O形旋转密封圈的密封性能有限元分析_蒋国璋

航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析近年来，航天器开发技术取得了长足的进步，密封系统也成为航天器中功能性和结构性部件的关键组成部分之一。

O形密封圈是常用的一种机械密封方式，它的特点是在满足弹性要求的情况下，可以起到良好的密封效果。

本文主要介绍O形密封圈的有限元分析方法，并结合有限元分析的结果，对不同的密封圈进行对比分析，为进一步提高航天任务的可靠性提供参考。

O形密封圈是一种由金属圈和橡胶垫片组成的机械密封结构。

金属圈是一种圆形金属垫片，用于支撑橡胶垫片，而橡胶垫片则可以形成良好的密封效果。

这种密封结构由金属圈和橡胶垫片两部分组成，而其组合方式又分为全金属组合和非金属桥接组合。

就其支撑面来讲，O形密封圈可分为：圆形支撑面、平面支撑面、管状支撑面、矩形支撑面以及其他形状支撑面。

同时，根据其金属圈的材料和结构参数，O形密封圈也分为大弹性、中弹性、小弹性和耐高温类型。

为了评价航天器中O形密封圈的可靠性，必须采用有限元分析的方法来模拟。

有限元分析可以准确地模拟该结构的受力和变形特性，可以准确地得出橡胶垫片的模量和弹性系数，从而准确地模拟出其完整的机械性能。

通过有限元分析，可以得出不同密封圈的完整的机械性能和可靠性数据，并可以进行对比分析。

在不同的操作条件下，比较不同密封圈的力学性能及可靠性，以评估其能否满足航天器要求。

经过有限元分析，可以得出不同密封圈的力学性能，并可以进行分析对比。

比如，有一种O形密封圈具有大弹性，可以很好地抵抗外部力的冲击，同时具有很好的密封效果；而另一种O形密封圈则具有小弹性，能够更好地抵抗各种振动，但它的密封性能会稍逊一筹。

总之，本文介绍了O形密封圈的有限元分析方法，并结合有限元分析的结果，对不同的密封圈进行对比分析，为进一步提高航天任务的可靠性提供参考。

综上所述，通过科学有效的密封结构设计，可以提高航天器中O形密封圈的可靠性。

航天器中一种典型o形密封圈的有限元分析中国近年来发展的航天技术已取得了巨大的进步，无论是在航天器的设计过程中，还是在航天器制造过程中，技术的发展取得了巨大的成就。

航天器的设计是一个复杂的过程，其中关键的部件之一就是密封圈，它是航天器制造的重要组成部分，起着重要的作用。

因此，密封圈如何设计和分析成为了航天器设计过程中至关重要的问题。

在航天器设计过程中，有一种典型的O形密封圈受到了广泛的关注，这种密封圈是由一条O形型的弹性环和一排放射形钉所构成，它们能够形成一个重要的密封和连接机构。

密封圈的设计必须确保其具有良好的性能，因此，密封圈的分析成为航天器设计过程中的一个重要方面。

有限元分析是用来计算复杂结构力学特性的一种算法。

它是以网格模型为基础，以节点为元素，通过网格划分复杂结构，定位节点所代表的结构元素，并对节点处的力学场进行分析和数字模拟，来预测结构的力学性能。

有限元分析在航天器设计中得到了广泛的应用，能够有效地预测结构的力学行为，节省大量的计算时间和资源。

本文的目的是使用有限元分析技术对航天器中的一种典型O形密封圈进行分析。

首先，将O形密封圈的几何特征详细地建模出来，用Abaqus有限元分析软件来建立有限元模型，并确定有限元模型的各个参数。

其次，有限元分析中的网格划分也是很重要的，因此，我们需要使用网格分析软件对O形密封圈的特征进行精细网格划分，以便对密封圈的数值模拟进行分析。

最后，利用网格划分并建立的有限元模型，在Abaqus软件中进行有限元分析，得到计算结果，也就是O形密封圈的受力分析结果，然后根据计算结果对密封圈的设计进行修改，以改善密封性能和使用寿命。

