摘要：利用 ABAQUS 软件建立活塞运动速度为4m/s、介质压力为6Mpa、摩擦因数为0.3 的液压式配气系统O型密封圈有限元分析模型，分析不同往复运动速度、预压缩率、介质压力对液压式配气系统O 型密封圈动密封特性的影响。结果表明：O型密封圈密封面的接触压力随位移的变化而产生波动，接触压力随介质压力 预压缩率的增大呈线性增大，运动速度对接触压力影响不大，接触压力曲线波动幅度随运动速度介质压力预压缩率的增大而增大; O型密封圈与油缸之间接触面的动密封性能优于O 型密封圈与活塞之间接触面;O型密封圈在推程时的动密封性能优于回程;预压缩率小于10%时，O 型密封圈不能满足该液压式配气系统的动密封要求，要确保O型密封圈的密封性，需要选择合理的预压缩率。

　　关键词：液压式配气系统; O 型密封圈; 动密封; 接触压力

　　O 型密封圈具有结构简单、装拆容易、密封性能良好和成本低等优点，广泛应用在液气压系统中。对于O型密封圈的设计使用，大多数情况下依赖传统原则和工程经验进行。随着社会的发展，各种流体传动系统中O 型密封圈的密封性能要求越来越高，传统的方法已不能满足O型密封圈设计、使用的要求。为此，多学者采用有限元方法对O型密封圈进行了相关研究。陈国定等研究了 O 形密封圈在安装状态和密封流体介质作用下的力学性能，造成密封圈撕裂损坏及材料松弛的当量Cauchy 应力峰值大小及位置随密封流体介质作用的变化情况，以及轴和密封接触面间的接触压力及剪应力分布状态。刘溪涓等采用接触单元法，对O型密封圈建立了一种新的含有接触计算的超弹性有限元模型。王伟和赵树高研究了 O型密封圈在安装和使用中的接触变形、接触宽度以及密封界面上的接触应力分布规律，O型密封圈安装过程中不同压缩率对接触应力的影响，以及考虑应力松弛过程下使用的应力分布。孙健等人对O型密封圈不同变形情况下的压缩量、压缩后施加侧压后的应力 不同接触界面摩擦因数情况下的变形及扭转进行了研究。谭晶等人研究了O型密封圈密封结构、参数对密封面最大接触压力和剪切应力的影响。陈敏等人研究了不同位移压缩下密封

　　界面上的接触压应力。李振涛等研究了在不同压缩率、不同油压时的 VonMises 应力及密封面接触压力分布规律及压缩率、油压对O 型密封圈最大VonMi-ses 应力、最大接触压力的影响。钟亮等人研究了预压缩量、流体压力、摩擦因数以及运动速度对O型密封圈密封性能的影响。目前对于O型密封圈的研究主要集中在密封圈沟槽结构参数、失效准则、受压下的变形分析、静态接触力的分布、可靠性分析等静密封特性的研究上，对于动密封特性的研究较少，对于往复高速运动的O型密封圈密封特性研究就更少。O 型密封圈在往复高速运动条件下的工况十分复杂，导致了 O 型密封圈在运动过程中其接触压力变化的复杂性，所以对往复高速运动的 O型密封圈的动密封特性进行研究具有重要意义。

　　液压式配气系统中油缸的柱塞运动在发动机高速运转时可高达 4m/s，系统油压可高达6MPa，密封属于高速高压动密封，密封要求高。本文作者利用ABAQUS 软件对橡胶 O 型密封圈在不同往复运动速度、预压缩率、介质压力下的动密封特性进行研究，为橡胶 O型密封圈在液压式配气系统的应用提供借鉴。

　　1、密封结构的有限元模型

　　1.1 橡胶材料的参数

　　橡胶材料存在复杂的材料非线性和几何非线性，被认为是超弹性近似不可压缩体。目前，橡胶材料有多种参数模型，如基于统计热力学的 Heo-Hookean 应变能函数、指数- 双曲 ( Exponential-hyperbolic) 法则和基于连续体的表象学方法的 Mooney-Rivlin 模型、Klosenr-Segal 模型、Ogden-Tschoegl 模型。由于 Moo-ney-Rivlin 模型可以描述橡胶材料在大变形下的超弹性力学特性，本文作者采用 Mooney-Rivlin 模型表示橡胶材料参数 Mooney-Rivlin 模型有二参数、三参数、五参数和九参数等4 种模型，一般表示为

