Page 125 - 《橡塑技术与装备》2026年2期

产品与设计
PRODUCT AND DESIGN

O 型橡胶密封圈接触宽度理论建模与

有限元分析

刘鹏，银川， 黄龙，张鹏，林丽君
( 成都大学机械工程学院，四川 成都 610106)
摘要 ： 井下智能滑套作为关键井下流动控制工具，其 O 形圈接触宽度是衡量工具密封性能的关键参数。本文针对石油井下 O
形密封圈建立了一种接触宽度预测模型，以 Hertz 接触理论为框架，引入 Mooney-Rivlin 超弹性理论以表征橡胶材料的非线性力
学特性，推导了接触宽度的表达式。通过 ANSYS 有限元分析结果表明，所建接触宽度预测模型平均误差为 5.9%，最小误差仅 1.6%，
最大误差为 10.9%。为石油井下 O 形橡胶密封圈的结构设计、性能优化及工程应用提供理论支撑与数据参考。
关键词 ： 智能滑套 ； O 形圈 ；接触宽度 ；超弹性 ；有限元仿真
中图分类号 ： TQ336.42 文章编号 ： 1009-797X(2026)02-0073-06
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2026.02.014

0 引言 梳理现有研究成果可知，当前主流的 O 形密封圈
井下智能滑套作为调控井下流体运动的核心工 接触宽度大多仅考虑 O 形圈的压缩率与截面直径这两
具，其密封可靠性直接决定了整套装备的安全性。在 个几何参数，而未将密封圈材料的本质属性（如硬度）
滑套的密封结构中，密封圈承担着阻断泄漏、维持压 纳入考量，导致公式的适用范围与预测精度受到一定
差的关键作用。O 形橡胶圈凭借其结构简单、装拆方 限制。针对这一不足，本文以 Hertz 接触理论为框架，
便、密封性能可靠等优势，具备优异的密封适应性和 引入 Mooney-Rivlin 超弹性理论，将表征橡胶材料力
装拆便利性，是保障滑套在高压差工况下长期稳定可 学性能的硬度参数 H A 及超弹性本构参数（C 10 、 C 01 等）
靠运行的重要基础 [1] 。O 形圈接触宽度直接影响密封 纳入建模范畴，重新构建了 O 形橡胶密封圈的接触宽
性能和使用寿命，接触宽度过大，会导致摩擦力剧增， 度预测模型，并通过有限元分析验证了模型的正确性。
加速密封圈磨损 ；接触宽度不足，难以建立有效密封，
易引发井下泄漏甚至安全事故。 1 理论模型
目前，郑文明 [2] 等结合长期从事液压润滑设备管 O 形圈压缩后与密封面之间为线接触，可根据
理积累的经验与体会阐述了 O 形密封圈接触宽度的设 Hertz 接触理论分析接触宽度，而 Hertz 接触理论是解
计准则。饶建华 [3] 对 O 形橡胶密封圈与挡圈密封在不 决线性弹性体的接触问题而建立的，在处理橡胶等超
同压力下的应力与接触压力进行了有限元分析，分析 弹性材料的接触问题时，需对压缩后 O 形圈的曲率半
了 O 形橡胶密封圈接触压力与接触宽度的关系。夏制 [4] 径和等效弹性模量进行修正。O 形圈接触宽度为 [8] ：
等基于 O 形圈流固耦合仿真分析，探讨了不同压缩率 FR *
w=2 * （1）
下 O 形圈的密封性能。刘鹏 [5] 等研究 O 形密封圈在 πE
式中： w 为 O 形圈接触宽度， mm； F 为法向作用力，
不同硬度、不同工况下的密封性能，讨论了 O 形密封
*
*
圈的材料硬度、径向压缩率和外界压力对密封接触压 N ； R 为曲率半径，mm ； E 为等效弹性模量，MPa。
力的影响。王志翔 [6] 等利用有限元软件中的自动收缩 1.1 法向作用力
配合的方式来模拟组合密封的径向装配过程，分析了 橡胶是超弹性材料，由于 Mooney-Rivlin 模型更
不同参数对橡胶密封的影响。Artur Karaszkiewicz [7]
等采用试验方法和仿真分析推导了 O 形密封圈接触宽
作者简介 ： 刘鹏（2001-），男，机械工程专业在读研究生，
度与压缩率和截面直径的关系式。 主要研究方向为井下智能工具、智能仪器研制及应用等。

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