的一半,以方便施加预压缩量;
3)认为柱面O形圈的橡胶材料为不可压缩材料,橡胶圈也采用实体单元,网格划分采用10节点的四面体单元C3D10。
2.2 材料模型及参数的确定
阀体和阀芯的材料为316L不锈钢,弹性模量为200GPa,泊松比0.3,密度7850kg/m3。
柱面O形圈的本构关系采用Mooney-Rivlin模型来描述,Mooney-Rivlin模型用于描述其在50%~150%应变范围内的变形,有着比较高的精度,完全能够满足橡胶材料的计算需求[2],其简化后的两参数Mooney-Rivlin模型为:
其中,W为修正的应变势能;C10、C01为材料常数(Mooney-Rivlin常数);I1、I2为应力张量的第1、第2不变量。
C10和C01可以通过橡胶的硬度来确定,将橡胶的邵氏硬度HA,代入公式(2):
对于不可压缩材料,弹性模量E满足:
表1[3]给出了不同硬度时C10与C01的比值,根据表1和式(2)~式(3)可以确定不同硬度下橡胶的C10和C01值,如表2所示。
2.3 载荷及工况
计算过程中,载荷分为两步:
第一步为预压缩,在阀体平面上施加指定位移,计算在预压缩量下,柱面O形圈的预应力分布以及O形圈与阀体阀芯的接触应力;
第二步为阀芯旋转,阀芯绕中心轴以指定的角速度进行旋转,模拟阀的开启与关闭;
根据整个过程的变形与应力分布来考察密封圈的密封性能。
2.4 密封失效准则
密封失效采用以下两种准则[4]:
1)最大接触应力准则
根据密封理论,实现可靠密封的充分必要条件是O形圈与阀体阀芯的接触应力不小于被密封压力(即介质压力)。
2)剪切应力准则
密封圈在旋转的过程中容易产生应力集中,如果其应力超过橡胶材料的剪切强度,密封圈可能会被剪断,造成密封失效。保证密封不失效,剪切应力应满足:
其中,(σij)max为O形圈受到的最大剪应力,[τb]为O形圈材料的许用抗剪强度。
3 计算结果
首先对柱面密封的整个过程进行仿真,计算参数选取如下:
1)柱面O形圈压缩量20%,硬度60;
2)柱面O形圈与阀体之间的摩擦系数0.3;
3)阀芯转速1rad/s,旋转角度0.6rad。
预压缩结束和阀芯旋转结束时,柱面O形圈的等效应力分布如图4所示。
整个过程中,等效应力随时间的变化情况如图5所示。
从以上结果可以看出,在预压缩和阀芯旋转两个载荷步中,等效应力均随时间呈上升趋势。
本文选取了3个工况,对不同密封圈硬度、摩擦系数、阀芯旋转速度进行仿真,考察不同参数对柱面密封性能的影响。分析采用的参数如表3所示。
3.1 不同转速
考察阀芯的不同转速对柱面O形圈密封性能的影响,对3种转速(1rad/s、2rad/s、4rad/s)下柱面密封情况进行了仿真计算。其中,摩擦系数取0.3,橡胶硬度取60。
最大应力的计算结果如表4所示。
从表4可以看出,当转速大于2rad/s后,应力趋于稳定,其后受转速的影响很小。
最大等效应力2.14MPa,相对于橡胶材料的破坏强度(氯丁橡胶23~27MPa)很小;最大剪切应力0.98MPa,与抗剪强度(4.6MPa)相比,也很小;最小接触应力2.48MPa,可以保证压力小于2MPa的情况下,密封不会失效。
3.2 不同摩擦系数
计算橡胶圈与阀芯之间不同的摩擦系数对密封性能的影响。选取3组摩擦系数(0.1、0.2、0.3),取转速1rad/s,橡胶硬度60,进行仿真。结果如表5所示。
从表5可以看出,当摩擦系数小于0.2时,最大应力之间的差距不大;当摩擦系数变大(超过0.3)后,橡胶圈的等效应力和剪应力有较大提高,而接触应力并没有很大提升,可以说明摩擦系数存在一个合理的值,此时,橡胶圈内的应力不会导致橡胶圈的破坏,还可以一定提高密封性能。
3.3 不同橡胶硬度
分析橡胶的不同硬度(HA=60、70、80)对密封性能的影响。计算时,摩擦系数取0.3,转速取1rad/s。
不同硬度的橡胶圈的应力结果如表6所示。
从上表可以看出,各应力受橡胶硬度的影响很大,橡胶的硬度越高,应力也越大。
最大等效应力4.99MPa,相对于橡胶材料的破坏强度(氯丁橡胶23~27MPa)较小;最大剪切应力1.93MPa,与抗剪强度(4.6MPa)相比,也不大。
虽然较高硬度的橡胶可以提高密封性能,但是也会产生较大的应力,可能引起橡胶圈本身的破坏。
4 结论
通过对柱面O形圈的仿真分析,可以得到以下结论:
1)在阀芯的旋转过程中,应力随转角呈上升趋势;
2)阀芯转速超过一定值后,O形圈的密封性能不会改变,大转速不会引起密封失效;
3)摩擦系数存在一个合理的值,选取0.2~0.3较为合适;
4)较高硬度的橡胶可以提高密封性能,可以选择硬度在70~80范围内橡胶材料。
参考文献
[1]世伟洛克产品目录[Z].2011.