式中: W 为修正的应变能; Cij为材料常数，即 Mooney-Rivlin 常数; I1、I2为第一、 第二Green 应变量。

　　实际工程中，很难将所有 Mooney-Rivlin 常数都测量出来。因此，一般采用二参数模型，即

　　由于Mooney-Rivlin 常数C10、C01 与弹性模量E之间存在如下关系[7]：

　　而弹性模量 E 与邵氏硬度 Ha 关系为

　　因此，只要利用邵氏硬度计测得橡胶O型密封圈试样的硬度 Ha，就可以得到橡胶材料的弹性模量E、 Mooney-Rivlin常数C10 C01 ，也就可以在ABAQUS 中实现橡胶O 型密封圈材料的定义。

　　1.2 有限元模型

　　由于O 型密封圈密封的结构和受力都是轴对称的，因此，可以利用 ABAQUS 软件建立 O 型密封圈、油缸、活塞的二维轴对称模型进行有限元分析，如图1 所示。O 型密封圈规格为φ10mm×1.8mm，材料为丁腈橡胶密封圈 ( NBR) ，试样硬度为邵氏硬度90。活塞的O 型密封圈安装沟槽宽度为 2.4mm，深度为1.2mm，槽口倒角半径为0.3mm，槽底倒角半径为0.3mm，活塞与油缸的材料为钢，材料弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7.8×103kg/m3。利用式 ( 3) ( 4) 计算得 C10 = 2.79 ， C01 = 0.7 如图1 所示，推程是指活塞向油缸有流体介质端运动，回程是指活塞向油缸无流体介质端运动。

　　图1 O 型密封圈密封结构有限元模型

　　1.3 接触边界条件

　　在 O 型密封圈动密封特性模拟计算中，O 型密封圈与油缸内壁 O 型密封圈与活塞凹槽的表面存在接触问题，将它们分别定义为2 对接触对，接触算法采用罚函数算法，接触摩擦模型采用库仑摩擦模型，摩擦因数设为0.3。

　　1.4 载荷施加

　　模型的载荷施加分为3 步，第一步为模拟密封圈的预压缩过程，第二步为密封圈加载介质压力过程，第三步为密封圈随活塞往复运动过程。

　　2、计算结果及分析

　　液压式配气系统的O型密封圈与油缸、活塞的接触面的接触压力( CPRESS) 反映了其密封性的好坏。要确保O 型密封圈在运动过程中具有良好的密封性能，必须保证O 型密封圈与油缸、活塞接触面的接触压力始终大于介质压力、本文作者从运动速度、介质压力、预压缩率等3 个方面分析液压式配气系统O 型密封圈的动密封特性。在仿真中，推程的终点是回程的起点，且推程的终了时刻是回程的起始时刻。

　　2.1 运动速度对接触压力的影响

　　图 2 示出了介质压力为 6Mpa、预压缩率为15%、摩擦因数为0.3，活塞处于推程时不同运动速度下的仿真结果。

图2 推程时不同运动速度下接触压力曲线( 压力6MPa， 预压缩率15%)

　　从图2( a) 可知，在推程时，不同运动速度下 O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力曲线的变化规律基本相同，平均值也基本相同，但波动的幅度随着运动速度的增加而加大 各运动速度下 O 型密封圈与油缸之间的接触面的接触压力均大于9.4MPa，说明 O 型密封圈与油缸之间的接触面具有良好的动密封性。从图2( b) 可知，在推程时，不同运动速度下

　　O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力波动较小，变化规律也基本相同，但曲线波动幅度随运动速度的增加而略有增大，特别是在运动的初始阶段。对比图2( a) ( b) 可知，相同运动速度时，O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力小于 O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力 从图 2( b) 可知，各运动速度下 O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力均大于 8MPa，说明 O 型密封圈与活塞之间的接触面具有良好的动密封性。

