温度对O型圈可靠性的影响
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温度对O型圈可靠性的影响

来源:易胜博备用网址_易胜博官方网站_易胜博ysb248手机版更新时间:2016-09-20
   众所周知,针对橡胶密封圈O型圈处在高温工况容易发生热膨胀及应力松弛并导致失效的情况,利用有限元App分析比较考虑温度时和不考虑温度时O型圈的应力及应力随着时间的松弛情况,并使用响应面法,计算出O型圈的剪切破坏失效、密封失效及多失效的可靠度。结果表明: 高温对O型圈的应力分布和松弛速率的影响很大;橡胶密封圈O型圈的剪切破坏可靠度及泄漏失效可靠度随时间呈下降趋势,初期会发生急剧下降而后期下降速度减小;O型圈的多失效可靠度前期急剧减小然后基本达到稳定,表明O型圈在使用初期没有发生失效,则其在后期发生失效的概率较低。
  液压密封系统是机械装置的重要组成部分,并且广泛应用于核、航空以及汽车行业,而O型圈作为液压系统中典型的密封件,其失效会引起液压系统密封失效,可能会引起重大事故。如1983年美国“挑战者”号航天飞机的右侧固态推进器上面的一个O型圈失效,导致了航天飞机的爆炸解体。
  通常,O型圈由高分子材料橡胶组成,其设计与分析涉及固体力学、摩擦学、高分子材料学、热力学及机械制造工艺等多方面的理论常识,一般可利用有限元App对O形圈进行分析。O型圈通过被压缩发生大变形,从而产生应力来实现液压系统的密封。要满足O型圈的密封性能,必须在保证满足O型圈的剪切强度的前提下,其最大接触应力至少要大于密封介质的压力。影响O型圈应力的因素很多,包括密封结构参数如压缩率、结构尺寸参数、接触面的摩擦因数和环境因素如密封介质压力、温度等。通过建立有限元模型可以分析影响因素对O型圈性能的影响。发现介质的压力越大,接触应力和Mises 应力越大;O型圈与轴之间的最大接触应力随着压缩率、油压的增加而增加,但在油压一定的情况下Mises 应力并不总是随压缩率的增加而增加的结论;研究表明,上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率对最大接触应力的影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角半径对剪切应力影响明显; 分析了摩擦因数对剪切应力的影响,发现摩擦因数越大剪切应力越大。在实际工程应用中,密封系统中的密封介质的温度往往较高,而温度的提升会造成O型圈应力的变化,并加速O型圈的松弛,因此温度对于O型圈可靠性的影响很大。
  目前,一般通过试验来研究温度对橡胶密封圈O型圈性能的影响,如Bernstein 和Gillen利用高温加速O型圈松弛的特性进行O型圈的寿命加速试验,Hyung-Kyu Kim 等通过试验比较了高温对O型圈的最大接触应力和剪切力的影响。相对于试验来说,利用有限元App对橡胶密封圈O型圈进行温度影响下的可靠性分析不受人为因素的影响,并且还具有节省成本等优点。但是在O型圈在承载的过程中会伴随着大变形及大应变,如果在同时考虑温度对应力的影响,并且高温还有加速O型圈橡胶老化的作用,有限元建模会十分的复杂。因此,使用有限元App对温度影响下的O型圈进行可靠性仿真分析的研究较少。
  本文编辑考虑研究温度对O型圈的影响,建立有限元模型并对模型进行适当的简化,分析温度对O型圈Mises 应力、最大接触应力及其松弛速率的影响,将温度场、压缩率和介质压力作为主要影响因素,并利用响应面法计算O型圈在松弛过程中的可靠度,对高温介质中使用的橡胶密封圈O型圈的理论分析和实际工程应用有一定的参考价值。
  1、O型圈的热- 固耦合分析
  由于温度会导致O型圈结构的热膨胀从而引发应力的变化,因此O型圈的应力分析包括热分析和结构分析,热分析包括缸体及O型圈由温差造成的传导换热,液压油与O型圈及缸体的对流传热以及O型圈对外部的热辐射; 结构分析包括对O型圈的所有节点的Mises 应力分析和接触面的接触应力分析。本文编辑同时考虑热分析和结构分析,将传导换热、对流换热、热辐射与有限元结构分析相结合,对O型圈进行热- 固耦合分析。
  4、结论
  (1) 温度使O型圈的Mises应力和接触应力变大,并加速橡胶密封圈O型圈应力的松弛。
  (2) 选取温度、介质压力和压缩率作为主要影响因素,使用响应面法对O型圈松弛时的各个时刻的可靠度进行计算,发现O型圈的可靠度在密封初期首先急剧减小,然后可靠度缓慢减小。对于本文编辑所研究的橡胶密封圈O型圈,若O型圈在100s左右时没有发生失效,则O型圈在后期发生失效的概率较低,对运用在工程上的其他O型圈具有一定的借鉴意义。

  (3) 研究O型圈由于摩擦产生的热量对O型圈的应力及可靠性产生的影响将是后续研究的一个方向。


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