Wear Characteristics and Failure Modes for Hole-traversing Sealing Rubber Rings

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.09.020

Abstract

Abstract:

Targeting the wear characteristics of hole-traversing sealing， an adaptive finite element model was proposed based on a multi-layer material model. By implementing the multi-layer material model， the computational errors in gradient state variables were mitigated effectively during adaptive meshing of hyperplastic materials. Large-scale wear simulation and experiment results demonstrate that there is distinct classification characteristics in both stress state and wear morphology between different materials， which results in two corresponding sealing failure modes， contact surface wear induced sealing failure and shear failure after deformation. A predictive model was established for the contact stress under the first failure mode. Further， the mechanism of failure modes was elucidated providing fundamental basis and practical optimization strategies for enhancing seal reliability.

Key words: sealing ring, hole-traversing sealing, wear, adaptive meshing, sealing failure modes

摘要：

提出了一种基于分层材料模型和自适应网格的有限元模型以研究密封圈循环越孔运动的磨损行为，该分层材料模型可有效减少超弹性材料模型在自适应网格计算过程中的梯度状态变量错误。通过大规模仿真计算和实验发现，不同材料的密封圈越孔运动的受力特征、磨损特性分为两类，并产生了相应的两种失效模式：越孔运动磨损后接触失效模式和越孔运动变形后剪切失效模式。在越孔运动磨损后接触失效模式下，接触应力具有高度可预测性。进一步研究了越孔密封圈失效机理，为其可靠性设计提供了理论基础和优化策略。

关键词: 密封圈, 越孔运动, 磨损, 自适应网格, 密封失效模式

CLC Number:

TH117

FANG Zechen, LIU Xiangyang, CHEN Hanlei, LIANG Zhiwei, JIAO Feifei, YANG Xuan, HUANG Wubo, WANG Sen. Wear Characteristics and Failure Modes for Hole-traversing Sealing Rubber Rings[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(9): 2278-2289.

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Figures/Tables 13

Fig.1 Setup for wear simulation of hole-traversing sealing ring

Tab.1 Rubber material parameters of Mooney-Rivlin model

密封圈材料	$C 10$ /MPa	$C 01$ /MPa	弹性模量/MPa	参考文献
丁腈橡胶（NBR）	1.87	0.47	13	［23-25］
三元乙丙橡胶（EPDM）	1.279	0.0543	8	［6，26-28］
氟橡胶（FKM）	1.206	0.294	9	［26-28］
硅橡胶（SR）	0.6976	$-$ 0.1416	2	［22］

Tab.1 Rubber material parameters of Mooney-Rivlin model

密封圈材料	$C 10$ /MPa	$C 01$ /MPa	弹性模量/MPa	参考文献
丁腈橡胶（NBR）	1.87	0.47	13	［23-25］
三元乙丙橡胶（EPDM）	1.279	0.0543	8	［6，26-28］
氟橡胶（FKM）	1.206	0.294	9	［26-28］
硅橡胶（SR）	0.6976	$-$ 0.1416	2	［22］

Fig.2 Sealing ring interference fit process

Fig.3 Mechanical response of different material sealing rings during entering hole and channel movement

Fig.4 Mechanical response of different material sealing rings during outering hole process

Fig.5 Morphology characteristics of NBR and EPDM sealing ring in relaxation state after Abrasion

Fig.6 Quantitative characteristics of real-time wear loss in EPDM and FKM hole-traversing sealing ring

Fig. 7 Quantitative characteristics of real-time wear loss in NBR and SR hole-traversing sealing ring

Fig.8 Characteristics of contact stress of EPDM rubber sealing ring after wearing

Fig. 9 NBR sealing ring shear failure during tube motion

Fig.10 Silicone rubber sealing ring shear failure when entering the hole

Fig.11 Sliding friction resistance， permanent deformation rate， experiment setup， and results of sealing rings during reciprocating cross-hole movement

Fig.12 Reliability optimization of hole-traversing sealing ring

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