以上就是本文对航天器中一种典型O形密封圈的有限元分析的简要介绍。

有限元分析对于航天器设计有着至关重要的作用，它能够有效地预测结构的力学性能，提高设计质量，降低设计成本。

0 引言O形橡胶密封圈是在机械制造业地位举足轻重，O形橡胶密封圈因其制造简单、成本低廉、安全可靠、使用广泛且对于其他与之衔接的零部件摩擦力较小，一直备受企业青睐。

因此，O形橡胶密封圈作为使用年限最久远的密封元件，在我国国民经济总体进程中发挥着至关重要的作用。

然而，橡胶密封元件在生产中的失效情况也愈发严重，其后果会对环境能源造成污染，并导致机械发生故障等情况。

因此，本文对O形橡胶密封圈的失效成因及如何提高橡胶密封元件的成功几率提出相应的看法。

1 O形橡胶密封圈的密封原理分析1.1动态密封O形橡胶密封元件的密封原理可以分为动态密封和静止密封2种。

首先来说动态密封，动态密封的表现形式主要呈螺旋状循环往复的运动。

其中公式表现为Q∞（δ△P/γVb±V2δ）d/F （H）气公式中动态密封泄漏量用9表示；密封间隙的始末端压力差用△P表示；轴径为d; O 形橡胶圈接角臾竞度为b；液膜厚度为σ；液体密度γ；液体运动粘度为v。

由上述公式可以得出，O形橡胶圈中动态密封泄漏量与轴径大小、O形橡胶圈接触宽度以及O形橡胶圈勘虫硬度有关。

当O形橡胶圈接触低摩擦运动时，轴的运动速度v可以近似取0值，此时O形像胶圈的中动态密封泄漏量将与轴径大小成正比，与接触度及密封件硬度的大小成反比。

1.2静止密封其次来讲静止密封，静止密封的原理是将O形橡胶圈装入密封沟槽后受到一种初始压缩力的作用。

这种压缩力提供了初始密封压力，用Pv表示，它与密封圈、沟槽深度与径向间隙的相关尺寸有着密切的联系。

当密封腔冲入液体时，在压力P的作用下O形橡胶圈会移至沟槽的一边，并封闭密封间隙S，此种的变现公式为：Pω）=P∞+D +KP。

由于在实际静止过程中，密封压力大于流动压力。

因此，O形橡胶圈存在初始压力，并能够实现静态无泄漏密封。

2 O形橡胶密封圈常见的失效原因及应对措施2.1材料方面O形橡胶密封圈在原材料上导致失效的原因，具体表现在生产过程中的选材不当以及材料本身就存在质量问题。

O型圈基本性能介绍一、概述1、橡胶密封制品是以橡胶为基材制造的，用于防止流体介质从机械、仪表的静止部件或运动部件泄漏，并防止外界灰尘、泥沙及空气进入密封机构内部的部件。

密封装置由橡胶密封制品、润滑介质、安装腔体三部分组成。

橡胶制品的质量直接影响各种密封装置的使用性能，一旦失灵，可能会导致恶性事故，如航天飞机、井下作业等。

2、分类隔膜衬垫气动用系统液压系统O型圈真空系统橡胶密封制品精细系统往复运动密封件旋转轴唇密封件其它模压密封件专用密封件3、橡胶密封件的原理及理沦①泄漏、渗漏、的区别橡胶密封件受压缩而产生的反弹力叫密封力，其作用是防止泄漏介质通过静密封面表面漏出来的现象叫泄漏。

介质通过密封材料机体“毛细管”孔道渗出来的叫渗漏。

②密封性能与物理性能的关系密封性能及所谓的密封力与材料弹性有，而且随压缩量和温度、时间而变化。

a. 与硬度的关系随橡胶硬度增大，橡胶的模量（定件应力）增大，可以避免高压流体将密封件从根部挤出，高硬度橡胶、密封件可以在介质压力相当高的范围内，不加挡圈也可使用。

