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橡塑技术与装备（橡胶） CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (RUBBER)

采煤机浮动油封密封圈静态

接触应力分析

史瑞，吕晓仁
( 沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

摘要 ： 本文运用有限元分析软件 ABAQUS 建立浮动油封结构的二维模型，分析不同侧向接触压力、摩擦系数、橡胶硬度下
等效应力的变化，寻找最佳的侧向接触压力和摩擦系数。结果表明，在同一摩擦系数的情况下，随着侧向压力的增加，橡胶密封
圈的等效应力也随之增加 ；在同一侧向压力的情况下，随着摩擦系数的增加，橡胶密封圈的等效应力也随之增加。并根据实际情
况在等效应力为 23 MPa 下给出了相应的侧向接触压力和摩擦系数的建议值。
关键词 ： 浮动油封 ； O 型圈 ； ABAQUS ；应力分析
中图分类号 ： TQ336.42 文章编号 ： 1009-797X(2019)13-0036-04
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2019.13.007

0 前言 不同本构模型参数、接触应力和接触摩擦系数对橡胶
由于工作环境恶劣、振动和冲击大，采煤机摇臂 密封圈的影响尚未深入的研究，这些因素在工作过程
在工作过程中常由于密封失效漏油发生故障，影响采 中都会影响浮动油封以及密封圈的使用寿命，从而限
煤工作的正常进行，漏油严重会直接导致轴承和齿轮 制了采煤机的使用寿命。
失效 [1] 。传统的骨架油封不能很好地保证采煤机可靠 为此，本文运用 ABAQUS 有限元软件，分析不
性的要求，现阶段人们广泛采用浮动油封。浮动油封 同本构模型参数橡胶密封圈，在一定侧向压力和接触
的重要组成部分是橡胶密封圈，不仅是辅助静密封元 摩擦系数条件下橡胶密封圈所受接触应力的变化规律，
件，而且对浮封环产生轴向和径向的作用力 [2] 。对浮 找出最佳的侧向压力值与摩擦系数之间的关系。
动油封的正常运转起关键作用。
由于长期磨损、老化，橡胶密封圈材料发生损伤 1 橡胶材料本构模型的本构关系
破坏。为了延长橡胶材料的使用寿命，人们对浮动油 橡胶材料属于超弹性近似不可压缩体，其本构关
封橡胶密封圈接触磨损投入了大量的研究 [3] 。曾建谋 系是复杂的非线性函数，通常用应变能函数表示 [7] 。
等人研究了采用 FeCuMoC 材质粉末热锻的浮封环， 目前广泛采用 Mooney-Rivlin 本构方程来描述橡胶材
经渗碳处理后具有较高的硬度且工作表面有弥散微孔， 料的各种力学行为，本文也采用此本构方程，其公式
有利于油膜的形成，从而提高耐磨性 [4] 。孙运友等人 如下 ：
通过有限元分析软件 ANSYS 分析了在不同压缩率下 W=C 10 (I 1 -3)+C 01 (I 2 -3) (1)
浮封环端面的作用反力 , 发现压缩率随安装载荷的增 其中 ： I 1 、I 2 为应变张量的 2 个主不变量 ； C 10 、
加而线性增加 [5] 。孙健等人运用有限元法对高速牙轮 C 01 为材料常数。
钻头浮动端面密封的性能进行分析 , 计算模拟了浮动 橡胶硬度与弹性模量的关系式 ：
端面密封在装配过程和不同工作条件下结构的变形和 15.75+2.15H a
E= (2)
接触表面应力变化，得出密封端面的压力分布沿接触 100-H a
界面存在应力变化和应力分布梯度 , 随工作环境压力
作者简介 ：史瑞（1991-），男，硕士研究生，主要从事采
不同时应力分布也不同。环境压力较低时外径处应力 煤机浮动油封密封圈静态接触应力与耐磨性研究。
较高 , 有利于润滑油膜的建立 , 环境压力较高时反之 基金项目 ：国家自然科学基金项目 (50875178)，辽宁省高
[6] 。可以看出，人们对于密封环的材质、橡胶密封圈 等学校创新人才支持计划 (LR2017022)，辽宁省科技厅博士科
研启动基金计划项目 (2017052077)
压缩率以及表面应力变化等进行了一定的研究，但是 收稿日期 ：2018-12-27

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