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测试与分析 史瑞 等·采煤机浮动油封密封圈静态接触应力分析

浮动油封橡胶密封圈的硬度 H a 在 shore A 50~70 为 0.49 [11] 。橡胶材料直接选取 Mooney-Rivlin 本构
之间，本文橡胶密封圈硬度选择 shore A 50、shore A 模型表征橡胶超弹性特性。由于模型结构简单，采用
60、shore A 70。代入 (2) 式可得到相应的弹性模量分 控制网格总数的方式，以自由网格划分技术划分，同
别为 2.465 MPa、3.619 MPa 和 5.542 MPa。 时取消对缩减积分的勾选 [12] 。
参考王伟等人研究的 Mooney-Rivlin 本构模型时 图 2、图 3 和图 4 分别为初始模型网格划分图、
所得的弹性模量 E 与材料常数之间的关系式 [8~9] 模型的部分变形应力云图以及橡胶圈挤压变形局部放
E=6(C 10 +C 01 ) (3) 大图。以侧向压强 3.0 MPa，橡胶圈式样半径 R=8 mm
并利用经验公式 为例，网格划分共得到 854 个单元和 3 240 个节点。
C 01 =0.25C 10 (4) 在有限元模型底端和右侧施加固定约束，使其在 X、
Y 方向上不发生移动，在模型上端施加约束使其在 Y
和不可压缩系数 D 1
1-2μ 方向上不发生移动，在模型左侧施加侧向压力。由于
D 1 = ，其中 μ=0.499 (5)
C 10 +C 01 橡胶受挤压涉及大变形，收敛可能会相对困难，所以
根据公式 (3)(4)(5) 可以得到不同橡胶硬度下的材
考虑将载荷分成两步加载，先加载 0.1 MPa，后一步
料参数，见表 1。
加载全部载荷。求解时间设置为 1 s，输出每个子步，
表 1 不同橡胶硬度下的材料参数 [13~14]
橡胶硬度 H a （Shore A） C 10 C 01 D 1 E/MPa 进行求解计算 。
50 0.329 0.083 0.004 9 2.465
60 0.483 0.121 0.003 3 3.619
70 0.739 0.185 0.002 2 5.542

2 浮动油封接触问题及模型建立
2.1 浮动油封模型接触问题分析
浮动端面密封的接触问题是比较复杂的状态非线
性问题，是由物体间的接触和分离导致的。本文采用 图 2 初始浮动油封有限元模型
罚单元法来解决这一接触问题 [10] 。罚单元法是在两接
触面的各节点间建立一种伪单元来模拟面与面之间的
接触问题。
2.2 有限元模型的建立
由于浮动油封结构的对称性，为了建模和分析方
便，仅对浮动油封的一侧建立有限元模型进行分析。
本文所选的 O 型橡胶密封圈半径 R 为 8 mm，浮封座
斜面角度为 10°，浮封环斜面角度为 15°。简化的浮动
油封二维模型如 1 所示。

图 3 模型的部分变形情况

1— 浮封座 ； 2—O 型橡胶圈 ； 3— 浮封环
图 1 浮动油封有限元二维模型

在 ABAQUS 有限元分析软件中建模并进行分析，
图 4 橡胶圈挤压变形局部放大图
浮封环和浮封座材料的弹性模量为 2.1 MPa，泊松比

年
2019 第 45 卷 ·37·