b. 与剪切模量的关系杨氏模量（相当于剪切模量的3倍），因温度而发生变化。

这是根据应变速度而变化的，所以轴速越高，应变速度也高，杨氏模量变大，会导致泄漏或橡胶表面硬化和龟裂。

c. 与压缩变形的关系压缩变形是在恒定的应力和温度条件下，硫化胶试样发生的结构流变行为，是在应力除去后呈现的永久变形。

产生原因：①原始空间网络结构逐渐被破坏，力图恢复的弹性力逐渐下降。

②借助新形成的交联键，构成固定变形状态下的新结构网。

压缩变形的增大，意味着密封力的减小。

当永久变形达到一定程度，密封力会丧失，导致密封泄漏。

d. 与介质、高低温、耐腐蚀等均有要求。

二、O型圈的生产工艺流程三、O型圈的设计原则及结构参数1、材料以合成橡胶为主，其中NBR、FKM和NR为主要原料。

在各种标准中，以硬度和压缩永久变形最为重要。

2、密封间隙密封间隙超过某一临界值时，则发生挤隙现象。

基于有限元的O形密封圈密封性能分析本文档格式为WORD,感谢你的阅读。

针对较为常用的O形橡胶密封圈，在有限元软件Abaqus中对其静密封性能进行了仿真模拟，并研究了介质压力、摩擦因数和预压缩量对密封圈密封性能的影响规律。

通过数值模拟可以实现对O形密封圈密封性能的预测，为密封圈的设计和应用提供了理论依据，同时也为其他结构密封圈的分析提供参考。

O形密封圈由于其结构简单、密封性能好且制造费用低，被广泛地应用于机床、船舶、汽车、航空航天、冶金、化工以及铁道机械等行业，一般安装在外圆或内圆上截面为矩形的沟槽内起密封作用，适用于静密封和往复运动密封。

O形密封圈是一种双向作用的密封件，安装时径向或轴向方向给定一定的预压缩，使其具备初始密封能力，再在系统压力作用下产生密封力，与初始密封力合成总的密封力，实现对系统的密封。

通常，为防止出现永久的塑性变形， O形圈允许的最大压缩量在静密封中约为30%，在动密封中约为20%。

在静密封中，无挡圈时， O形密封圈的最高工作压力可达20MPa。

由于影响 O形圈密封性能的因素较多，本文采用有限元软件Abaqus对静密封中的 O形圈的密封性能进行分析，并研究预压缩量、摩擦因素和介质压力对其密封性能的影响。

二、有限元模型1.材料参数O形密封圈采用的橡胶材料具有高度非线性，即几何非线性、材料非线性和接触非线性。

在分析之前，需要做以下假设：材料具有确定的弹性模量和泊松比；材料的拉伸和压缩蠕变性质相同；密封圈受到的纵向压缩视为有约束边界的指定位移引起的；蠕变不引起体积的变化。

2.几何模型密封圈及沟槽截面图，密封圈的材料为丁腈橡胶（NBR），其规格为150mm×5.33mm。

在Abaqus中建立活塞杆、凹槽和密封圈的二维轴对称模型，活塞杆和凹槽材料为40Cr，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。

分别建立密封圈与凹槽和活塞杆两组接触面，采用罚函数模拟面与面之间的接触，设定初始摩擦因数为0.2。

O型密封圈的特性与简介
O型圈的简介
生活中我们称密封圈，为O型圈与Y型圈，是以他的形状来定，O型密封圈是拥有圆形截面的环行橡胶密封圈.主要用于机械不见在静态条件下避免液体和睦体介质的泄漏.在
某些情形下. O型密封圈还能用做轴憧憬复运动和低速旋转运动的动态密封元件.依据不同的条件,可分辨抉择不同的资料与之相适应. O型密封圈通常选用时要尽量选用大截面的O圈.在雷同间隙的情况下. O型密封圈被挤入空隙的体积应该小于其被挤入的最大容许值。

