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[摘 要]本文通过ANSYS软件对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，研究了其密封性能，得到了安装状态和加载状态下聚四氟乙烯密封圈的等效应力分布和接触压力分布云图，发现聚四氟乙烯密封圈在正常情况下均能较好的密封能力，并可以密封较高压力的介质。
[关键词]聚四氟乙烯；密封圈；仿真研究；ANSYS
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0317-01
引言
聚四氟乙烯密封圈是由一个相对较薄的聚四氟乙烯环包覆一个橡胶O形圈组成，属于挤压式滑动密封。它是靠聚四氟乙烯包覆环与轴和沟槽的表面相接触，在预压缩力和介质压力的共同作用下使聚四氟乙烯包覆环变形堵住轴与孔的间隙，橡胶O形圈被压缩也产生弹性力作用于包覆环，增加接触面的接触压力，阻抑油液流向低压区发生泄漏，从而实现密封。目前，密封件的设计大多依靠实验进行，实验的诸多因素都会造成密封误差，导致密封实际应用时失效。随着有限元技术的迅速发展和日趋成熟，设计人员越来越多的将各种实验通过相关的有限元软件来进行模拟分析，这不仅降低了实验成本，还缩短了产品的设计周期。将有限元法引入到了密封件的设计上，对所设计的密封结构进行仿真分析，可以得到密封件的应力分布云图以及接触压力曲线等与密封能力直接相关的参数，对密封的寿命进行预测。本文通过ANSYS 软件对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，对其综合等效应力及接触应力的分布进行研究。
1 建立聚四氟乙烯密封圈有限元模型
聚四氟乙烯密封圈模型包括旋转轴、O型圈、密封导套等组成。在安装挤压的过程中，旋转轴与密封导套相对于密封件的弹性变形量极小，可以将旋转轴与密封导套近似看作刚体，以简化模型。旋转轴与密封导套的材料均为不锈钢1Cr18Ni9Ti，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。有限元分析过程中，鉴于其边界条件的复杂性，故将密封结构的旋转轴和密封导套作为整体进行分析。根据密封结构的轴对称特性，以及载荷和边界条件的施加特点，可以将模型简化为二维平面轴对称模型，这样不仅不影响计算结果，还可以节省大量建模及计算时间。聚四氟乙烯密封圈密封结构的有限元模型如图1所示。
模型中O形圈与旋转轴，O形圈与密封导套，以及O形圈与导套上的槽之间均设有接触对。根据接触对的定义准则，确定旋转轴和密封导套作为目标体，O形圈作为接触体。旋转轴和密封导套采用线性实体单元PLANE42模拟，橡胶单元采用超弹单元PLANE182模拟。
在模型网格划分中，旋转轴和密封导套做刚体处理，基本不发生变形，故模型中网格划分较少，而O形圈的受力及变形是本节的重点研究内容，且在分析过程中形变位移较大，因此对而O形圈的网格划分较细。O形圈的网格是利用ANSYS的网格划分功能，先建立1/4截面的单元，然后进行镜像操作，形成其实际网格单元，这种网格可以很好的模拟O形圈的的受力情况。模型中共划分945个单元，1086个节点。
2 施加载荷和约束
约束载荷的施加，先把密封导套外边界的 X、Y 方向位移定义为0，作为密封结构分析的基础；将旋转轴外边界的X方向位移定义为0，防止计算时出现压力不均衡，而得不到收敛的结果。然后给旋转轴的-Y方向施加一个位移，使其到达安装位置，模拟O形圈安装状态下的压缩量。最后，在O形圈引入高压水的一侧施加一定压力载荷，模拟最终的接触变形状态。O形圈在安装状态下会产生较大的形变，因此在施加压力载荷时，不能直接加在两个半圆形边界上，应根据具体压缩量的大小，反过来定义需要加载的节点。
分析的过程中，添加三处边界条件：第一是密封导套，其外边界位置固定不变；第二是旋转轴，其外边界X方向保持不变，完成压缩过程后整体保持不变；第三是引入的高压液体载荷。将旋转轴-Y方向的位移定义为第一个载荷步，作用在O形圈上的高压载荷定义为第二个载荷步，求解时按照以上两个载荷步顺序进行。