　　图3 示出了介质压力为 6Mpa、预压缩率为15%，活塞处于回程时不同运动速度的仿真结果。从图3( a) 可知，运动速度为1 2 3m/s 时，O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力波动较小，变化规律也基本相同，随着行程的增加，接触压力呈减小趋势，但减小值不大 而运动速度为4m/s 时，O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力波动相对大一些，在位移为4～6mm 之间时出现接触压力整体增大的现象。对比图2( a) 图3( a) 可知，相同运动速度条件下，回程时O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力小于推程时，且波动幅度也小于推程时。从图 3( a) 可知，各运动速度下O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力均大于8.5MPa，说明O 型密封圈与油缸之间的接触面具有良好动密封性。

　图3 回程时不同速度下接触面接触压力曲线 (压力6MPa，预压缩率15%)

　　从图3( b) 可知，运动速度为 1 2m/s 时，O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力波动较小，而运动速度为3 4m/s 时，接触面的接触压力波动较大，特别是4m/s 时，曲线波动幅度最大。对比图 2( b)、图3( b) 可知，运动速度为1 2m/s 时，回程时O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力曲线波动比推程时的小，而运动速度为 3 4m/s 时，情况则相反。

　　对比图 3 ( a) 图 3 ( b) 可知，运动速度为 1 2m/s时，O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力曲线波动比O型密封圈与油缸之间接触面的小，而运动速度为3、4m/s 时，情况则相反。

　　2.2 介质压力对接触压力的影响

　　介质压力对密封圈的动密封性能、变形、运动状态都有影响。如图 4 所示，当活塞处于推程时，油缸、活塞对密封圈的摩擦力向右，与流体介质作用于密封圈的作用力相同。在介质压力和摩擦力的共同作用下，密封圈的左侧面与活塞凹槽左侧面接触并产生相应的变形; 介质压力越大，变形越严重，挤入活塞与油缸间的间隙的密封圈越多。当活塞处于回程时，油缸、活塞对密封圈的摩擦力向左，与流体介质作用于密封圈的作用力相反。当流体介质对密封圈的作用力小于油缸、活塞对密封圈的摩擦力时，密封圈的右侧面与活塞凹槽右侧面接触并产生相应的变形; 当流体介质对密封圈的作用力等于油缸、活塞对密封圈的摩擦力时，密封圈位于活塞凹槽中间; 当流体介质对密封圈的作用力大于油缸、活塞对密封圈的摩擦力

　　时，密封圈的左侧面与活塞凹槽左侧面接触并产生相应的变形，且介质压力越大，变形越严重，挤入活塞与油缸间的间隙的密封圈越多。通过仿真结果显示，预压缩率为15% 运动速度为4m/s，介质压力小于1.3MPa 时，活塞处于回程时密封圈的右侧面与活塞凹槽右侧面接触。

　　图4 O型密封圈变形示意图

　图5 示出了预压缩率为 15%、摩擦因数为 0.3、运动速度为4m/s，活塞处于推程时不同介质压力的仿真结果。从图5( a)可知，介质压力越大，推程时O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力越大，但接触压力曲线的波动幅度和变化规律基本相同;推程时，各介质压力下的O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力都大于介质压力，说明 O 型密封圈与油缸之间的接触面具有良好密封性。从图 5 ( b) 可知，推程时，介质压力越大，O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力越大，曲线变化规律基本相同，但曲线波动幅度随介质压力的增大而增大;推程时，各介质压力下的O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力都大于介质压力，说明O 型密封圈与活塞之间的接触面具有良好密封性。对比图5( a) 图 5( b) 可知，各介质压力下，推程时 O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力略小于O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力。

　　图5 推程时不同介质压力下接触压力曲线( 运动速度4m/s，预压缩率15%)

　　图6 示出了预压缩率为15%、摩擦因数为 0.3、运动速度为4m/s，活塞处于回程时不同介质压力的仿真结果。从图6( a)可知，回程时，介质压力越大，O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力越大，曲线变化规律基本相同，但曲线波动幅度随介质压力的增大而增大; 推程时，各介质压力下的O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力都大于介质压力，即 O型密封圈与油缸之间的接触面具有良好密封性。对比图5( a)、图6( a) 可知，各介质压力下的O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力曲线波动性在回程时略大于推程，平均值也小于推程。从图 6( b) 可知，回程时，介质压力越大，O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力越大，曲线波动幅度越大; 各介质压力下的 O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力都大于介质压力。对比图5( b) 、图6( b) 可知，各介质压力下，O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力在回程时略小于推程时。