对不同品种固定密封或动密封应用处合，o型密封圈为设计者供给了一种既有效又经济的密封元件。

o型圈是一种双向作用密封元件。

安装时径向或轴向方面的初始紧缩，赋予o型圈自身的初始密封才能。

由体系压力而发生的密封力与初始密封力合成总的密封力，它随系统压力的进步而提高。

o型圈在静密封场合，显示了凸起的作用。

然而，在动态的恰当场所中，o型圈也常被应用，但它受到密封处的速度和压力的限度。

密封圈的特性：
1.具有极好的密封性能，防水不漏。

2.保鲜效果好，完全无毒无味。

3.可置高强温下加热，不变形，不产生有害物质。

4.良好的抗拉力性能，经过专门检验测试。

5.长期使用不变黄不褪色。

6.耐电晕性，耐电弧性、耐高低温、耐老化性能好、耐高温性能、符合FDA及SGS标准。

O形密封圈的主要失效原因及其防治措施1.年龄失效：随着时间的推移，O形密封圈会因为老化而失去弹性。

这可能导致密封效果下降，甚至失去密封功能。

防治措施包括定期更换密封圈，避免使用过旧的密封圈。

2.机械磨损：O形密封圈可能会因为磨损而失效。

当密封圈与活塞、轴或密封座接触时，由于不正确的安装或操作不当，可能会出现摩擦和磨损现象。

为了防治这种失效，应确保正确安装密封圈，并避免不必要的摩擦。

3.化学腐蚀：一些化学物质（如溶剂、酸、碱等）可能会损坏O形密封圈的材料，导致密封圈的性能下降或失效。

防治措施包括在接触这些化学物质的环境中选择耐腐蚀的密封圈材料。

4.温度影响：O形密封圈在高温或低温环境中可能会失效。

高温可能会导致密封圈的硬化、老化和膨胀，而低温则可能导致密封圈变得过于硬性。

选择适用于特定温度范围的密封圈材料，并确保密封圈能够在所需温度范围内正常工作，是防治这种失效的有效措施。

5.压力过高或过低：当O形密封圈承受超过其设计压力的压力时，会发生压缩变形或破裂，导致密封圈失效。

相反，过低的压力可能导致密封圈无法完全密封。

防治措施包括根据应用要求选择合适的密封圈材料和设计。

6.安装错误：错误的安装可能导致O形密封圈受到过度压缩、拉伸或损坏，从而导致失效。

正确安装密封圈的方法包括确保密封圈与密封座或活塞的接触面干净、光滑，正确选择安装工具，避免过度拉伸或压缩密封圈。

除了以上所述的失效原因外，还有其他因素可能导致O形密封圈失效，如振动、侧向力、湿气等。

因此，在设计和使用O形密封圈时，需要综合考虑各种因素，并采取相应的措施进行防治。

总结起来，为了防治O形密封圈的失效，需要从材料选择、正确安装、适当维护等方面入手。

定期检查和更换老化的密封圈，选择合适的材料以适应不同的工作环境，确保正确的安装和操作方法，可以有效地延长O形密封圈的使用寿命并保持其良好的密封性能。

1994年10月收到;1994年12月收到修改稿。

33西安市169信箱101室　710000第10卷　第3期航空动力学报　V o l 110N o 131995年7月Journa l of Aerospace Power Ju ly 1995橡胶O 形密封圈的变形及应力分析航天工业总公司四十一所 任全彬　陈汝训　杨卫国【摘要】　建立了橡胶O 形密封圈多边界有摩擦接触问题的接触模型,同时还根据多维应力蠕变理论的基本原理建立了橡胶类材料的应力松驰模型。

在此基础上,采用已有文献给出的大应变问题有限元法,计算了橡胶O 形密封圈在工作状态下的变形及应力分布规律,从而为可靠地设计橡胶O 形密封圈提供了理论依据。

　主题词:　橡胶O 形密封圈　大应变问题　接触问题　应力松驰　分类号:　V 255.3　O 343.3目前,国内外橡胶O 形密封圈(简称O 形圈)的设计基本上是依赖一些经验数据和定性原则[1],O 形圈在密封槽内的变形及密封界面上的接触压应力的分布是影响O 形圈密封性能的重要参数,但要得到精确的解是非常困难的。

本文在一定的假设条件下,用有限元法[2]计算了在固体火箭发动机贮存和工作状态下的O 形圈在密封槽内的变形及应力,得到的计算结果和实验结果符合较好,为可靠地设计橡胶O 形密封圈提供了一定的理论依据。

1　计算模型111　基本假设(1)O 形圈材料具有确定的弹性模量E 和泊松比Τ。

(2)取Τ为接近015的常数;(3)钢构件组成的密封槽槽壁看作O 形圈变形时的约束边界,O 形圈受到的压缩看作由某个约束边界的指定位移引起;(4)接触点接触状态有粘式接触和滑移接触;接触边界上存在静摩擦力和滑动摩擦力;(5)O 形圈材料拉抻与压缩的蠕变性质相同;(6)蠕变不引起体积变化。