[2]周志鸿,张康雷,李静,等.O形橡胶密封圈应力与接触压力的有限元分析[J].润滑与密封,2006,31(4):86-89.
[3]郑明军.橡胶件的静、动态特性及有限元分析[D].北京:北方交通大学,2002.
O形圈密封 篇2
【关键词】中径胀大；线径减少
0.前言
现有的“o”型密封圈尺寸分档次，型号不好选择，密封圈内径胀大对线径变化关系的推论是为了选择合适的标准的现有的“o”型密封圈。也就是直径拉大线径变化的公式，这样能有效的控制线径的压缩量。
1.推导程式
设：“o”型密封圈线径为d，内径为D，中经为D0。
则： D0=D+d （1）
若内径胀大△D，则中径胀大△D0，线径减少-△d
则 D0+△D0= D+△D+d-△d （2）
由（1）式得 △D0=△D-△d （3）
由于中径胀大和线径减少，“o”型密封圈线体积保持不变，则：
1/4Π（d-△d）2xΠ（D0+△D0）= 1/4Πd2xΠD0
（d2-2△dd+△d2）（ D0+△D0）= d2D0
略去△d2得（微量忽略不计）
（d2-2△dd）（D0+△D0）= d2D0
d2D0+d2△D0-2△ddD0-2△dd△D0=d2D0
略去2△ddD0得（微量忽略不计）
d2△D0=2△ddD0
d△D0=2△dD0 （4）
将（1）（3）带入（4）
d（△D-△d）=2△d（D+d）
d△D=[2（D+d）+d]△d
△d=-d△D/（2D+3d） （5）
例1：D=45 d=3.55△D=1.4
代入（5） △d=1.4x3.55/（2x45+3x3.55）=1.4x3.55/100.65=0.049
内径45线径3.55的密封圈内径胀大1.4情况下，线径则缩小0.049
例2：D=17.2 d=2.4 △D=1.2
△d=1.2x2.4/（2x17.2+3x2.4）=1.2x2.4/41.6=0.069
内径17.2线径2.4的密封圈内径胀大1.2情况下，线径则缩小0.069
事实上由于内径胀大，“o”型密封圈对零件沟槽有压力，当“o”型密封圈发生压缩变形，“o”型密封圈外径还要压缩。
2.结论
由此得出：由于内径胀大，“o”型密封圈外径缩小由两部分构成
①由于“o”型密封圈线径压缩造成，由公式（5）计算；
②由于“o”型密封圈内径与工件压缩变形造成的。
所以在设计时“o”型密封圈内径扩张量不能太大。合适范围应在0.2-0.4mm之间，则线径缩小控制在0.01左右。
【参考文献】
[1]O型圈规格表（GB3452.1-92）.