　　图6 回程时不同介质压力下接触面接触压力曲线 ( 运动速度4m/s，预压缩率15%)

　　图7 推程时不同预压缩率下接触压力曲线( 介质压力6MPa， 运动速度4m/s)

　　2.3 预压缩率对接触压力的影响

　　图7 示出了介质压力为6Mpa、运动速度为4m/s、摩擦因数为0.3，活塞处于推程时不同预压缩率的仿真结果。从图7( a) 可知，预压缩率越大，推程的O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力越大，曲线波动幅度越大。预压缩率为5%时，推程的O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力均小于6MPa，也就是说预压缩率为5%时，O型密封圈与油缸之间接触面的密封不能满足介质压力为6MPa的动密封要求。而预压缩率为10%、15%、20%时，O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力均大于8MPa，满足介质压力为6MPa的动密封要求。从图 7( b) 可知，预压缩率越大，O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力越大，但各种预压缩率下的接触压力曲线的波动性都较小。预压缩率为5%时，O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力小于4MPa，即预压缩率为5% 时，O型密封圈与活塞之间接触面的密封不能满足介质压力为6MPa的动密封要求。预压缩率为10% 时，出现了接触压力小于 6MPa 的情况，即预压缩率为 10%时也不能满足介质压力为6MPa 的动密封要求。而预压缩率为 15% 20%，O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力均大于 8MPa，能够满足介质压力为 6MPa 的动密封要求。对比图7( a) 图7( b) 可知，各预压缩率条件下，O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力均小于 O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力。

　　图8 示出了介质压力为6Mpa、运动速度为4m/s摩擦因数为0.3，活塞处于回程时不同预压缩率的仿真结果。从图8( a) 可知，预压缩量越大，回程时O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力越大，曲线波动性越大。预压缩率为5%时，回程时O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力几乎都小于6MPa，即O型密封圈与油缸之间接触面的密封不能满足介质压力为6MPa 的动密封要求。预压缩率为 10%、15%、20%时，O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力均大于7MPa，满足介质压力为6MPa的动密封要求。对比图7( a) 图8(a) 可知，各预压缩率条件下，回程时的O 型密封圈与油缸之间接触面的接触压力均小于推程时的 O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力。从图8( b) 可知，预压缩率越大，回程时 O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力越大，但各预压缩率的接触压力曲线的波动幅度和变化规律基本相同。预压缩率为5%时，回程的 O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力均小于5MPa，即O 型密封圈与活塞之间接触面的密封不能满足介质压力为6MPa 的动密封要求。预压缩率为10%、15%、20%时，O型密封圈与活塞之间接触面的接触压力均大于 6MPa，满足介质压力为6MPa 的动密封要求。对比图7( b)、图8( b) 可知，相同预压缩率的 O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力在回程时比推程时大。

　　图8 回程时不同预压缩率下接触压力曲线( 介质压力6MPa， 运动速度4m/s)

　　3、结论

　　( 1) O 型密封圈密封面的接触压力在运动过程中会随位移的变化而波动变化，运动速度对运动过程中 O型密封圈密封面的接触压力均值影响不大，但对波动幅度影响较大，接触压力波动幅度随运动速度的增大而加大; 介质压力 预压缩率对运动过程 O型密封圈密封面的接触压力影响较大，接触压力随介质压力、预压缩率的增大呈线性增大，接触压力波动幅度也随介质压力，预压缩率的增大而增大。

　　( 2) O 型密封圈与活塞之间接触面的接触压力小于O型密封圈与油缸之间接触面的接触压力，即O型密封圈与油缸之间接触面的密封性优于O 型密封圈与活塞之间接触面。

　　( 3) 推程时O 型密封圈密封面的接触压力均值比回程时大，且波动幅度也比回程时小，即 O 型密封圈在推程时的密封性优于回程。

　　( 4) 预压缩率小于 10%时，所选O 型密封圈不能满足活塞运动速度为 4m/s 介质压力为 6MPa摩擦因数为0.3的液压式配气系统的动密封要求，要确保O型密封圈的密封性，需要选择合理的预压缩率。

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