112　有限元基本方程为反映大应变及摩擦力对O 形圈变形的影响,并由基本假设(1)、(2),可以采用大变形弹图1　O 形圈的接触模型性速率型本构方程[3]。

O形密封圈简称O形圈，是一种截面为圆形的橡胶圈。

O形密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。

O形圈有良好的密封性，既可用于静密封，也可用于往复运动密封中；不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。

它的适用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种运动条件的要求，工作压力可从1.333×105Pa的真空到400MPa高压；温度范围可从-60℃到200℃。

与其它密封型式相比，O形密封圈具有以下特点：1）结构尺寸小，装拆方便。

2）静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏。

3）使用单件O形密封圈，有双向密封作用。

4）动摩擦阻力较小。

5）价格低廉。

O形密封圈是一种挤压型密封，挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。

在用于静密封和动密封时，密封接触面接触压力产生原因和计算方法不尽相同，需分别说明。

1、用于静密封时的密封原理在静密封中以O形圈应用最为广泛。

如果设计、使用正确，O形密封圈在静密封中可以实现无泄漏的绝对密封。

O 形密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形。

对接触面产生一定的初始接触压力Po。

即使没有介质压力或者压力很小，O形密封圈靠自身的弹性力作用而也能实现密封；当容腔内充入有压力的介质后，在介质压力的作用下，O形密封圈发生位移，移向低压侧，同时其弹性变形进一步加大，填充和封闭间隙δ。

此时，坐用于密封副偶合面的接触压力上升为Pm：Pm=Po+Pp式中Pp——经O形圈传给接触面的接触压力（0.1MPa）Pp=K·PK——压力传递系数，对于橡胶制O形密封圈K=1；P——被密封液体的压力（0.1MPa）。

从而大大增加了密封效果。

由于一般K≥1，所以Pm＞P。

由此可见，只要O形密封圈存在初始压力，就能实现无泄漏的绝对密封。

这种靠介质本身压力来改变O形密封圈接触状态，使之实现密封的性质，称为自封作用。

机械化工科技风2019年1月DO I ：10.19392/j . cnki . 1671-7341.201901112机械制造中〇形密封圈的密封原理及其失效类型分析刘贵彬1解小琴21.四川电子机械职业技术学院四川绵阳621000;2.巴中职业技术学院汽车工程系四川巴中636000摘要:机械密封是在补偿机构的磁力（或弹力）和流体压力的作用下，根据垂直于轴作相对滑动的端面并配合辅助密封从而 达到阻止泄漏的机械装置，又称作端面密封或轴向端面密封。

本文分析了机械密封原理的基础上，给出了 0形密封圈基本理论, 重点给出了 0形的压缩率，以及0形密封圈的失效类型分析。

为0形密封圈的设计分析提供了一定的基础。

关键词：〇形密封圈；密封原理；失效类型一、机械密封原理及其失效类型因为机械密封通常工作环境比较恶劣，会遇到各种各样的问题，所以在仿真分析中可能会遗漏某些因数素。

综合考虑，可做一些假设：(1) 密封副结构均为轴对称结构，而所承受的载荷也具备 该特性；(2) 密封副正常工作时，设摩擦系数固定值，材料磨损也可 忽略.^3)密封副所使用材料的物理特性与温度和力没有太大的 关系；^4)材料之间的热传导可被忽略；(5)假设传热均是由密封表面之间的摩擦产生的，并且在 密封端面上的热流密度的分布是均衡的。

机械密封主要包含静环、动环、密封元件和紧固元件等构成。

轴的转动带着动环一起旋转，静环和动环的结合面形成密封接触，以阻止介质的泄漏。

动环根据封闭空间内介质的压力 将其与静环端面接触并紧固，两者接触面形成一层非常薄的液 体膜并存在一定的压力比，最终达到密封的效果。

机械密封是 与机械设备的其它零部件共同配合工作的，机械密封的运行情 况和现场状况、本身的特征有直接的联系。

〇形密封圈的失效类型：(1) 永久形变因为〇形密封圈通常使用的材料具有粘 弹性,其回弹堵塞能力和初始值使用的时间较长，并造成永久 变形，逐步消失，最后造成渗漏现象。