O型密封圈的材料 及其优劣 篇3
具有良好的抗腐蚀、抗撕裂和抗压缩变形等特性，耐臭痒、耐阳光、耐油性等较好。比丁氰橡胶有更佳的抗磨性。适用在洗涤机械、汽车发动机系统和新型环制冷系统中。不适合使用于醇类、酯类和芳香族的溶剂中。正常使用温度范围为-40℃~150℃。NBR（丁氰橡胶）密封圈
应用于石油系液压油、甘醇系液压油、汽油、水、硅润滑脂、硅油等多种介质中使用。是目前用途最为广泛、成本最低的橡胶密封材料。不适用于极性溶剂，如酮类、臭痒、硝基烃、MEK与氯仿。正常使用温度范围为－(yu3 lv4 fang3 _zheng4 chang2 shi3 yong4 wen1 du4 fan4 wei2 wei4 _)40℃~120℃。
SIL（硅橡(_gui xiang)胶）密封圈
具有优秀的耐热、耐寒、耐臭痒、抗大气老化等性能。有良好的绝缘性。但是抗拉强度比一般橡胶差，并且不具耐油性。适用于家用电热水器、电熨斗、微波炉等家电产品，还适用于多种和人体皮肤有间接接触的用品，如水壶、饮水机等。不建议在大部分浓缩溶剂、油品、浓酸和氢痒化钠中使用。正常使用温度范围为-55℃~250℃。VITON（氟素橡胶）密封圈
耐高温性优于硅橡胶，有优秀的耐候性、耐臭痒性和耐化学性，但耐寒性不佳。对于多数油品、溶剂都具有抵抗能力，尤其是抗酸类、脂族烃及动植物油。可用于柴油发动机、燃料系统及化工厂的密封需求。不适合使用在酮类、低分子量的酯类及含硝的混合物。正常使用温度范围为-20℃~220℃。FLS（氟硅橡胶）密封圈
它的性能兼有氟素橡胶及硅(ta1 de0 xing4 neng2 jian1 you3 fu2 su4 xiang4 jiao1 ji2 gui1)橡胶的优点，在耐油、耐溶剂、耐燃料油及耐高低方面的温性均佳。能抵抗含痒的化合物、含芳香烃的溶剂及含氯的溶剂的侵蚀。可用于航空航天及军事用途。不适合暴露于酮类及刹车油中。一般使用温度范围为-50℃~200℃。
EPDM（三元乙丙橡胶）密封圈
有很好的耐候性、耐臭痒性、耐水性和耐化学性。适用于醇类及酮类，还可用于高温的水蒸气环境的密封。适用在卫浴设备、汽车散热器及汽车刹车系统中。不适合用在食品用途或是暴露于矿物油之中。一般使用温度范围为-55℃~150℃。CR（氯丁橡胶）密封圈
耐阳光、耐天候性能极佳。可用在二氯二氟甲烷和氨等制冷剂，耐稀酸、耐硅脂系润滑油，但在苯胺点低的矿物油中膨胀量大。在低温时易结晶、硬化。可适用于各种接触大气、阳光、臭痒的环境及各种耐燃、耐化学腐蚀的密封环节。不适合使用在强酸、硝基烃、酯类、氯仿及酮类的化学物之中。一般使用温度范围为-55℃~120℃。IIR（丁基橡胶）密封圈
气密性极佳，耐热、耐阳光、耐臭痒性好，绝缘性能佳；对极性溶剂如醇、酮、酯等有良好的抵抗能力，可暴露在动植物油或痒化物中。可应用于耐化学药品或真空设备。不适合与石油溶剂、煤油或芳烃同时使用。一般使用温度范围为-50℃~110℃。
ACM（丙稀酸脂橡胶）密封圈
对油类有优秀的(dui you lei you you xiu de)抵抗力，耐高温、耐候性均好，但在机械强度、压缩变形率及耐水性方面稍差。一般用于汽车传动系统及动力转向系统之中。不建议用于热水、刹车油、磷酸酯之中。一般使用温度范围为-25℃~170℃。Nr（天然橡胶）密封圈
拥有很好的耐磨性、弹性、扯断强度及伸长率。但在空气中容易老化、遇热变粘，在矿物油或汽油中易膨胀和溶解，耐碱但不耐强酸，可用于在汽车的车油，乙醇等含有氢痒根离子的溶液中，正常使用温度范围为-20℃~100℃。Pu（聚氨酯橡胶）密封圈
聚氨酯橡胶的机械性能极好，耐磨、耐高压性能都优于其他橡胶。耐老化性、耐臭痒性、耐油性也好，但遇高温易水解。可适用于耐高压、耐磨损密封环节，如液压缸。一般使用温度范围为-45℃~90℃。FFKM（全氟橡胶）密封圈
非常优秀的耐化学腐蚀性能，耐酸、碱、酮、酯、醚、强痒化剂等绝大多数已知的化学品。最高耐热可到300℃。通常用于解决复杂环境的密封问题，价格比一般橡胶材质的高出近百倍，非常昂贵，当然密封效果好，并且可使用于非常严格的环境中，无可代替。PTFE(聚四氟乙烯）密封圈