3 有限元结果分析
（1）O形圈等效应力分布
聚四氟乙烯密封圈安装状态下的综合等效应力Von Mises Stress （SEQV）分布图2所示。
从图中可以发现，在安装完成后，O形密封圈被压缩成近似为椭圆形。O 形密封圈所受应力主要集中于中间的上下两侧，呈“哑铃”状对称分布，靠近接触面的应力较大。安装状态其最大综合等效应力为5.78MPa。
在O形密封圈的左侧施加40MPa压力，聚四氟乙烯密封圈的等效应力分布如图3所示。
从图3中可以看出，聚四氟乙烯密封圈中应力分布有规律，变形合理，最大综合等效应力为8.33MPa。由材料性能参数可知，聚四氟乙烯密封圈仍在许用范围之内，不会产生扭曲变形。
（2）O形圈接触压力分布
聚四氟乙烯密封圈安装状态下的接触压力分布图4所示。
由图4可以发现最大接触压力基本出现在接触位置的中间部位，接触压力从最大接触压力处向两侧呈抛物线的趋势递减，并且O形圈上部和下部产生的接触压力相互对称。图中，聚四氟乙烯密封圈的最大接触应力为7.12MPa，因此聚四氟乙烯密封圈可以密封较高压力的介质。
4 结论
本文通过对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，得到了其安装及加载状态下的等效应力分布和接触压力分布云图。分析发现，安装及加载状态下聚四氟乙烯密封圈具有良好的静密封能力，聚四氟乙烯包覆圈能保持正常工作，并可以密封较高压力的介质。
参考文献
[1] 陈国定.O形密封圈的有限元力学分析[J].机械科学与技术，2000，19（5）：740-743.
[2] 孙杰，杨咸启.复合材料密封圈非线性大变形的有限元分析[J].润滑与密封，2006，（4）：115-118.
[3] 陈碧凤.剖分式机械密封结构有限元分析[J].机械，2010，37（9）：34-36.
[4] 李志方，高诚辉，林有希.聚四氟乙烯的摩擦学改性[J].塑料工业，2005，33（8）：13-15.
[5] 葉建春.高压密封装置的技术进展[J].轻工机械.1999，（2）：7-9.
[6] 夏元白，蒋春梅，吕治忠.钻井泵活塞接触应力分析[J].西南石油学院学报.2004，26（1）：71-74.
作者简介
芦付臣（1973-）男，河南登封人，助理工程师，2008年毕业于河南理工大学，现从事机电设备管理工作。
[关键词]聚四氟乙烯；密封圈；仿真研究；ANSYS
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0317-01
引言
聚四氟乙烯密封圈是由一个相对较薄的聚四氟乙烯环包覆一个橡胶O形圈组成，属于挤压式滑动密封。它是靠聚四氟乙烯包覆环与轴和沟槽的表面相接触，在预压缩力和介质压力的共同作用下使聚四氟乙烯包覆环变形堵住轴与孔的间隙，橡胶O形圈被压缩也产生弹性力作用于包覆环，增加接触面的接触压力，阻抑油液流向低压区发生泄漏，从而实现密封。目前，密封件的设计大多依靠实验进行，实验的诸多因素都会造成密封误差，导致密封实际应用时失效。随着有限元技术的迅速发展和日趋成熟，设计人员越来越多的将各种实验通过相关的有限元软件来进行模拟分析，这不仅降低了实验成本，还缩短了产品的设计周期。将有限元法引入到了密封件的设计上，对所设计的密封结构进行仿真分析，可以得到密封件的应力分布云图以及接触压力曲线等与密封能力直接相关的参数，对密封的寿命进行预测。本文通过ANSYS 软件对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，对其综合等效应力及接触应力的分布进行研究。
1 建立聚四氟乙烯密封圈有限元模型
聚四氟乙烯密封圈模型包括旋转轴、O型圈、密封导套等组成。在安装挤压的过程中，旋转轴与密封导套相对于密封件的弹性变形量极小，可以将旋转轴与密封导套近似看作刚体，以简化模型。旋转轴与密封导套的材料均为不锈钢1Cr18Ni9Ti，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。有限元分析过程中，鉴于其边界条件的复杂性，故将密封结构的旋转轴和密封导套作为整体进行分析。根据密封结构的轴对称特性，以及载荷和边界条件的施加特点，可以将模型简化为二维平面轴对称模型，这样不仅不影响计算结果，还可以节省大量建模及计算时间。聚四氟乙烯密封圈密封结构的有限元模型如图1所示。
