挡环; 聚氨酯; O 形圈
静密封; 动密封; 抗挤出

1 有限元计算分析模型

1. 1 有限元模型建立

    选取沟槽深度为4.35mm，活塞沟槽尺寸参照GB/T3452. 3—2005 《液压气动用O 形橡胶密封圈沟槽尺寸》设计。沟槽宽b1=9.0mm; 沟槽深度t=4.35mm; 沟槽底圆角半径r1=0.4～0.8mm，文中取0.8mm; O 形圈的直径为5.3mm; 挡环厚度为1.8mm。根据以上数据，建立的O 形圈及挡环配合的平面几何模型见图1。

1. 2 橡胶材料的本构模型

    模型中的O 形圈材料为丁腈橡胶( NBＲ) ，其具有优良的耐油性、耐磨性和耐热性，因其优异的性能，常被用作各种密封件、传动带和各种耐油零部件。橡胶材料被认为是超弹性近似不可压缩体，目前常采用Mooney－Ｒivlin 理论模型来定义参数。
    弹性模量、材料不可压缩常数及2 个材料定常数之间有如下关系式:

C10+C01= E6( 1)C0 =C104( 2)d = 1－2μC10+C01( 3)式中: E 为弹性模量; C10和C01为Mooney－Ｒivlin模型系数; d 为不可压缩系数; μ 为泊松比。NBＲ 材料的弹性模量为14.04MPa，泊松比为0.499，故C10=1.87MPa，C01=0.47MPa，d=8.547×10－4 /MPa。

1. 3 挡环材料和模型网格划分

    挡环材料分别为CPU、PTFE、TPEE 3 种材料。CPU和TPEE 同属于超弹性材料，具有很强的材料非线性和几何非线性。Mooney－Ｒivlin 理论模型可较好地描述不可压超弹性材料在大变形下的力学特性，故CPU和TPEE 材料的挡环均采用Mooney－Ｒivlin 两参数模型。3 种材料的设置参数如表1 所示。

    划分网格后的模型如图2 所示，模型采用六面体网格。网格划分完成后，挡环上有184个单元，O 形橡胶密封圈有667个单元，缸体有121个单元，活塞有792个单元，整个挡环有限元模型共5602个节点，1764个单元。

1. 4 边界条件设置

   在接触设置方面，设置5个摩擦接触对，分别为挡环与O 形圈接触对、挡环与活塞接触对、挡环与缸壁接触对、O 形圈与活塞接触对和O 形圈与缸壁接触对，缸壁与活塞为间隙配合，可不设置接触对。3 种材料下各接触对的摩擦因数设置如表2 所示。

    个位移，将该密封下完整运动分为3 个载荷步。为了使结果更好收敛，前2个载荷步模拟装配过程，使O 形圈具有一定的预压缩强度，最后一个载荷步为施加载荷，介质压力大小为35MPa。动密封是在静密封的基础上增加前进后退的单次位移来模拟实现的，为更好实现收敛，载荷步增加到7 步，介质压力同为35MPa。

2 静密封下挡环及O 形圈有限元分析结果

2. 1 O 形圈密封结果分析

    文中对静密封下O 形圈的接触应力和密封长度进行数值分析。在35MPa 高压下，O 形圈受压变形与挡环紧密贴合，此时挡环高度为沟槽底部到缸壁的垂直距离，挡环的变形防止了O 形圈挤出失效现象的发生。理论上O 形圈的密封性能主要取决于接触面接触压力与所承受压力的差值，该差值大于0 可实现密封。3 种材料挡环配合下的O 形圈接触应力和密封长度情况如图3 所示，O 形圈相关对比数据如表3所示。

    由图3 及表3 数据可看出，3 种材料的挡环均能满足辅助O 形圈实现密封的效果，只是模型在接触应力和密封长度上存在差异。CPU 挡环配合下的O形圈密封接触应力略高，其接触密封长度优于TPEE挡环配合的O 形圈，与PTFE 挡环配合的O 形圈接触密封长度相当。

2. 2 挡环变形结果分析

    挡环位于O 形圈可能挤出一侧，O 形圈承受的介质压力会传递到挡环上，防止了O 形圈在较大介质压力情况下出现挤出、咬伤等情况，以保证O 形圈的密封效果。各材料的挡环变形情况如图4 所示。

    将3 种材料的挡环最大变形数据导出，绘制最大变形曲线如图5 所示。

   
    由图4、图5 可看出，在35MPa 静密封条件下，CPU 挡环变形最小，可更好地实现挡环辅助O 形圈进行密封进而避免O 形圈发生挤出和咬伤的失效情况。相较于其他2 种材料，CPU 材料良好的表现得益于其本身的高硬度、高弹性、优异的动态性能和抗蠕变性，使其在抗挤压和保持尺寸稳定方面表现得最佳。

2. 3 挡环变形von Mises 等效应力结果分析

    von Mises 等效应力反映密封圈截面应力状态，挡环的von Mises 等效应力发生在其大倒角处，应力越大，越会加速挡环的松弛，易引起初始裂纹。将全部仿真过程的挡环所受von Mises 等效应力进行数据统计得到如图6 所示的应力曲线。

    由图6 可看出，CPU 挡环在施加35 MPa 载荷后所承受的von Mises 等效应力最小，即该材料挡环的可靠性最好，拥有相对较长的使用周期，可大大节约更换元件的成本。表3 中对3 种材料挡环进行相关性能指标的量化比较，有助于科学地筛选出较为合适的挡环材料。

3 动密封下挡环及O 形圈有限元分析结果

3. 1 O 形圈密封结果分析

    动密封下3 种材料挡环配合下的O 形圈接触应力情况如图7 所示，O 形圈相关对比数据见表4。

    由图7 和表4 相关数据可看出，与静密封情况相似，O 形圈接触应力均能实现35 MPa 下的密封效果，只是模型在O 形圈接触应力和密封长度上存在差异。CPU 挡环配合下的O 形圈密封接触应力略高于其他2种材料配合下的O 形圈接触应力，密封接触长度也分别大于TPEE 挡环、PTFE 挡环配合的O 形圈密封接触长度。

3. 2 挡环变形结果分析

    各材料的挡环变形情况如图8 所示。将3 种材料的挡环最大变形数据导出，绘制最大变形曲线如图9所示。

    从图8、图9 可看出，在35MPa 动密封条件下，CPU 挡环变形程度和剧烈程度最小，可有效防止发生挤出或者咬伤失效情况的发生，从而更好地实现辅助密封功能。而PTFE 和TPEE 材料的耐蠕变性不及CPU 材料，使得这2 种材料的挡环在动密封的情况下更容易发生形变且较难恢复，会较大程度地影响O形圈密封效果甚至发生失效。

3. 3 挡环变形von Mises 等效应力结果分析

    将动密封仿真过程中所受von Mises 应力导出，绘制各材料挡环的最大von Mises 应力曲线如图10 所示。可看出，CPU 挡环在施加35 MPa 载荷后所承受的von Mises 等效应力最小; PTFE 材料在变化程度上与CPU 类似，von Mises 等效应力大于CPU 材料挡环; TPEE 材料变化幅度最大且应力最大。CPU 材料挡环的可靠性最好，使用周期也相对较长。表4 中对3 种材料挡环进行相关性能指标的量化比较，有助于科学地筛选出较为合适的挡环材料。