表面粗糙度对水压元件o形圈静密封性能的影响

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Effect of W ater Hydraulic Component Surface Roughnesson Static Sealing Property of 0-ringW ang Guozhi Liu Huanlong Liu Shenghao Ke Jian Yin Jiuhong(Colege of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)Abstract：Water hydraulics have the advantages of environment-safety and low maintenance cost，but it puts forwardthe higher requirement for the seal design of water hydraulic components because of the low viscosity of water.The efect ofwater hydraulic component surface roughness on the sealing performance of O -ring was analyzed by using ANSYS and FLU-ENT software.A new kind of calculation way was presented in trial from the perspective of micro flow field to calculate theminimum seal contact width of water hydraulic component O·ring.The results show that the influence of water hydrauliccomponent surface roughness on the sealing perform ance of O-ring is much greater than that of pressure，but to a certaindegree at improving precision of machining，continuously reducing of roughness has litle infl uence on the sealing perform -ance.The correctness and rationality of this calculation way and result are verified with the existing research results of oilhydraulic seal as reference。

Keywords：water hydraulic component；O-ring；roughness；deform ation；leakage关于水压密封件的密封性能研究已经有-定的历史，以往对于水压密封件性能的研究大都是研究其压力、结构、材料等方面对其密封性能的影响，但是有关粗糙度对水压 O形圈密封性能方面影响的研究较少。

在水压系统 的密封当中，往往会 出现这样 的问题：同样的加工质量 ，在液压油介质中能够得到很好的密封性能，但是在水介质中却不能得到很好的密封。本文作者采用 ANSYS和 FLUENT软件对水压 O形圈进行建模和仿真，研究表面粗糙度对其密封性能收稿日期：2012-I1-21作者简介：王国志 (1969-)，男，博士，副教授，主要从事流体传 动与控制、水 射流技术 的教学与研究 工作 .E-mail：329749881### qq.tom影响的计算方法，并利用已有实验结果进行验证，为水压元件O型圈密封设计提供参考。

1 计算建模由于0形橡胶圈的结构是轴对称的，根据 AN-SYS的特点，可以用O形圈的截面来分析其三维空间结构，这样做不仅不会影响计算结果，而且可以大幅度提高计算速度u 。其简化截面物理模型如图1所示。

利用此模型计算时，作如下几点假设 ：(I)O形橡胶圈具有确定的弹性模量和泊松比；(2)O形橡胶圈可压缩变形，但其体积不变；(3)筒和轴的刚度远大于O形橡胶圈，可视其为O形橡胶圈的边界约束；(4)O形橡胶圈的材料为丁晴橡胶 (NBR)。

润滑与密封 第38卷DISPLACEM ENTSTEP1SUB999 999TIME1DM X.306 649图11 Ra0.4 m时0形圈微观变形Fig 1 1 The microscopic deformation of O-ring at Ra0.4 m由图11可知，当表面粗糙度 Ra0.4 Ixm时，O形橡胶圈的最大变形为0.31 Ixm。则0形橡胶圈和密封槽之间的最大间隙为0.09岬 。各压力下中心面的水含量如图 12所示。

距离SImm图12 Ra0.4岬 时中心水含量Fig 12 The center water content at Ra0.4 um由图 12可知 ，2 MPa压力下 ，离入 口0.73 mm处水含量为0，水不再继续流动；4 MPa压力下，离人口0.88 mm处水含量为 0，水不再继续流动；6MPa压力下 ，离人 口1.00 mm处水含量为 0，水不再继续流动；8 MPa压力下，离人口1.O1 mm处水含量为 0，水 不再继 续流 动；16 MPa压力 下，离 入 口1.24 mm处水含量为0，水不再继续流动。

由以上结果可知，在-定 的表面粗糙度和水压下，要保证密封性能就必须要保证-定的接触宽度 。根据前述计算结果总结出O形圈的最杏触宽度见表 1。

表 1 O形圈最杏触宽度Table 1 The minimum contact width of O-ring压力由表1可知，粗糙度对 0形圈密封性能的影响比压力要大得多。但在加工精度提高到-定程度时，更小的粗糙度对密封性能的影响不大。

3 验证由于油压密封的研究具有比较成熟的经验，借鉴油压 0形密封的相关实验结果来验证本文的计算结果。把文献 [7]和文献 [8]中的实验对象按照本文的计算方法进行了计算，计算结果如图13所示。

0.4 LLmO.8 LLm1.6 1113.2 um6.3 um距离S/mm图13 中心油含量Fig 13 Th e center oil content由图13可知，在粗糙度 Ra分别为 0.4、0.8、1.6和3.2 p，m时，为了保证可靠密封，其最杏触宽度要求为0.2-l mm。此计算结果与文献 [7]和文献 [8]中的结果相符，表明本文所采用的方法研究计算粗糙度对水压 0形圈密封性能的影 响是可行和正确的。

ENT来计算分析粗糙度对水压 O形圈密封性能的影响，得到了不同粗糙度下 O形圈的最杏触宽度，为水压O形圈的静密封设计提供了合理的参考。

(2)表面粗糙度大于0.8 m时，表面粗糙度对最杏触宽度的影响较大，低于0.8 m后，影响程度相对较校