模型中O形圈与旋转轴，O形圈与密封导套，以及O形圈与导套上的槽之间均设有接触对。根据接触对的定义准则，确定旋转轴和密封导套作为目标体，O形圈作为接触体。旋转轴和密封导套采用线性实体单元PLANE42模拟，橡胶单元采用超弹单元PLANE182模拟。
在模型网格划分中，旋转轴和密封导套做刚体处理，基本不发生变形，故模型中网格划分较少，而O形圈的受力及变形是本节的重点研究内容，且在分析过程中形变位移较大，因此对而O形圈的网格划分较细。O形圈的网格是利用ANSYS的网格划分功能，先建立1/4截面的单元，然后进行镜像操作，形成其实际网格单元，这种网格可以很好的模拟O形圈的的受力情况。模型中共划分945个单元，1086个节点。
2 施加载荷和约束
约束载荷的施加，先把密封导套外边界的 X、Y 方向位移定义为0，作为密封结构分析的基础；将旋转轴外边界的X方向位移定义为0，防止计算时出现压力不均衡，而得不到收敛的结果。然后给旋转轴的-Y方向施加一个位移，使其到达安装位置，模拟O形圈安装状态下的压缩量。最后，在O形圈引入高压水的一侧施加一定压力载荷，模拟最终的接触变形状态。O形圈在安装状态下会产生较大的形变，因此在施加压力载荷时，不能直接加在两个半圆形边界上，应根据具体压缩量的大小，反过来定义需要加载的节点。
分析的过程中，添加三处边界条件：第一是密封导套，其外边界位置固定不变；第二是旋转轴，其外边界X方向保持不变，完成压缩过程后整体保持不变；第三是引入的高压液体载荷。将旋转轴-Y方向的位移定义为第一个载荷步，作用在O形圈上的高压载荷定义为第二个载荷步，求解时按照以上两个载荷步顺序进行。
3 有限元结果分析
（1）O形圈等效应力分布
聚四氟乙烯密封圈安装状态下的综合等效应力Von Mises Stress （SEQV）分布图2所示。
从图中可以发现，在安装完成后，O形密封圈被压缩成近似为椭圆形。O 形密封圈所受应力主要集中于中间的上下两侧，呈“哑铃”状对称分布，靠近接触面的应力较大。安装状态其最大综合等效应力为5.78MPa。
在O形密封圈的左侧施加40MPa压力，聚四氟乙烯密封圈的等效应力分布如图3所示。
从图3中可以看出，聚四氟乙烯密封圈中应力分布有规律，变形合理，最大综合等效应力为8.33MPa。由材料性能参数可知，聚四氟乙烯密封圈仍在许用范围之内，不会产生扭曲变形。
（2）O形圈接触压力分布
聚四氟乙烯密封圈安装状态下的接触压力分布图4所示。
由图4可以发现最大接触压力基本出现在接触位置的中间部位，接触压力从最大接触压力处向两侧呈抛物线的趋势递减，并且O形圈上部和下部产生的接触压力相互对称。图中，聚四氟乙烯密封圈的最大接触应力为7.12MPa，因此聚四氟乙烯密封圈可以密封较高压力的介质。
4 结论
本文通过对聚四氟乙烯密封圈进行有限元分析，得到了其安装及加载状态下的等效应力分布和接触压力分布云图。分析发现，安装及加载状态下聚四氟乙烯密封圈具有良好的静密封能力，聚四氟乙烯包覆圈能保持正常工作，并可以密封较高压力的介质。
参考文献
[1] 陈国定.O形密封圈的有限元力学分析[J].机械科学与技术，2000，19（5）：740-743.
[2] 孙杰，杨咸启.复合材料密封圈非线性大变形的有限元分析[J].润滑与密封，2006，（4）：115-118.
[3] 陈碧凤.剖分式机械密封结构有限元分析[J].机械，2010，37（9）：34-36.
[4] 李志方，高诚辉，林有希.聚四氟乙烯的摩擦学改性[J].塑料工业，2005，33（8）：13-15.
[5] 葉建春.高压密封装置的技术进展[J].轻工机械.1999，（2）：7-9.
[6] 夏元白，蒋春梅，吕治忠.钻井泵活塞接触应力分析[J].西南石油学院学报.2004，26（1）：71-74.
作者简介
芦付臣（1973-）男，河南登封人，助理工程师，2008年毕业于河南理工大学，现从事机电设备管理工作。